基于石墨烯构筑的三维组织工程支架材料

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.34.022

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (34): 5523-5529.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.34.022

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基于石墨烯构筑的三维组织工程支架材料

王欣^1，2，李鹏¹，王赞³，徐海峰²，董福平²，陈浩¹，姜宏宇³，Klaud D Jandt²

1吉林大学材料科学与工程学院，吉林省长春市130012； 2耶拿弗里德里希席勒大学材料科学与技术系，耶拿，07743，德国； 3吉林大学白求恩第一医院神经内科，吉林省长春市 130021

出版日期:2015-08-20 发布日期:2015-08-20
通讯作者: 姜宏宇，教授，博士生导师，吉林大学白求恩第一医院神经科，吉林省长春市 130021
作者简介:王欣，女，1970年生，吉林省德惠市人，汉族，2003年吉林大学毕业，博士，教授，主要从事功能薄膜、石墨烯生物医用材料研究。
基金资助:
留学人员科技创新创业项目优秀类(3D510A941460)和吉林省科技厅基础项目(201215025)

Three-dimensional tissue engineering scaffolds based on graphene

Wang Xin^{1, 2}, Li Peng¹, Wang Zan³, Xu Hai-feng², Dong Fu-ping², Chen Hao¹, Jiang Hong-yu³, Klaud D Jandt²

1College of Materials Science and Engineering, Key Laboratory of Automobile Materials of MOE, Jilin University, Changchun 130012, Jilin Province, China; 2Materials Science, Otto Schott Institute for Materials Research, Friedrich Schiller University Jena, Löbdergraben 32, 07743 Jena, Germany; 3Department of Neurology, the First Bethune Hospital at Jilin University, Changchun 130021, Jilin Province, China

Online:2015-08-20 Published:2015-08-20
Contact: Jiang Hong-yu, Professor, Doctoral supervisor, Department of Neurology, the First Bethune Hospital at Jilin University, Changchun 130021, Jilin Province, China
About author:Wang Xin, Dr., Professor, College of Materials Science and Engineering, Key Laboratory of Automobile Materials of MOE, Jilin University, Changchun 130012, Jilin Province, China; Materials Science, Otto Schott Institute for Materials Research, Friedrich Schiller University Jena, L?bdergraben 32, 07743 Jena, Germany
Supported by:
the Outstanding Technological Innovation and Entrepreneurship Program of Overseas Students, No. 3D510A941460; the Base Projects of Science and Technology Department of Jilin Province, No. 201215025

摘要/Abstract

摘要：

背景：基于石墨烯纳米片的化学成分和物理结构，可形成与细胞外生物基质十分相似的微观环境。

目的：综述近年来基于石墨烯构筑三维支架的制备、细胞相容性及与细胞的相互作用。

方法：应用计算机检索中国知网CNKI数据库、ACS-ACS Publications、Elsevier Science, Nature及PNAS美国国家科学院院刊等，有关生物医用石墨烯材料的种类和制备方法及其在组织工程中的应用研究。

结果与结论：将石墨烯及其衍生物作为模块，利用石墨烯二维平面结构特点或氧化石墨烯含有丰富的官能团特性，不仅能够将石墨烯纳米片以不同的方式组装构筑三维宏观结构，而且易于复合其他功能性材料。与单个石墨烯片或传统的碳纳米材料相比，三维宏观石墨烯及复合材料将有可能形成更为新奇独特的结构及性能，具有更加实际的应用价值，包括拥有组织工程支架的功能。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 生物材料, 纳米材料, 石墨烯, 三维支架, 细胞相容性, 组织工程支架

Abstract:

BACKGROUND: Based on the chemical composition and physical structure, graphene nanosheets can be used to form a very similar biological micro-environment to the extracellular matrix.

OBJECTIVE: To review the preparation, cytocompatibility and cell interaction of graphene-based three-dimensional scaffolds in recent years.

METHODS: A computer-based search of CNKI, ACS-ACS Publications, Elsevier Science, Nature and PNAS was performed to retrieve articles related to the type, preparation and application of biomedical graphene in tissue engineering.

RESULTS AND CONCLUSION: Graphene and its derivatives are made as a module, and based on its two-dimensional structural characteristics or functional groups enriched in oxidized graphene, graphene nanosheets can be assembled in different ways to build a three-dimensional macroscopic structure that is easy to compound other functional materials. Compared with a single graphene sheet or carbon nanomaterials, three-dimensional macroscopic graphene and its composite materials will be more likely to form new and unique structures and properties, which have more practical values and possess the functions of tissue engineering scaffolds.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Graphite, Tissue Engineering, Extracellular Matrix

中图分类号:

R318

王欣，李鹏，王赞，徐海峰，董福平，陈浩，姜宏宇，Klaud D Jandt. 基于石墨烯构筑的三维组织工程支架材料[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(34): 5523-5529.

Wang Xin, Li Peng, Wang Zan, Xu Hai-feng, Dong Fu-ping, Chen Hao, Jiang Hong-yu, Klaud D Jandt. Three-dimensional tissue engineering scaffolds based on graphene[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(34): 5523-5529.

图/表（结果） 1

2.1 石墨烯纸/膜的制备及用于组织工程支架材料组织工程和再生医学中常用于制备三维支架材料的技术包括电纺丝、光刻、微加工及自组织等。但这些传统方法制备的高分子聚合物纳米纤维或凝胶支架在结构和力学性能方面很难有突破^[20]。三维纸基材料以其表面丰富的拓扑结构和微观组织、力学性能特点及低成本易加工特性，有可能建立新型的细胞培养平台和组织支架^[20-23]。采用加工自支撑类纸质膜的传统抽滤方法，Dikin等^[24]首次真空抽滤氧化石墨烯片悬浮液获得了氧化石墨烯纸/膜，一种由二维氧化石墨烯片构筑的具有层状结构的类纸质材料(在有些文献中也有把石墨烯纸归类为具有宏观结构的二维材料^[25-27])。目前比较认可的分类是：将膜厚大于5 μm的不透明膜称为厚膜，位于1-5 μm之间的为半透明膜，而将薄膜的厚度通常定义为小于1 μm。由于同层氧化石墨烯片之间相互锁扣，紧密连接，因而氧化石墨烯纸显示出惊人的力学性能，其中杨氏模量为23-42 GPa，拉伸强度范围为15-193 MPa，高于当前已知的其他纸类材料。此外，由于氧化石墨烯片的边缘及表面富含大量羟基、羧基和环氧官能团，因此通过阳离子交联过程或氨基修饰还可以进一步提高其力学性能^[28-29]。抽滤方法易于控制氧化石墨烯纸材料的厚度。最近Eda等^[30]采用真空抽滤方法制备了厚度为2 nm的氧化石墨烯膜。虽然氧化石墨烯膜在刚度和强度上优于其他很多类纸质材料，但含氧官能团的存在使材料的电学性能受到极大影响。为此，Chen等^[31]采用水合肼还原氧化石墨烯获得分散性良好的石墨烯片溶液，采用类似于氧化石墨烯纸的制备方法，首先将氧化石墨烯纳米片经还原处理得到石墨烯纳米片，然后通过真空抽滤制备了还原氧化石墨烯纸。实验中的氧化石墨是采用改进的Hummers制取^[4，32]。首先将制备的氧化石墨溶于超纯水溶液中形成棕色的分散液，然后经过渗析，彻底去除残余的盐类和酸；选取一定浓度的(0.05%)、经纯化的氧化石墨悬浮液进行超声波处理，完成氧化石墨的剥离过程；最后，将棕色分散液在3 000 r/min条件下离心 30 min，去除任何没有剥离的氧化石墨。经过多次反复离心清洗后，采用氨水将溶液的pH调整为10；随后加热分散液至95 ℃，在水合肼作用下获得还原氧化石墨烯分散液。这样处理得到的还原氧化石墨烯片层厚度约为1 nm，横向长度小于500 nm^[6]。氧化石墨烯溶液经特定滤膜抽滤后，在空气中干燥后即得到石墨烯纸。石墨烯纸经220 ℃退火后，石墨烯片层堆垛更加有序，层间接触更加紧密，因此往往也被称之为具有密实结构的二维石墨烯膜^[25](图1A)。这种结构不仅具有高的力学性能(杨氏模量最大可达41.8 GP，平均最高拉伸强度为293.3 MPa)，而且室温电导率(118 S/cm)远高于氧化石墨烯纸(0.8 S/cm)。为了进行石墨烯纸的细胞毒性测试，实验中采用鼠成纤细胞系(L929)，将还原氧化石墨烯纸作为细胞培养基底，置于96-well聚苯乙烯细胞培养板内，并浸泡于细胞培养液中。实验结果表明，与商用细胞培养板相比，L929在还原氧化石墨烯纸上具有同样的黏附性和增殖能力，说明还原氧化石墨烯纸具有细胞相容性。这是科学工作者首次对化学转化制备的石墨烯材料进行细胞毒性评估的报道(图1B）。虽然真空抽滤方法制备的还原氧化石墨烯纸具有高的力学性能，但紧密排列的层状结构不利于获得高的比表面积，因而会限制它的应用范围，其中也包括作为组织工程支架材料。虽然最近有关于制备多孔结构氧化石墨烯或石墨烯薄膜的报道，但大多用于储能电极材料，在组织工程支架材料方面的研究还鲜见报道^[25，33]。通过调节分散液中氧化石墨片或还原氧化石墨烯片的含量，可以很容易地控制滤膜上沉积还原氧化石墨烯纸的厚度，得到少层还原氧化石墨烯薄膜。与化学气相沉积的石墨烯膜相类似，真空抽滤方法制备的石墨烯薄膜同样可以转移覆盖在三维材料的平面位置，如玻璃、不锈钢等表面，提供细胞培养基质^[34-37]。但作为三维多孔支架材料的改性涂层，这种方法显然存在一定局限。

三维多孔网络立体支架是细胞生长的理想结构。细胞在三维框架中更易于生长、养分传输和代谢产物的排泄，从而增殖并分泌基质，形成具有与原组织形态、结构和功能相似的组织和器官^[38]。组织工程支架材料或植入材料的表面改性旨在不影响本体材料的物理性能的基础上，通过物理、化学和生物等各种技术手段改善材料的表面性质，如生物相容性，以及提供不同于支架体的其他力学、电学及化学性质，得到具有良好生物活性表面层的生物医用材料或医疗器械^[39]。与真空抽滤方法制备的石墨烯薄膜相比，采用层层自组装方法，通过还原氧化石墨烯片之间的π-π堆垛和范德华力，可以成功将二维石墨烯片在三维多孔支架表面自组织形成薄层^[38]。层层自组装能够精确控制每个沉积层的厚度，并且确保还原氧化石墨烯片沿着薄膜水平方向排列。Zhou等^[38]首先采用聚合物电纺丝方法制备了纳米纤维支架，然后采用层层自组装技术在支架表面沉积了不同质量的还原氧化石墨烯纸。选取第5天的原代外皮神经细胞作为培养对象，细胞实验证实了覆盖石墨烯的三维支架是体系相容的。最近，Kanayama等^[40]将厚度约为1 nm、横向平均尺寸约为20 μm的氧化石墨烯片水溶液注入胶原质支架(6 mm×6 mm×3 mm，平均孔隙率97.3%)，采用化学还原方法获得还原石墨烯膜。首先将涂有氧化石墨烯的支架浸泡于90 ℃的10%抗坏血酸溶液中1 h，考虑到胶原支架在抗坏血酸中会发生溶解，样品随后又经过次亚硫酸钠溶液处理3 min。实验结果表明，涂覆了氧化石墨烯和还原氧化石墨烯涂层的胶原支架不仅能够保持原来的高度孔结构，而且抗压强度显著提高，其中涂覆还原氧化石墨烯的支架所能承受的压强更大、表面结构更为粗糙，更加有利于提供良好的组织工程微环境。还原氧化石墨烯涂层、氧化石墨烯涂层及胶原质支架本身所表现的长入率分别为39%、20%和16%。此外，对氧化石墨烯涂层胶原支架的生物体内评估显示，改性后的支架生物活性具有氧化石墨烯浓度依赖关系，低剂量的氧化石墨烯涂层支架能够提高细胞向内生长，而且具有高度降解功能^[41]。值得一提的是，石墨烯或氧化石墨烯片构筑的涂层不仅可用于活性支架材料的表面，还被研究用于传统植入体表面的改性。例如在整形外科术中，为了提高植入体的生物活性、生物相容性和抗腐蚀性，往往在各种金属植入体(如Ti及合金、不锈钢、Co-Cr合金等)表面涂覆生物活性陶瓷或复合物^[42]。基于石墨烯的细胞相容性特点，以及具有提高脆性材料刚度的能力、优异的抗菌性和具有恢复磷灰石矿化的潜力，结合羟基磷灰石生物活性、生物相容性及促进成骨分化的特点，Jankovi?等^[42]在金属Ti表面电泳沉积了羟基磷灰石和石墨烯涂层，显著提高了金属Ti材料在生理环境下的稳定性。

目前报道的基于化学转化石墨制备自支撑石墨烯纸/膜(厚度为微米量级)的方法，主要包括真空抽滤方法、氧化石墨烯纸还原方法、气-液界面自组织蒸发方法、金属表面同步还原方法等^[43-55]。最近对具有较大横向尺寸的化学转化氧化石墨烯片水溶胶进行真空分步加热还原处理，在多种衬底上(玻璃培养皿、聚丙烯、泡沫镍、Ti片、碳纸等)原位制备了还原氧化石墨烯纸/ 膜^[56]，发现氧化石墨烯片的尺寸、分步加热（代替直接升温至还原温度）及溶胶浓度的调节，对于获得宏观平整光滑表面、无气孔和褶皱且与衬底结合良好的还原氧化石墨烯膜很关键，而膜的厚度可通过改变氧化石墨烯分散液的浓度和用量来调节。

2.2 三维多孔石墨烯基宏观材料的制备及生物活性关于石墨烯纳米片作为增强聚合物或陶瓷材料力学性能的添加物在组织工程的应用研究进展情况，可以参看综述文献[1，17，57-62]，文中将不再做详细介绍。石墨烯及其衍生物独特的微观组织结构和化学性质决定了它们能够作为纳米模块构筑三维多孔宏观结构材料。采用模板法^[19^，^63-67]、沸腾成核自组织方法^[68]、水热合成法^[69-71]、还原法^[72-75]、冷冻干燥法^[74-76]、微波辐射等方法^[73]，可以制备出三维石墨烯泡沫及石墨烯基凝胶等多孔材料。为提高多孔结构的有序性，Yin等^[77]采用在氧化石墨烯溶液中添加静电吸附剂的方法，自组织制备可规模化的三维蜂巢状多孔膜。上述方法制备三维多孔材料均具有高的比表面积和独特的微环境，力学性能范围为10^-⁴-350 MPa，导电率为10^-¹-10² S/m。这类材料在能量存储和转化电极、催化剂载体及气体存贮和分离、电磁屏蔽材料等领域受到广泛研究^[25-26^，^78]。最近，三维多孔石墨烯及其衍生物吸引了生物工程领域工作者的关注^[34-35^，^64]。Cao等^[63]采用化学气相沉积技术，通过乙醇气体高温(1 000 ℃)分解，在泡沫镍上沉积了石墨烯薄膜。为了去除泡沫镍模板，将生长了石墨烯的样品首先在PMMA溶液中浸泡一段时间，随后在含有1 mol/L FeCl₃和2 mol/L HCl溶液中经50 ℃刻蚀处理，以除去泡沫镍，最后经丙酮蒸汽并结合在Ar(200 sccm)和 H₂(40 sccm)中经450 ℃退火去除PMMA。实验结果表明，去除泡沫镍模版后，自支撑石墨烯泡沫不仅没有出现坍塌现象，而且继承了泡沫镍的三维网络和多孔结构。

Li等^[19]进一步研究证实了化学气相沉积方法制备三维石墨烯泡沫的细胞相容性。作为神经干细胞的导电支架，探讨了其对神经干细胞附着、增殖和分化成为神经细胞系的影响情况，以及对已分化神经干细胞电刺激的能力。所制备的三维石墨烯泡沫呈连续多孔结构，孔隙率达(99.5±0.2)%，孔尺寸范围为100-300 μm，支架宽度为100-200 μm，表面为具有许多皱褶和波状的显微结构形貌，为少层或多层石墨烯片状结构，自支撑三维多孔结构力学强度高、柔性好，而且由于缺陷少、片层之间接触电阻低，所以与其他基于化学转化方法制备的三维石墨烯泡沫(如冷冻干燥法)相比具有更高的导电性。为提高石墨烯泡沫对神经干细胞的附着能力，Li等在支架材料表面预涂覆了层连蛋白。细胞测试结果表明，与化学气相沉积制备的单层或少层石墨烯薄膜细胞培养衬底相比，神经干细胞在石墨烯泡沫表面同样附着性好、活性高，但由于多孔结构具有更大的比表面积、更加有利于养分的传输和代谢产物的排泄，因此更有助于干细胞的增殖。免疫荧光染色测试及定量分析显示，神经干细胞在石墨烯泡沫上分化出来的神经细胞标记和星形胶质细胞标记表达比在石墨烯薄膜上要分别增强约2.5倍和1.5倍，即三维多孔结构更加有利于神经系的形成。为了进一步证实石墨烯泡沫作为神经组织工程支架的可行性，Song等^[65]通过大量实验数据分析了化学气相沉积技术制备三维石墨烯泡沫与二维石墨烯薄膜的神经炎性反应情况。结果发现，在没有经脂多糖活化前，二者对小胶质细胞具有相似的炎症反应，但经过脂多糖激活后，前者所引起的神经炎较为温和；过度活化后，三维石墨烯反而体现出抗炎效果；而且三维石墨烯更有利于神经干细胞和PC12细胞的生长。微观形貌分析显示，少层或多层石墨烯片构成的三维石墨烯泡沫表面的波纹和褶皱较二维石墨烯薄膜更宽。

最近，三维石墨烯基水凝胶、气凝胶和有机凝胶材料的出现，迅速吸引了化学和材料科学工作者的关注。Li等^[78]对这类新材料的制备方法、胶体形成机制及在电化学、电磁兼容、环境保护等领域的应用做了详细综述。大量研究证实，石墨烯凝胶是通过二维石墨烯或氧化石墨烯自组织形成的三维结构。制备石墨烯水凝胶的方法有多种，如一步水热合成方法、基于贵金属离子或酸化方法、聚合物或其他小分子诱导(胶凝因子诱导)方法等^[18，78]。同样是基于化学转化的石墨烯构筑的三维材料，石墨烯水凝胶也可以通过真空抽滤石墨烯纳米片合成^[24，43]。与石墨烯纸相比，凝胶状的石墨烯含水量可以达92%，在固-液界面处通过石墨烯片片之间相互作用形成三维多孔结构中，水分子扮演了重要角色，是阻止石墨烯片团聚、促进片层定向排列形成网状的重要因素^[79]。Lim等^[80-81]采用水热合成方法制备石墨烯水凝胶，并首次报道采用MG63细胞系对所合成的三维材料进行细胞活性测试。与化学气相沉积模版法制备的三维石墨烯泡沫相比，水热方法制备三维石墨烯凝胶无需对样品进行模版去除处理，因此不必考虑制备石墨烯的催化剂和刻蚀剂所带来的生物毒性问题。实验结果表明，采用Hummers方法制备的大横向尺寸及表面积的氧化石墨烯片(平均面积为7000 μm²，横向尺寸最大可达 150 μm)，经过1 h超声处理后，横向尺寸降至5 μm以下。经过180 ℃水热处理24 h后，在反应釜内形成了柱状结构的石墨烯凝胶。根据氧化石墨烯片的大小不同，最大的水凝胶柱直径为15 mm，高度为30 mm；表面积(202.4±2.9) m²/g，远大于前驱体石墨的表面积 (10 m²/g)。微观结构为疏松多孔的网络，孔壁为薄层石墨烯，孔尺寸依赖于氧化石墨烯片的横向尺寸。细胞测试结果表明，石墨烯水凝胶可以作为细胞生长的衬底，而细胞的繁殖具有时间依赖性。Serrano等^[76]首次探索了三维多孔氧化石墨烯支架对神经细胞活性的影响，采用的是生物相容冷冻铸造方法，选取胚神经祖细胞，研究了细胞的附着、形貌、活性和神经/胶质的分化。结构分析表明，构成柔性、无支撑三维多孔结构的氧化石墨烯片层厚度为100-120 nm，孔隙率约为80%，孔尺寸范围为150-180 μm(长度方向)和40 μm(宽度方向)。由于科学工作者对三维多孔石墨烯与神经细胞相互作用的认识尚在雏形阶段，因此Serrano也同样选取二维石墨烯薄膜作为参照样品。选取六亚甲基二异氰酸酯对三维氧化石墨烯支架进行功能化处理，以提高支架结构的牢固和稳定性。经过14 d的细胞测试发现，在支架体内形成了高活性和内连接的神经网络，既有神经又含有胶质细胞，还有树突、轴突和突触连接。

参考文献

[1] Sanchez VC,Jachak A,Hurt RH,et al.Biological interactions of graphene-family nanomaterials: an interdisciplinary review. Chem Res Toxicol.2012;25(1):15-34.
[2] Novoselov KS,Geim AK,Morozov SV,et al.Electric field effect in atomically thin carbon film.Science.2004;306:666-669.
[3] Kim KS,Zhao Y,Jang H,et al.Large-scale pattern growth of grapheme films for stretchable transparent electrodes. Nature.2009;457:706-710.
[4] Hummers WS,Offeman RE.Preparation of graphitic oxide.J Am Chem Soc.1958;80:1339.
[5] Stankovich S,Kikin DA,Piner RD,et al.Synthesis of graphene-nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide.Carbon.2007;45:1558-1565.
[6] Li D,Mueller MB,Gilje S,et al.Processable aqueous dispersions of grapheme nanosheets.Nat Nanotechnol. 2008;3:101-105.
[7] Guo SJ, Dong SJ.Graphene nanosheet: synthesis, molecular engineering, thin film, hybrids, and energy and analytical applications.Chem Soc Rev.2011;40:2644-2672.
[8] Akhavan O,Ghaderi E,Abouei E,et al.Accelerated differentiation of neural stem cells into neurons on ginseng-reduced graphene oxide sheets.Carbon.2014;66: 395-406.
[9] Aryaei A, Jayatissa AH, Jayasuriya AC.The effect of grapheme substrate on osteoblast cell adhesion and proliferation.J Biomater Mater Res A.2014;102A: 3282-3290.
[10] Bendali A,Hess LH,Seifert M,et al.Purified neurons can survive on peptide-free graphene layers.Healthcare Mater. 2013;2:929-933.
[11] Kalbacova MH,Verdanova M,Broz A,et al.Modulated surface of single-layer grapheme controls cell behavior.Carbon.2014; 72:207-214.
[12] Zhang Q,Xu J,Song Q,et al.Synthesis of amphiphilic reduced grapheme oxide with an enhanced charge injection capacity for electrical stimulation of neural cells.J Mater Chem B. 2014;2:4331-4337.
[13] Ku SH, Park CB.Myoblast differentiation on graphene oxide. Biomaterials.2013;34:2017.
[14] Kalbacova MH,Broz A, Kong J,et al.Graphene substrates promote adherence of human osteoblasts and mesenchymal stromal cells.Carbon.2010;48:4323-4329.
[15] Park SY,Park J,Sim SH,et al.Enhanced differentiation of human neural stem cells into neurons on grapheme.Adv Mater.2011;23:H263-267.
[16] Chen GY,Pang DWP,Hwang SM,et al.A graphene-based platform for induced pluripotent stem cells culture and differentiation.Biomaterials.2012;33:418-427.
[17] Nakanishi W,Minami K,Shrestha LK,et al.Bioactive nanocarbon assemblies: nanoarchitectonics and applications.Nano Today.2014;9:378-394.
[18] Ku SH,Lee M,Park CB.Carbon-Based Nanomaterials for Tissue Engineering.Adv Healthcare Mater.2013;2:244-260.
[19] Li N,Zhang Q,Gao S,et al.Three-dimensional graphene foam as a biocompatible and conductive scaffold for neural stem cells.Sci Report.2013;3:1604.
[20] Park HJ,Yu SJ,Yang K,et al.Paper-based bioactive scaffolds for stem cell-mediated bone tissue engineering.Biomaterials. 2014;35:9811-9823.
[21] Derda R,Laromaine A,Mammoto A,et al.Paper-supported 3D cell culture for tissue-based bioassays.Proc Natl Acad Sci USA.2009;106:18457-18462.
[22] Derda R,Tang SK,Laromaine A, et al.Multizone paper platform for 3D cell cultures. PLoS One.2011;6:e18940.
[23] Mosadegh B,Dabiri BE,Lockett MR,et al.Three-dimensional paper-based model for cardiac ischemia.Adv Healthc Mater. 2014;3:1036-1043.
[24] Dikin DA,Stankovich S,Zimnez EJ,et al.Preparation and characterization of graphene oxide paper.Nature.2007;448: 457-460.
[25] Liu LL,Niu ZQ,Zhang L,et al.Structural diversity of bulky graphene materials.Small. 2014;10(11):2200-2214.
[26] Cong HP,Chen JF,Yu SH.Graphene-based macroscopic assemblies and architectures: an emerging material system. Chem Soc Rev.2014;43:7295.
[27] Xu YX, Shi GQ.Assembly of chemically modified graphene: methods and applications. J Mater Chem.2011;21:3311-3323.
[28] Compton OC,Dikin DA,Putz KW,et al.Electrically Conductive "Alkylated" Graphene Paper via Chemical Reduction of Amine-Functionalized Graphene Oxide Paper.Adv Mater. 2010;22(8):892-896.
[29] Park S,Lee K,BOzoklu G,et al.Graphene oxide papers modified by divalent ions - Enhancing mechanical properties via chemical cross-linking.ACS Nano.2008;2(3):572-578.
[30] Eda G,Fanchini G,Chhowalla M.Large-area ultrathin films for reduced graphene oxide as a transparent and flexible electronic material.Nat Nanotechnol.2008;3(5):270-274.
[31] Chen HQ, Mueller MB, Gilmore KJ,et al.Mechanically strong, electrically conductive, and biocompatible graphene paper. Adv Mater.2008;20:3557-3561.
[32] Kovtyukhova NI.Layer-by-layer assembly of ultrathin composite films from micron-sized graphite oxide sheets and polycations.Chem Mater.1999;11:771-778.
[33] Niu ZQ,Chen J,Hng HH,et al.A leavening strategy to prepare reduced graphene oxide foams.Adv Mater.2012;24(30): 4144-4150.
[34] Nayak TR,Andersen H,Makam VS,et al.Graphene for controlled and accelerated osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells.ACS Nano.2011;5(6): 4670-4678.
[35] Shi XT,Chang HX,Chen S,et al.Regulating cellular behavior on few-layer reduced graphene oxide films with well-controlled reduction states.Adv Function Mater. 2012; 22:751-759.
[36] Tang LAL,Lee WC,Shi H,et al.Highly Wrinkled Cross-Linked Graphene Oxide Membranes for Biological and Charge- Storage Applications.Small.2012;8:423-431.
[37] 王洁,刘加强,房兵,等.氧化石墨烯对大鼠骨髓间充质干细胞生物活性的影响[J].组织工程与重建外科杂志,2013,9(6):306-310.
[38] Zhou K,Thouas GA,Bernard CC,et al.Method to Impart Electro- and Biofunctionality to Neural Scaffolds Using Graphene-Polyelectrolyte Multilayers.ACS Appl Mater Interfaces.2012;4:4524-4531.
[39] 冯庆玲.生物材料概论[M].北京:清华大学出版社,2009.
[40] Kanayama I,Miyaji H,Takita H,et al.Comparative study of bioactivity of collagen scaffolds coated with graphene oxide and reduced graphene oxide.Int J Nanomedicine. 2014;9: 3363-3373.
[41] Nishida E,Miyaji H,Takita H,et al.Graphene oxide coating facilitates the bioactivity of scaffold material for tissue engineering.Jpa J Appl Phys.2014;53(6): 06JD04-1-7.
[42] Jankovi? A,Erakovi? S,Mitri? M,et al.Bioactive hydroxyapatite/graphene composite coating and its corrosion stability in simulated body fluid.J Alloy Copmd.2015;624: 148-157.
[43] Xu YX,Bai H,Lu GW,et al.Flexible graphene films via the filtration of water-soluble noncovalent functionalized graphene sheets.J Am Chem Soc.2008;130:5856-5857.
[44] Cao XB,Qi DP,Yin SY,et al.Ambient Fabrication of Large-Area Graphene Films via a Synchronous Reduction and Assembly Strategy.Adv Mater.2013;25:2957-2962.
[45] Lv W,Xia ZX,Wu S,et al.Conductive graphene-based macroscopic membrane self-assembled at a liquid-air interface.J Mater Chem.2011;21:3359-3364.
[46] Pei SF,Zhao JP,Du JH,et al.Direct reduction of graphene oxide films into highly conductive and flexible graphene films by hydrohalic acids.Carbon.2010;48:4466-4474.
[47] Shao JJ,Lv W,Guo QG,et al.Hybridization of graphene oxide and carbon nanotubes at the liquid/air interface.Chem Comm. 2012;48:3706-3708.
[48] Cong HP,Ren XC,Wang P,et al.Flesible graphene-polyaniline composite paper for high-performance supercapacitor.Energy Environ Sci.2013;6:1185-1191.
[49] Huang L,Li C,Yuan WJ,et al.Strong composite films with layered structures prepared by casting silk fibroin-graphene oxide hydrogels.Nanoscale.2013;5:3780-3786.
[50] Sun DF,Yan XB,Lang JW,et al.High performance supercapacitor electrode based on graphene paper via flame-induced reduction of graphene oxide paper.J Power Sources.2013; 222:52-58.
[51] Tamboli SH,Kim BS,Choi G,et al.Post-heating effects on the physical and electrochemical capacitive properties of reduced graphene oxide paper.J Mater Chem A. 2014;2:5077-5086.
[52] Zhao X,Hayner CM,Kung MC,et al.Flexible Holey Graphene Paper Electrodes with Enhanced Rate Capability for Energy Storage Applications.ACS Nano.2011;5:8739-8749.
[53] Chen CM,Yang QH,Yang YG,et al.Self-assembled free-standing graphite oxide membrane, Adv Mater.2009;21: 3007-3011.
[54] Lin XY,Zheng QB,Zousefi N,et al.Fabrication of highly-aligned, conductive, and strong graphene papers using ultralarge graphene oxide sheets.ACS Nano.2012;6: 10708-10719.
[55] Dimiev AM,Tour JM.Mechanism of Graphene Oxide Formation. ACS Nano.2014;8: 3060-3068.
[56] 王欣,李鹏,周余来,等.一种柔性纸状还原氧化石墨烯膜片的制备方法[S].中国发明专利,公开号:CN104071783A.
[57] Han ZJ,Rider AE,Ishaq M,et al. Carbon nanostructures for hard tissue engineering. RSC Advances.2013;3: 11058- 11072.
[58] Krishna KV,Ménard-Moyon C,Verma S,et al.Graphene-based nanomaterials for nanobiotechnology and biomedical applications.Nanomedicine.2013;8:1669-1688.
[59] Mao HY,Laurent S,Chen W,et al.Graphene: Promises, Facts, Opportunities, and Challenges in Nanomedicine.Chem Rev.2013;113:3407-3424.
[60] Zhang Y,Nayak TR,Hong H,et al.Graphene: a versatile nanoplatform for biomedical applications.Nanoscale 2012; 4:3833-3842.
[61] Bitounis D,Ali-Boucetta H,Hong BH,et al.Prospects and Challenges of Graphene in Biomedical Applications.Adv Mater.2013;25:2258-2268.
[62] Shah S,Yin PT,Uehara TM,et al.Guiding Stem Cell Differentiation into Oligodendrocytes Using Graphene- Nanofiber Hybrid Scaffolds.Adv Mater.2014;26: 3673-3680.
[63] Cao XH,Shi YM,Shi WH,et al.Preparation of Novel 3D Graphene Networks for Supercapacitor Applications.Small. 2011;7:3163-3168.

[64] Park S,Kang SO,Jung E,et al.Surface modification and partial reduction of three-dimensional macroporous graphene oxide scaffolds for greatly improved adsorption capacity.RSC Adv. 2014;4:899-902.
[65] Song Q,Jiang ZY,Li N,et al.Anti-inflammatory effects of three-dimensional graphene foams cultured with microglial cells.Biomaterials.2014;35:6930-6940.
[66] Shao JJ,Wu SD,Zhang SB,et al.Graphene oxide hydrogel at solid/liquid interface. Chem Commun.2011;47:5771-5773.
[67] Barg S,Perez FM,Ni N,et al.Mesoscale assembly of chemically modified graphene into complex cellular networks. Nature Commu.2014;5:4328.
[68] Ahn HS,Jang JW,Seol M,et al.Self-assembled foam-like graphene networks formed through nucleate boiling.Sci Report. 2013;3:1396.
[69] Ji CC,Xu MW,Bao SJ,et al.Self-assembly of three-dimensional interconnected graphene-based aerogels and its application in supercapacitors. J Colloid Interface Sci. 2013;407:416-424.
[70] Li YR,Chen J,Huang L,et al.Highly Compressible Macroporous Graphene Monoliths via an Improved Hydrothermal Process.Adv Mater.2014;26:4789-4793.
[71] Qian YQ,Ismail IM,Stein A.Ultralight, high-surface-area, multifunctional graphene-based aerogels from self-assembly of graphene oxide and resol.Carbon.2014;68: 221-231.
[72] Tang GQ,Jiang ZG,Li XF,et al.Three dimensional graphene aerogels and their electrically conductive composites.Carbon. 2014;77:592-599.
[73] Hu H,Zhao ZB,Wan WB,et al.Ultralight and Highly Compressible Graphene Aerogels, Adv Mater.2013;25: 2219-2223.
[74] Zhang XT,Sui ZY,Xu B,et al.Mechanically strong and highly conductive graphene aerogel and its use as electrodes for electrochemical power sources.J Mater Chem.2011;21: 6494-6497.
[75] Zhang L,Wang ZP,Xu C,et al.High strength graphene oxide/polyvinyl alcohol composite hydrogels.J Mater Chem. 2011;21:10399-10406.
[76] Serrano MC,Patino J,Garcia-Rama C,et al.3D free-standing porous scaffolds made of graphene oxide as substrates for neural cell growth.J Mater Chem B.2014;2: 5698-5706.
[77] Yin SY,Zhang YY,Kong JH,et al.Assembly of Graphene Sheets into Hierarchical Structures for High-Performance Energy Storage.ACS Nano.2011;5:3831-3838.
[78] Li C,Shi GQ.Functional Gels Based on Chemically Modified Graphenes.Adv Mater. 2014;26:3992-4012.
[79] Yang X,Zhu J,Qiu L,et al.Bioinspired Effective Prevention of Restacking in Multilayered Graphene Films: Towards the Next Generation of High-Performance Supercapacitors.Adv Mater. 2011;23:2833.
[80] Lim HN, Huang NM,Lim SS,et al.Fabrication and characterization of graphene hydrogel via hydrothermal approach as a scaffold for preliminary study of cell growth.Int J Nanomedicine 2011;6:1817-1823.
[81] Xu YX,Sheng KX,Li C,et al.Self-assembled graphene hydrogel via a one-step hydrothermal process.ACS Nano. 2010;4:4324-4330.

引言

石墨烯纳米材料家族成员众多，根据在生物医学领域所显示出的潜在应用进行划分，涵盖至少在一个维度上尺寸为纳米量级的所有材料，其中包括少层/多层石墨烯薄膜(由2-10或>10层石墨烯构成)、氧化石墨烯（化学转化的石墨烯）和还原氧化石墨烯(经还原处理的氧化石墨烯)纳米片^[1]。石墨烯薄膜可通过自上而下(例如石墨的化学或机械剥离方法)或自下而上(化学气相沉积)方法制备^[2-3]；氧化石墨烯往往通过石墨的深度氧化获得^[4]，而对氧化石墨烯进行还原处理可以得到不同还原程度的还原氧化石墨烯^[5-6]。此外，基于化学转化石墨烯纳米片也可以构筑单层或少层带有含氧官能团的石墨烯薄膜，目前报道的方法包括真空抽滤方法、层层自组装方法、喷雾方法、电泳沉积技术等^[7]。石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯纳米片拥有二维纳米结构及独特的物理、化学和力学性能，对多种哺乳类细胞具有很高的亲和性，适合作为细胞培养基底，能够支持细胞的黏附、增殖及分化，其中包括骨髓间充质干细胞、神经干细胞、多能诱导干细胞等多种干细胞^[1^，^8-16]。与氧化石墨烯相比，石墨烯薄膜优异的电学性质和独特的化学结构，更易于神经干细胞上调海带氨酸受体的黏附，有效提高神经干细胞活性，保持更长时间的分化能力^[8^，^15]。与二维纳米结构薄膜或超薄膜相比，基于石墨烯单层/少层或化学氧化石墨烯片可以构筑三维生物支架/植入体涂层或层状、多孔结构的具有一定厚度的石墨烯纸/膜(这里不包括厚度小于1 μm或厚度为纳米量级的薄膜)、石墨烯泡沫、石墨烯凝胶等三维宏观材料^[17-19]。三维石墨烯材料具有共同的特点，即轻质、超柔韧性、大的表面积、高的导电性和力学强度，这些特点对于实现整体器件和构筑新型生物工程支架具有独特的优势。文章拟对上述3种结构的三维石墨烯基宏观材料的制备及在组织工程领域的应用研究进展加以介绍。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

讨论

基于化学转化石墨烯及衍生物可以构筑石墨烯（或氧化石墨烯）薄膜、纸及凝胶。以真空抽滤石墨烯片自组织沉积石墨烯膜为例，通过改变分散液中氧化石墨烯的浓度或滤液用量，可以很容易控制石墨烯薄膜的厚度、层数和含水量，得到单层、少层或多层石墨薄膜、厚度大于1 μm的自支撑石墨烯纸或石墨烯水凝胶，而前驱体氧化石墨烯片的横向尺寸或表面面积会影响到石墨烯纸片层的定向排列程度及力学、电学性能。在组织工程领域，研究最早、最深入的是二维或三维具有平面结构的石墨烯薄膜作为细胞培养基底/涂层，而作为新型组织工程支架或传统支架的表面改性涂层的研究才刚见报道；而且石墨烯的细胞毒性程度、维度可控制备及生物体内的降解性等尚待澄清。此外，石墨烯或氧化石墨烯膜独特的平面结构和电学性质，易于微纳加工，经过相关蛋白质图案化修饰后有望成为诱导细胞定向增殖和分化的基底。传统技术(如电纺丝、光刻、微加工及自组织)制备三维聚合物基生物支架很难在支架种类、结构和力学性能上有所突破，相比之下，纸基支架材料以其独特的表面拓扑形貌、微观结构和力学性能，结合低成本易加工和可模量化制备的特点，有望成为极具潜力的三维组织工程支架材料。石墨烯凝胶具有三维多孔结构，而且轻质、高比表面积和优异的电学性能，无需模板和后续刻蚀剂等优点使其在生物相容性和低毒性方面优于其他材料，目前研究发现对神经细胞具有活性。石墨烯在纳米生物医学领域的开发研究已经十余年，石墨烯材料在制备和功能化方面研究的长足发展为药物/基因输运和组织工程生物医用应用开辟了新方向。开发具有生物活性、功能性和价格低廉的支架，不仅仅在于对石墨烯及衍生物从力学和电学性能上的优化，以及对于材料-体系生物相容性的认识，更为关键的是作为新型组织工程支架，材料与细胞相互作用的可控性及相互作用机制的深刻理解。开发新型生物活性支架材料在组织工程和再生医学领域的应用研究，这项探索本身对于科学研究者而言面临的就是机遇与挑战。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

基于石墨烯构筑的三维组织工程支架材料

Three-dimensional tissue engineering scaffolds based on graphene

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[1]	李黎, 马力. 磁性壳聚糖微球固定化乳糖酶及其酶学性质[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 576-581.
[2]	刘鋆, 杨龙, 王伟宇, 周玉虎, 吴颖, 卢涛, 舒莉萍, 马敏先, 叶川. 聚3-羟基丁酸酯4-羟基丁酸酯/聚乙二醇/氧化石墨烯组织工程支架的制备和性能评价[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3466-3472.
[3]	周安琪, 唐渝菲, 吴秉峰, 向琳. 骨膜组织工程设计：共性与个性的结合[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3551-3557.
[4]	郎丽敏, 何生, 姜增誉, 胡奕奕, 张智星, 梁敏茜. 导电复合材料在心肌梗死组织工程治疗领域的应用进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3584-3590.
[5]	解健, 苏俭生. 静电纺丝取向纳米纤维作为组织工程生物支架的优势与特征[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2575-2581.
[6]	纪琦, 喻正文, 张剑. 3D打印金属基生物材料工艺和临床应用的问题与趋势[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2597-2604.
[7]	严浩, 齐志明. 纳米材料人工韧带骨连接及在抗粘连领域的研究与应用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2605-2611.
[8]	宋涯含, 吴云霞, 范道洋. 基于VOSviewer生物医学领域3D打印的知识图谱分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(15): 2385-2393.
[9]	钱楠楠, 张潜, 杨睿, 敖俊, 章涛. 间充质干细胞治疗脊髓损伤：细胞治疗及联合新药和生物材料[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(13): 2114-2120.
[10]	罗雅馨, 毕浩然, 陈晓旭, 杨琨. 细胞外基质与组织的再生与修复[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(11): 1785-1790.
[11]	贾巍, 张满栋, 陈维毅, 王晨艳, 郭媛. 股骨假体材料对人工膝关节置换性能的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(10): 1477-1481.
[12]	王倩, 李璐, 舒静媛, 董志恒, 靳友士, 王青山. 氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度生物材料的微观形貌和物相分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(10): 1517-1521.
[13]	杨亚楠, 李峻峰, 王立, 刘恒全, 赖雪飞. 柠檬酸钙：一种有趣的有机钙生物医用材料[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(10): 1609-1615.
[14]	樊雪敏, 方善宝, 陈志兴, 莫水学. 纳米粘土锂皂石的研究现状与应用前景[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(10): 1622-1627.
[15]	王刚, 李东辉, 白志明. 长段输尿管损伤替代治疗的方法、材料及修复重建的演变历程[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(8): 1299-1305.