常新代 孫蘇靜 彭東新 王小慧 張振琳

1燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室，材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島 066004；2軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院衛(wèi)生勤務(wù)與血液研究所，北京 100850

1 引言

隨著世界人口老齡化增加，對骨修復(fù)和再生的需求呈急劇上升趨勢。創(chuàng)傷、先天性骨畸形和其他疾病引起的骨缺損每年多達(dá)20萬人[1-3]。骨組織具有自然的愈合能力，但較嚴(yán)重的骨缺損需要人工干預(yù)才能愈合。常見的骨修復(fù)方法包括用同種異體或自體骨移植物替換有缺陷的骨來進行治療，但這些骨缺損治療會受到自體骨供應(yīng)不足、同種異體骨移植物的免疫排斥和高昂的醫(yī)療費用的限制，因此需要尋找更有效的骨移植替代方案[4]。為了滿足這一醫(yī)療需求，骨組織工程已成為一種很有前途的選擇，而且細(xì)胞、生長因子和骨工程支架通常認(rèn)為是骨組織工程中的三個關(guān)鍵因素[5-6]。

間充質(zhì)干細(xì)胞是非造血基質(zhì)多能干細(xì)胞，具有自我更新和分化潛力，可通過分化成不同的組織細(xì)胞修復(fù)組織損傷。作為多能干細(xì)胞，間充質(zhì)干細(xì)胞不僅能夠分化成人體多種細(xì)胞[7-9]，還能夠分泌生長因子，這些生物活性因子能夠在局部形成復(fù)雜的生物活性因子網(wǎng)絡(luò)，促進體內(nèi)微環(huán)境的穩(wěn)定[10]，為干細(xì)胞發(fā)揮緩解炎癥[11]、免疫調(diào)節(jié)[12]、組織再生[13]等功能提供了適宜的環(huán)境。在眾多的生長因子之中，骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（bone morphogenetic protein 2，BMP-2）、和成纖維細(xì)胞生長因子-2（fibroblast growth factor-2，F(xiàn)GF-2）在骨生成過程中扮演了不可或缺的角色[14-15]。具體來說，BMP-2能夠誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向成軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的定向分化與增殖，進一步促進成骨細(xì)胞的分化與成熟，從而在骨生長、發(fā)育和再生過程中起到關(guān)鍵作用，加速骨損傷的修復(fù)。而FGF-2作為一種細(xì)胞遺傳促進因子，在傷口愈合與組織損傷修復(fù)中都有顯著的作用。目前常見的生物材料如生物活性陶瓷因具有生物相容性、良好的機械性能、低毒性和易于加工等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于骨組織工程中[16-18]。然而，單純的生物材料存在降解時間過長以致無法達(dá)到材料降解速度與骨再生速度相匹配的理想效果。這些性能上的不足極大地限制了生物材料在骨組織工程中的應(yīng)用。為了克服這些不足，最常見的方法是將生物材料與具有互補特性并提供協(xié)同效應(yīng)的材料相結(jié)合，制備為多功能復(fù)合材料。

近年來，納米尺度新材料在這一方面表現(xiàn)出了一些獨特的優(yōu)勢[19-20]。石墨烯及其衍生物（graphene derivatives，GDs）具有良好的導(dǎo)電性能、大的表面積、高機械強度和優(yōu)異的生物相容性、獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，不僅可以為細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支撐，還可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化和遷移。石墨烯及其衍生物主要包括石墨烯（graphene）、氧化石墨烯（graphene oxide，GO）和還原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO），它們會在功能上模擬天然骨骼的特性，在骨組織工程中具備較大潛力。此外，GDs也可以與多種生物醫(yī)學(xué)材料復(fù)合，如聚合物或生物活性陶瓷，從而制備出具有良好生物相容性的復(fù)合材料[21-23]。因此GDs近年來被研究者們廣泛用來調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，有望成為骨組織工程中最有前途的支架材料之一。

在本篇綜述中，首先介紹了GDs作為骨工程支架和藥物載體的體內(nèi)應(yīng)用，還總結(jié)了基于不同動物模型的體內(nèi)外研究，以便充分驗證GDs的誘骨效應(yīng)。隨后著重總結(jié)了成骨分化相關(guān)信號通路如Wnt/β-catenin信號通路，MAPK信號通路以及BMP信號通路，并梳理了這些信號通路各自發(fā)揮的作用及各條通路之間的相互關(guān)系，對闡明成骨分化調(diào)控機制具有重要意義。最后列舉了GDs在應(yīng)用于臨床之前存在一些挑戰(zhàn)與建議，以期為其向臨床轉(zhuǎn)化提供科學(xué)數(shù)據(jù)和參考。相信在不久的將來，以GDs為代表的新型二維納米材料可以在骨修復(fù)的治療中大放異彩。

2 石墨烯及其衍生物

石墨烯是由物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在2004年利用微機械剝離法從石墨中分離出來的，它是由碳原子以sp2雜化方式形成六邊形蜂巢狀結(jié)構(gòu)的典型二維納米材料。石墨烯的每個碳原子都與三個其他碳原子以共價鍵相連，而第四個電子則形成π電子，自由地分布在蜂巢結(jié)構(gòu)之上[24-25]，由于其獨特的結(jié)構(gòu)，石墨烯顯示出獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)。例如，優(yōu)異的機械性能可以提供一個堅固而穩(wěn)定的基底，支撐細(xì)胞的增長、擴散和分化；同時還能為細(xì)胞提供一個近似于天然骨骼的微環(huán)境，這有助于間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖、分化和成熟[26]。良好的導(dǎo)電性可以改善相關(guān)生物分子和蛋白質(zhì)之間的電化學(xué)以及電子傳導(dǎo)聯(lián)系，進而加速間充質(zhì)干細(xì)胞增殖和骨形成[27]。此外，大的比表面積還使其成為一個有效的載荷和控制釋放藥物和生長因子的平臺。這種釋放可以與電刺激相結(jié)合，進一步增強成骨分化[28]。

如前所述，石墨烯的衍生物包括GO、rGO和由其他官能團修飾的功能化石墨烯等[29-30]。其中， GO是通過對石墨烯進行化學(xué)氧化得到的衍生物。在這一過程中，石墨烯的表面引入了多種氧化物官能團，如羥基（-OH）、醚鍵（-O-）和羧基（-COOH）。上述官能團雖然破壞了石墨烯的原本的π結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其導(dǎo)電性下降。但這些官能團也帶來了一些優(yōu)勢。例如，這些官能團促使GO在水中分散均勻，形成穩(wěn)定的膠體溶液。此外還能通過氫鍵、共價鍵以及靜電作用與蛋白質(zhì)結(jié)合，并能通過結(jié)構(gòu)化功能修飾參與復(fù)合生物材料的構(gòu)建[31-32]。rGO是GO經(jīng)過一系列化學(xué)還原得到的，在此過程中大部分的含氧官能團被去除，部分π結(jié)構(gòu)得以恢復(fù)，致使rGO的導(dǎo)電性遠(yuǎn)高于氧化石墨烯，但低于石墨烯。值得注意的是，rGO的表面仍保留一些含氧官能團，這些官能團賦予rGO與蛋白質(zhì)、細(xì)胞和其他生物分子結(jié)合的能力，進而促進細(xì)胞黏附、擴散和分化，使得GDs成為骨組織工程和骨再生醫(yī)學(xué)中的理想候選材料[33-34]。

綜上所述，無論是石墨烯、GO還是rGO首先要具有可功能化修飾的含氧基團便于形成復(fù)合型骨工程支架材料。其次要具有出色的機械性能，這可以為干細(xì)胞成骨分化提供一個堅固和穩(wěn)定的基底，促進了間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖、分化。此外還應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性，可增強細(xì)胞與其周圍環(huán)境之間的電信號交流從而影響間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖、遷移和分化?？傊?，上述結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)使得GDs在成骨分化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，為組織工程和再生醫(yī)學(xué)提供了新的可能性。

3 石墨烯及其衍生物在骨組織工程中的應(yīng)用與研究

3.1 新型復(fù)合支架的增強組分

傳統(tǒng)骨組織工程材料如聚合物和生物活性陶瓷由于機械性能欠佳，生產(chǎn)成本高，生物活性低等缺點導(dǎo)致應(yīng)用不理想。因此研發(fā)出良好的生物相容性、和機械強度高和能促進干細(xì)胞成骨分化的新型復(fù)合支架具有重要意義。GDs可以作為很多生物材料的增強組分，例如將rGO與生物陶瓷（例如羥基磷灰石，HA）結(jié)合后可有效提高骨組織工程支架的性能[35]。研究報道，rGO摻入到多孔的HA以及形狀記憶聚氨酯（shape memory polyurethane，SMPU）/HA/精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸（RGD肽）復(fù)合材料中，通過合成新型納米復(fù)合材料以提高其間充質(zhì)干細(xì)胞的粘附性，促進新組織形成和與周圍骨組織的整合[36-37]。此外，KANG等人[38]還比較了氧化石墨烯薄片/膠原蛋白支架與作為對照組的膠原蛋白支架的成骨潛力。由于GO有較多含氧官能團為其提供了更多的活性位點，與膠原蛋白之間的粘附作用得到增強，進一步促進了間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖、遷移和成骨分化，而將GO加入到聚（L-乳酸-乙醇酸共聚物）（poly（L-lactic-co-glycolic acid），PLGA） /HA納米纖維支架中也觀察到了類似的效果[39]。以上結(jié)論表明石墨烯及其衍生物作為新型骨組織工程復(fù)合支架的潛在價值，而且還為其在骨修復(fù)和骨組織工程中的應(yīng)用提供了有力的實驗依據(jù)。

3.2 藥物載體

石墨烯基納米材料在被用作新型復(fù)合骨工程支架的同時還兼具藥物載體的功能。大的比表面積使其具有較強的藥物攜帶能力，同時還可以通過精巧設(shè)計讓它對所裝載的藥物實現(xiàn)一定的控制釋放。具體來講，石墨烯衍生物的表面的分子結(jié)構(gòu)以及一些修飾基團，使其可以通過π-π堆積、氫鍵、靜電相互作用、疏水相互作用等方式搭載藥物或生物分子（如核酸、肽鏈等）[40-41]。例如，KACHOUSANGI等[42]研究者利用一種基于氧化石墨烯的pH敏感納米復(fù)合材料作為藥物載體，評估其在不同的pH值下對藥物阿霉素（DOX）負(fù)載量和釋放量。結(jié)果表明該復(fù)合材料在pH=5.5時的釋放量是pH=7.5時釋放量的兩倍，而且該復(fù)合材料的載藥率高達(dá)79%，有效改善了DOX釋放量及負(fù)載量。此外，WANG等人[43]還將功能化的GO和絲素蛋白（silk fibroin，SF）底物通過冷凍干燥法制備了 GO/SF復(fù)合支架材料用于負(fù)載大劑量的丹酚酸（salvianolic acid B，SB），在持續(xù)釋放SB的同時還保持了SB的生物活性，顯著促進了大鼠骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，這證實GDs在作為骨工程支架的同時又是藥物遞送的良好候選者。此外，體內(nèi)結(jié)果還顯示GO具有促進血管再生的功能，而血管化骨組織再生一直以來都是骨組織工程研究領(lǐng)域的難點，提示GO用于實現(xiàn)血管化骨組織再生具有很大的潛力[43]。

3.3 基于不同動物模型的研究

如前所述，石墨烯及其衍生物在細(xì)胞水平表現(xiàn)出其作為骨組織工程材料的應(yīng)用潛力，但距離實際應(yīng)用于臨床修復(fù)骨缺損仍需大量體內(nèi)實驗驗證。為了充分說明石墨烯及其衍生物的誘骨效應(yīng)，如下介紹了基于不同動物模型的關(guān)于石墨烯及其衍生物在骨組織工程方面的應(yīng)用研究。

大鼠和小鼠是骨修復(fù)研究中成熟的動物模型，經(jīng)常被用來證實石墨烯及其衍生物的誘骨效應(yīng)。最近，Zhou等人將GO和 聚（3-羥基丁酸-co-4-羥基丁酸酯）（Poly（3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate），P34HB）通過靜電紡絲技術(shù)制備了P34HB/GO納米纖維支架，并采用復(fù)合支架修復(fù)大鼠顱骨骨缺損模型，觀察發(fā)現(xiàn)骨缺損處有較多膠原基質(zhì)的沉積，表明P34HB/GO支架在體內(nèi)快速骨再生方面的潛力，揭示了石墨烯納米纖維支架有望用于骨缺損再生修復(fù)[44]。此外，DANESHMAND等人[45]還利用3D打印技術(shù)制備了磷酸鈣石墨烯支架作為可吸收的骨誘導(dǎo)基質(zhì)。體外結(jié)果表明它們具有細(xì)胞相容性，可誘導(dǎo)人間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化，并且成骨基因堿性磷酸酶（ALP）和Ⅰ型膠原骨橋基因（COL1A1）的表達(dá)水平升高。該研究是通過建立小鼠非愈合顱骨缺損模型來驗證支架材料的誘骨效應(yīng)，組織學(xué)顯示支架周圍有抗酒石酸酸性磷酸酶 （TRAP）染色表明可能存在破骨細(xì)胞，進一步驗證了上述支架可作為骨誘導(dǎo)基質(zhì)支持體內(nèi)骨形成。SU，YAN等人[46-47]將石墨烯和聚醚醚酮（PEEK）通過熔融共混法分別制備了石墨烯/PEEK和碳纖維增強聚醚醚酮（CFR-PEEK）復(fù)合材料，體外實驗表明，經(jīng)石墨烯修飾的PEEK顯著改善了細(xì)胞的粘附性和增殖性，具有良好的生物相容性；將該復(fù)合材料植入到兔關(guān)節(jié)外移植骨受損部位，術(shù)后4周和12周進行CT分析和組織學(xué)評估，結(jié)果表明，經(jīng)石墨烯改性的植入物的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)明顯優(yōu)于對照組，平均礦物附著率更高，植入物周圍形成了更多的新骨。上述動物模型中獲得的實驗數(shù)據(jù)進一步說明GDs在骨組織工程領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。

4 石墨烯及其衍生物誘導(dǎo)成骨的信號通路總結(jié)

在骨組織工程中，成骨分化相關(guān)的信號通路具有較復(fù)雜的調(diào)控機制，而且彼此相互聯(lián)系，相互影響，從而組成了一個更復(fù)雜而精細(xì)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，共同參與干細(xì)胞分化及骨形成的調(diào)節(jié)[48]。下面將詳細(xì)介紹石墨烯及其衍生物（含復(fù)合材料）促進成骨分化相關(guān)的三類信號通路，即Wnt/β-catenin信號通路，MAPK信號通路以及BMP信號通路如圖1。

圖1 成骨分化信號通路示意圖

4.1 Wnt/β-catenin信號通路

經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號通路主要參與調(diào)控多種生物學(xué)過程并調(diào)節(jié)骨發(fā)育和骨重塑的過程。Wnt/β-catenin信號通路主要通過抑制復(fù)合體（包括Axin，APC，GSK3β等蛋白）并穩(wěn)定β-catenin蛋白使其進入細(xì)胞核并調(diào)控成骨相關(guān)基因如ALP、COL1A1、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（Runx2）和骨鈣素（Osteocalcin，OCN）的表達(dá)，從而參與間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的過程[49-52]。

YANG，XU等人[53-54]分別評估了低濃度的氧化石墨烯量子點（graphene oxide quantum dots，GOQDs）對骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stromal cells ，BMSCs）和人類脫落乳牙牙髓干細(xì)胞（stem cells from human exfoliated decid-uous teeth，SHED）的增殖和分化的影響，發(fā)現(xiàn)低濃度GOQDs可誘導(dǎo)鈣結(jié)節(jié)形成、ALP活性增加以及 OCN、Runx2、COL1A1和β-catenin 的基因和蛋白水平上調(diào)，表明低濃度的GOQDs通過激活Wnt/β-catenin信號通路顯著促進了BMSCs和SHEDs的增殖和分化。此外，研究者們還合成了其他類型的石墨烯衍生物如香草酸甲酯（MV）/rGO復(fù)合物、原始氧化石墨烯納米片和磁性氧化石墨烯（MGO）等，并通過堿性磷酸酶測定（ALP）、茜素紅S染色（ARS）、免疫熒光染色和相關(guān)成骨標(biāo)志物的基因表達(dá)證明上述石墨烯衍生物或者復(fù)合材料也通過Wnt/β-catenin信號通路誘導(dǎo)干細(xì)胞成骨分化[55-57]。

4.2 MAPK信號通路

MAPK（絲裂原活化蛋白激酶）信號通路是一系列功能性的蛋白酶，這其中包括ERK1/2（外源性絲裂原活化蛋白激酶）、JNK（c-Jun N-端激酶）以及p38 MAPK。ERK1/2作為MAPK家族的先驅(qū)成員，主要參與細(xì)胞的生長、增殖和分化過程。相較之下，JNKs和p38 MAPK則更多地參與細(xì)胞應(yīng)激、炎癥以及程序性細(xì)胞死亡的響應(yīng)。在成骨分化的過程中，MAPK信號通路發(fā)揮著核心的調(diào)控功能[58]。

研究指出，石墨烯納米片（GNS）與碳納米管（CNTs）能夠激活ERK/MAPK通路，從而增強細(xì)胞外基質(zhì)的礦化，提高ALP的表達(dá)，并加強成骨基因Runx2的表達(dá)，進而促進間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化[59-60]。另外，光交聯(lián)的絲膠甲基丙烯酰（SerMA）與GO構(gòu)成的水凝膠（SMH/GO）同樣可以通過激活ERK/MAPK信號通路以及與之相關(guān)的趨化因子信號傳導(dǎo)來調(diào)控大鼠骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞的遷移和成骨分化，從而實現(xiàn)骨組織再生[61]。

石墨烯納米材料還可能通過激活JNKs信號通路誘導(dǎo)成骨。具體來講， Forkhead boxO1 （FoxO1）一種轉(zhuǎn)錄因子，在調(diào)節(jié)成骨分化和骨形成中起著至關(guān)重要的作用，F(xiàn)oxO1可以直接與JNK相互作用，通過控制FoxO1的核定位來誘導(dǎo)成骨。據(jù)研究報導(dǎo)，低劑量的GO納米片對FoxO1的活化是通過對FoxO1去磷酸化和核易位的方式來實現(xiàn)的，而FoxO1的激活過程依賴于JNK的活性。這證實了低劑量的氧化石墨烯納米片在促進成骨分化的過程是通過JNK及其下游的FoxO1信號通路來實現(xiàn)的，如圖2所示[62]。

圖2 成骨分化信號通路示意圖

石墨烯衍生物對p38 MAPK信號通路的激活能夠促進Runx2的磷酸化進而提高成骨相關(guān)基因的表達(dá)。通過對石墨烯與單壁碳納米管（G/SWCNT）復(fù)合材料與大鼠來源的間充質(zhì)干細(xì)胞（rMSCs）的相互作用進行研究，YAN等人[63]觀察到， G/SWCNT處理后的rMSCs顯示出更強的細(xì)胞活力，成骨相關(guān)基因Runx2和ALP的表達(dá)也相應(yīng)上調(diào)。作者們進一步證實，G/SWCNT能夠通過激活p38 MAPK信號通路來調(diào)控rMSCs的成骨分化。另外，將鍶（Sr）-GO納米復(fù)合材料摻入到生物相容性良好的膠原蛋白（COLI）支架形成Sr-GO-COLI增強型骨工程支架，結(jié)果表示，該支架能夠同時激活MAPK/ERK和MAPK/p38信號通路并促進下游轉(zhuǎn)錄因子Runx2的磷酸化從而誘導(dǎo)人脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞（hADSCs）成骨分化，表明GO復(fù)合材料有望成為增強骨工程支架組分的首要選擇[64]。

4.3 BMP信號通路

BMP（骨形態(tài)發(fā)生蛋白）信號通路在成骨分化中同樣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。BMPs作為轉(zhuǎn)化生長因子-β（TGF-β） 超家族的一員存在于細(xì)胞外，屬于分泌型蛋白，可以在血清中檢測到。細(xì)胞外的BMPs與細(xì)胞膜上的BMP受體（BMPR-I和BMPR-II）結(jié)合后導(dǎo)致受體激酶的激活，活化的受體會磷酸化細(xì)胞內(nèi)的下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子Smad1/5/8，其與Smad4形成復(fù)合物后進入到細(xì)胞核內(nèi)，結(jié)合到DNA序列上，從而調(diào)節(jié)BMP靶基因的轉(zhuǎn)錄[65]。

首先，石墨烯及其衍生物由于其表面的特殊性質(zhì)可以為BMPs的粘附提供平臺，具體來說，其富集效應(yīng)使細(xì)胞周圍形成一個富含BMPs的微環(huán)境，增強了BMPs與其細(xì)胞表面受體的相互作用，從而激活BMP信號通路[66]。其次，這種粘附作用不僅促進了BMP與受體的結(jié)合，還有助于Smad1/5/8蛋白的活化?；罨笤摰鞍讜cSmad4結(jié)合形成復(fù)合體，進而轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，調(diào)控與成骨分化相關(guān)的基因表達(dá)。例如，LI等[67]制備了基于GO的納米片用于增強hMSC的成骨能力，通過觀察，使用BMP信號通路抑制劑LDN-193189后會抑制納米片的骨誘導(dǎo)作用，表明GO功能化納米復(fù)合材料是通過增強BMP-Smad1/5/信號通路促進hMSC成骨。此外，GDs還能夠激發(fā)細(xì)胞自身更多地產(chǎn)生和釋放BMPs，從而進一步強化BMP信號通路。例如，GO-羧甲基殼聚糖（CMC）水凝膠-BMP-2[68]、GO/SF/BMP-2電紡支架[69]以及三維石墨烯泡沫（GF）/BMP-2（GF/BMP-2）[70]等復(fù)合支架不僅證實可以極大提升BMP-2的釋放量，還能促進細(xì)胞粘附和增殖，為優(yōu)化骨工程支架提供了可行策略。

實際上，在骨組織的形成與再生過程中，三大信號通路起到了關(guān)鍵作用：BMP、Wnt/β-catenin和MAPK。這些通路之間不僅各自獨立發(fā)揮作用，還相互交織與協(xié)作。例如作者制備了聚多巴胺（PDA）/GO復(fù)合材料用來評估多能干細(xì)胞的成骨性能。與對照組相比，在PDA/GO底物上培養(yǎng)的胚胎干細(xì)胞（ESCs）表達(dá)的骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體I型和II型明顯更高。而且觀察到（ERK）1/2、p38和JNK的MAPKs的磷酸化[71]。此外，與對照組相比，PDA/GO上的細(xì)胞通過SMAD1/5/8磷酸化進行的BMP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有所增加。細(xì)胞中SMAD1/5/8的核轉(zhuǎn)位也隨PDA/GO基質(zhì)的變化而變化。阻斷MAPK或SMAD信號通路的激活可抑制PDA/GO誘導(dǎo)的成骨分化。這些結(jié)果表明，PDA/GO復(fù)合物可通過MAPK和BMP/Smad信號通路刺激ESCs的成骨分化[71]。為了更直觀地展示GDs如何通過上述信號促進間充質(zhì)干細(xì)胞成骨，將它們的主要特點和功能總結(jié)在表1中。

表1 石墨烯及其衍生物介導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化相關(guān)的信號通路

5 總結(jié)與展望

本文綜述了近年來GDs在骨再生和修復(fù)方面的進展，包括它作為新型復(fù)合骨工程支架的增強組分和藥物載體的應(yīng)用、基于不同動物模型的應(yīng)用研究以及成骨分化相關(guān)信號通路等。具體來講，GDs具有良好的機械性能和導(dǎo)電性能，可通過功能化修飾制備出新型復(fù)合支架，這為骨修復(fù)領(lǐng)域發(fā)展新型材料提供了新的方向。

然而，GDs新材料在應(yīng)用于臨床之前，仍存在一些挑戰(zhàn)，包括以下幾個方面。首先，雖然研究者篩選了不同層數(shù)（單層/多層）、劑量和不同功能化改性的GDs對誘導(dǎo)干細(xì)胞成骨效應(yīng)的優(yōu)劣，但考慮到骨工程支架材料的多孔結(jié)構(gòu)會影響間充質(zhì)干細(xì)胞的粘附生長情況，因此筆者認(rèn)為也需要關(guān)注比表面積，孔隙率等其他性能參數(shù)。而且，因該類材料在誘導(dǎo)成骨分化的同時還可能對生物體兼具一定的免疫調(diào)節(jié)功能，因此其片徑大小，微觀形貌等理化性質(zhì)對于骨工程支架的篩選應(yīng)用考量也十分必要。其次，GDs的導(dǎo)電性質(zhì)對于誘導(dǎo)干細(xì)胞成骨分化也相當(dāng)重要，一類是利用GDs本身優(yōu)異的導(dǎo)電性摻雜到基質(zhì)中并在外部電極刺激下促進骨組織再生，其中它也可被用作電極。另一類是將GDs與其他材料復(fù)合制備出導(dǎo)電性質(zhì)優(yōu)良的新2D/3D復(fù)合材料來促進干細(xì)胞成骨分化。在未來的研究中，開發(fā)更多基于GDs的功能復(fù)合材料，將磁刺激、光刺激等各種外部刺激轉(zhuǎn)化為電信號，從而進一步誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨效應(yīng)可能是重要的發(fā)展方向。

綜上所述，GDs具有促進間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的特性，但要廣泛應(yīng)用于骨組織工程，仍需要大量的臨床試驗數(shù)據(jù)，以確保安全性和有效性。期待在不久的將來，以GDs為代表的新型二維納米材料可以在骨骼疾病的治療中大放異彩。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突