石墨烯生物材料帮助推进软组织工程

在最近发表在MDPI期刊材料上的一篇综述文章中，讨论了常见的石墨烯基纳米材料（GBNs）的结构和特性，以及GBNs在软组织（包括皮肤，血管，肌肉和神经组织）工程中生产的进展。

用于受损软组织再生的组织工程

软组织包括广泛的身体成分，包括皮肤、血管、肌肉和神经，所有这些都是为了包裹、支撑或连接身体系统和器官。

由于存在疾病，损伤和衰老等变量，软组织损伤后可能会出现非自愈行为。目前，器官移植是解决这种损害的主要方法，尽管器官捐献者的稀缺性和排斥的风险令人非常担忧。

图 1. 基于不同类型组织工程的相关性百分比. © Chen， C.， Xi， Y.， and Weng， Y. （2022）.

组织工程已成为一种重要的新临床方法，用于解决当前愈合和重建受损区域的医疗挑战。组织设计被描述为创建模仿目标组织形式和功能的生物功能组织替代品。它可以使用细胞，生物材料和合适的生化剂的混合物来修复，保存或增强组织或整个器官的功能。

用于组织工程的石墨烯基纳米材料

石墨烯的卓越品质使其广泛应用于电力，环境，医疗保健，传感等领域。

由于其出色的物理强度，电导率以及多样化的2D和3D形态，基于石墨烯的纳米材料（GBN）正在成为组织设计系统的可行选择，例如伤口的恢复，修复药物，细胞的生长和分化以及干细胞工程。

它们可以用作组织发育支架（如水凝胶，纤维，片材和泡沫）的构建中的增强组分。同时，石墨烯卓越的物理特性可能会产生活跃的生物区域，当它以复合材料的形式出现时，它们在组织发育领域显示出巨大的希望。

迄今为止，GBN已在骨骼，软骨，神经，心脏，肌肉和皮肤/脂肪组织设计中得到了广泛的研究。尽管有新的数据表明，石墨烯基材料提供了巨大的生物实施可能性，但也必须考虑它们对人类和生态系统的可能损害。

图 2. 在软组织工程中的应用. © Chen， C.， Xi， Y.， and Weng， Y. （2022）.

鼓励使用GBN进行组织工程的方面

本文详细研究和描述了GBNs的结构和特征，以及它们在软组织发育中的细胞相容性和物理化学特性。

由于其高物理强度，刚性，电导性以及各种二维和三维结构，GBN可以诱导干细胞生长并区分成特定的谱系，如皮肤，血管，神经，肌肉和心脏，使其成为组织工程的可行选择。

GBNs具有很强的光热特性和抗菌功能，可施用到受伤部位，避免感染，延长恢复时间。

由于GBN具有与丰富功能群相互作用的大表面积，因此它们可以增加细胞相容性，降低细胞毒性，并具有特异性靶向等独特特征。此外，基于其内在的pH敏感性以及健康和恶性细胞之间的pH差异，可以完成pH敏感的药物递送治疗。

需要克服的挑战

尽管取得了显著的成功，但GBNs在生物体中的研究仍然面临相当大的问题和局限性。首先，石墨烯在混合物中的团聚和石墨烯纳米膜在框架中的不相等分散对材料的操作使用有影响，需要设计一种避免石墨烯团聚的新方法。

其次，大多数研究结果为GBNs的抗菌功能提供了有争议的观点，并且对其抗菌特性的关键过程和贡献要素的透彻了解是一个值得进一步调查的问题。此外，尽管化学修饰可能会大大降低GBNs的细胞毒性，但可能的长期毒性影响仍然对人类健康和环境构成重大关切。

为了检查GBN材料的安全性和细胞相容性，需要使用动物标本进行进一步的体内毒理学研究。此外，仍然需要大量的实验研究来解决可扩展制造和医疗用途的问题。

总之，尽管存在许多未解决的问题和障碍，但GBN的使用可能会为潜在的组织工程应用提供改变游戏规则的可能性。

参考

Chen, C., Xi, Y., and Weng, Y. (2022). Progress in the Development of Graphene-Based Biomaterials for Tissue Engineering and Regeneration. Materials, 15(6). Available at: https://www.mdpi.com/1996-1944/15/6/2164