骨組織再生におけるグラフェンファミリー材料：展望と課題

はじめに

重度の顎顔面感染症、外傷、腫瘍、および顎骨欠損を患う先天性奇形の犠牲者は、通常、長期の回復期を必要とします。他の多くの組織とは異なり、骨は損傷したときに再生する優れた能力を持っています[1、2]。しかし、人間の骨格の自己再生能力が限られているため、十分な大きさまたは臨界サイズの骨欠損の再建は、臨床治療にとって重要な課題となっています[3]。場合によっては、重度の患者は大規模な骨増強手術さえ必要とします。骨再生のための現在の治療法は、自家移植、同種移植、および異種移植で構成されています[4]。自家骨は、免疫原性を伴わずに、骨伝導、骨誘導、および骨形成の能力を備えた「ゴールドスタンダード」の骨移植材料と見なされています。しかし、自家移植がまだクリニックでの使用に制限されている理由は、ドナー感染のリスクと長い回復時間です[5]。別の個人から得られた同種移植片は、次善の選択肢と見なされることがよくあります。しかし、同種移植片の使用は、感染や免疫拒絶のリスクが劇的に増加するなど、潜在的なリスクをもたらします[4、6]。酸消化された脱灰骨基質やウシコラーゲンなどの異種移植材料は、簡単に入手して製造できます。現在、異種移植は臨床診療における主要なアプローチです。しかし、それは骨誘導能が低い[7]。現在、骨と比較して、優れた、あるいは同じ生物学的または機械的特性を有する、利用可能な異種または合成の代用骨はありません[5]。これらの治療法は有用であることが証明されていますが、固有の課題に苦しんでいます。したがって、適切な骨再生療法を研究し、開発する必要があります。確かに、骨組織工学と再生医療の研究は、骨欠損患者の転帰を改善し、回復を早めるための道を開いています[8]。組織工学による骨構築物は、骨治癒を増強するための適切な自家移植片および同種移植片材料の不足から生じる需要を軽減する可能性があります[9]。骨欠損領域の骨量を増やすために、足場[1、6]、コーティング[10]、骨再生誘導法（GBR）のバリア膜[11、12]など、さまざまな骨再生方法が開発されています。

現在、グラフェンファミリー材料の可能性は、神経原性[13,14,15]、軟骨形成性[16、17]、筋原性[18]に向けてさまざまな種類の幹細胞を分化させるための2D平面コーティングまたは3D多孔質足場として大きな注目を集めています。 、脂肪生成[19]、および骨形成系統[20、21]。したがって、グラフェンファミリーの材料は、次の骨再生材料の選択肢の候補になる可能性が高くなります。グラフェン、sp ² の単層または数層として定義 -混成炭素原子は、2004年にNovoselovとGeimによってグラファイトから最初に分離されました[22]。研究への関心が高まるにつれ、酸化グラフェン（GO）、カルボキシルグラフェン（CXYG）、還元型酸化グラフェン（rGO）、グラフェン量子ドット（GQD）などのグラフェンファミリーの材料が広く研究されています。グラフェンは、非常に機械的、導電性、熱的、および光学的特性を備えており[23、24、25]、エレクトロニクス、バイオテクノロジー、および高分子科学に広く適用されています[26]。有望な導電性を備えた導電性材料は、細胞活動を強化し、骨組織の修復を刺激し[27、28]、同様に優れた抗菌活性を示すことが認められています[29]。酸化グラフェン（GO）とカルボキシルグラフェン（CXYG）は、どちらもグラフェンの誘導体です。酸素化された官能基（エポキシド、カルボキシル、およびヒドロキシル基）が存在するため、GOおよびCXYGは親水性溶媒への分散が良好であり、これは生物医学的用途に不可欠です[30、31]。還元型酸化グラフェン（rGO）は、特定の条件下で特定の還元剤を使用してGOを還元することにより合成できます。いくつかの特別なπ-π化学相互作用の減少のおかげで、rGOはグラフェンやGOよりも優れた物理的および化学的特性を持っています[32、33]。グラフェン量子ドット（GQD）の原料はGOです。 GQDは強力な量子閉じ込めとフォトルミネッセンス特性を持っています[34]。 GQDの強い蛍光により、GQDは細胞イメージングに役立ちます。グラフェンファミリー材料の優れた特性により、薬物/遺伝子送達、生物学的センシング/イメージングアプリケーション、および組織工学に大きな可能性を秘めています[35、36、37、38、39]。ただし、グラフェンファミリー材料の細胞骨形成分化を誘導する長期的な生物学的安全性と能力に関してはまだ課題が存在します。ここでは、グラフェンとその誘導体の最近の進歩と成果を包括的にレビューします。同時に、invitroおよびinvivoのバイオセーフティを批判的に分析し、骨組織再生のためのグラフェンファミリー材料のさまざまな生物医学的応用の実現可能性について議論します。

グラフェンファミリー材料のバイオセーフティを決定する際の課題

invitroのバイオセーフティを決定する際の課題

グラフェンファミリーの材料を臨床試験で検討する前に、その細胞毒性と生体適合性によって厳密に評価する必要があります[38]。 「グラフェンは生体適合性のある材料ですか？」答えはまだ物議を醸しています。機能化されていない生のグラフェンは疎水性であり、水性媒体中で容易に凝集します[34、40]。疎水性の表面では、非特異的なタンパク質の密な層が表面から水を押しのけ、すぐに材料に蓄積し、ナノ粒子の免疫学的認識をもたらします[41]。したがって、酸化、還元、および官能基の導入を含む化学的機能化は、グラフェンの親水性を高める生物医学的用途で使用されるグラフェンの前提条件です。異なる化学的性質を持ち、異なる機能を持つグラフェンファミリー材料は、異なる毒性を発揮します[13]。 Soumen etal。 rGOはGOよりも毒性が低いことがわかりました。 rGO表面の酸素官能基密度の程度が増加するにつれて酸化ストレスが増大するのを見るのは興味深いことでした。彼らは、GOシート上の官能基密度が細胞傷害性を媒介する重要な要因の1つであると結論付けました[31]。表面の機能化とは別に、グラフェンファミリー材料の細胞毒性は、濃度、サイズ、形状など、さまざまな要因の影響を受けました[42]。

第一に、いくつかの研究は、グラフェンファミリー材料が時間依存性細胞毒性の有無にかかわらず用量依存性細胞毒性を持っていることを示しました。たとえば、Chang etal。高濃度のGO（≥50μg/ mL）で細胞生存率のわずかな低下が観察され、GOは細胞内蓄積を誘発し、肺癌上皮細胞株（A549）に用量依存的な酸化ストレスを引き起こす可能性があると報告しました[43]。魏ら。未処理のGOは、10μg/ mLの高濃度で骨間葉系幹細胞（BMSC）の増殖を抑制し、0.1μg/ mLの低濃度でBMSCの増殖を促進することを実証しました[44]。同様に、200μg/ mLのGOで細胞数の減少が明確に観察され、300μg/ mLのGOでより大きな細胞毒性効果が報告されました[45]。さらに、Kim etal。前骨芽細胞（MC3T3-E1）の生存率は、62.5μg/ mL未満の濃度でrGOの影響をわずかに受けましたが、有意に影響を受けた（ p <0.05）高濃度（≥100μg/ mL）で減少しました[23]。さらに、CXYG、GQDはどちらも、低濃度で適用した場合、細胞毒性の可能性をほとんど示しませんでした[34、46]。簡単に言えば、グラフェンファミリーの材料は低濃度で細胞適合性があり、細胞の形態、生存率、増殖にほとんど悪影響を与えませんが、濃度は単一の適切な要因ではありません。

第二に、層、ナノシート、フレーク、リボン、ドットなどの多様な形状も、グラフェンファミリーの細胞毒性の複雑さに寄与することが示されています[40]。 Talukdar etal。グラフェンナノオニオン（GNO）、GOナノリボン（GONR）、およびGOナノプレートレット（GONP）の細胞毒性を評価しました。 CD ₅₀ 値は、GNO> GONR> GONPの傾向に従い、GONRがGONPと比較して細胞毒性が高いことを示しています[47]。したがって、グラフェンファミリーのナノ材料の形状も、細胞毒性を媒介する上で重要な要素です。たとえば、グラフェンと多層カーボンナノチューブ（MWNT）の形状は異なりますが（グラフェンの場合は平らな原子シート、ナノチューブの場合は管状）、化学組成と結晶構造は似ています。 GOは、50μg/ mLになるまで、SK-N-SH細胞の細胞増殖阻害活性を示しませんでした。比較すると、MWCNTは低濃度（6.7μg/ mL）で細胞の増殖を抑制し、その急性細胞毒性を示しています。 HeLa細胞の場合、GOは50μg/ mLまでの濃度でもわずかな増殖阻害活性を示しましたが、MWCNTはHeLa細胞に対して中程度の細胞毒性を示しました[48]。彼らはこの現象を彼らの異なる形と様々な物理的/化学的方法に依存していました。グラフェンファミリーの材料は、形状が平らであるため、細胞膜との相互作用が小さいと予想されていました。 MWCNTの管状形状は膜の浸透を促進し、細胞毒性をもたらしました[48,49,50]。もう1つの重要な情報は、ナノ構造のグラフェン誘導体の細胞毒性は、機能化、濃度、サイズ、および形状の依存性に加えて、細胞型にも依存するということです。神経細胞株として、SK-N-SH細胞は、ナノ構造のグラフェン誘導体の悪影響に対して、HeLa細胞よりも高い感受性を示しました[48]。

第三に、サイズはグラフェンファミリー材料のバイオセーフティにも重要な役割を果たします。ユンら細胞ベースの電気化学的インピーダンスバイオセンサーを介してグラフェンナノフレークのサイズ依存性細胞毒性効果を評価しました。彼らは、小さいグラフェンナノフレーク（30.9±5.4 nm）は細胞による取り込みが多いためアポトーシスを誘発し、大きいグラフェンナノフレーク（80.9±5.5 nm）は主に細胞膜に凝集するため毒性が少ないことを発見しました[51]。ナノ材料の細胞取り込み特性が細胞増殖、分化、およびナノ粒子排泄に影響を与える可能性があることはよく知られています[52]。 Mu etal。タンパク質でコーティングされたGOナノシートのサイズに依存する可能性のある取り込みメカニズムを詳しく説明し、大きなナノシート（860±370 nm）が最初に細胞表面に付着し、続いて膜の陥入、仮足の伸長、そして最終的には主に食作用によって細胞に侵入することを観察しました。 420±260nm）は、主にクラスリンを介したエンドサイトーシスを介して細胞に侵入しました[33]。 Das etal。ヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVEC）を10μg/ mLのGOおよびrGOに、異なるサイズのシート（800nmおよび400nm）で播種します。結果は、MTTアッセイにおいて、小さいサイズのシートは大きいサイズのシートよりも毒性が高いことを示しました。次に、大きいサイズのGOとrGO（800 nm）を超音波処理して、小さいサイズ（70 nm）に分割しました。超音波処理後に細胞毒性の増加が観察され、サイズの小さいGOおよびrGOがより多くの毒性を示したことを示しています[31]。同様に、MCF7細胞は、GOの4つのサイズのサンプル（744±178 nm、323±50 nm、201±28 nm、および100±10 nm）に曝露されました。未処理の細胞と比較して、より大きなサイズのGO分散液（744±178 nm）に72時間曝露した後でも、in vitroで細胞毒性は観察されませんでしたが、100±10nmサイズのGO分散液で処理すると細胞増殖が減少しました。未処理の細胞の約50％に[53]。上記の結果から、30〜860 nmまで、さまざまなサイズのグラフェンファミリー材料が研究されました。そして、小さいサイズのグラフェンファミリーの材料は大きいサイズの材料よりも毒性が高いという結論に達したようです。しかし、異なるチームは、グラフェンとその誘導体のサイズスケールを定義するための異なる基準を持っています。したがって、この結論はおそらく議論の余地があります。一方、ナノサイズのグラフェンファミリー材料は、生物医学的用途にとってはるかに安全であると報告されました[54]。グラフェンファミリー材料のサイズ制御合成は、その後の研究で慎重に検討する必要があります。

グラフェンの細胞毒性は、グラフェンファミリーの多様性、化学的機能化、濃度、形状、およびサイズに決定的に関連していると結論付けられています。将来的には、グラフェンファミリーをさまざまな種類の官能基で修飾することにより、濃度とサイズをより適切に制御することにより、細胞、組織、または生物との相互作用が向上した生体適合性デバイスの製造を目指しています。

生体内でのバイオセーフティと生体内分布を決定する際の課題

グラフェンファミリー材料が生体適合性材料であるかどうかをさらに検出し、広範なアプリケーションで提案されている使用を強化するには、invivo実験が不可欠な方法です。インビボでのグラフェンファミリー材料の生体適合性および生体内分布に関する多くの研究は、それらの細胞研究とほぼ一致している。 Chowdhury etal。ゼブラフィッシュの胚をより大きなサイズのGO分散液に適用したところ、対照群と比較して胚の死亡率の増加は見られませんでしたが、より小さなサイズのGO分散液では胚の生存率の低下が観察されました[53]。 GOは胚のアポトーシスの有意な増加をもたらさなかったが、MWCNTは、25 mg / Lの比較的低濃度でも、発生中の胚に深刻な形態学的欠陥をもたらした[48]。これらの研究はさらに、生体内毒性がグラフェンとその誘導体のサイズ、濃度、および形状に大きく依存することを示しました。さらに、グラフェンファミリーの材料は通常、静脈内注射、吸入、または皮下移植によって動物モデルに曝露されます。したがって、毒性、一般的な組織学、および生体内分布の変化はさまざまです。 Li etal。静脈注射によるマウスのナノスケールGOの毒性を評価し、GOが主に肝臓、肺、脾臓に保持され、損傷、慢性肝炎、肺線維症を誘発することを発見しました。 GO（GO-PEG）のポリエチレングリコール（PEG）コーティングは、肝臓、肺、および脾臓でのGOの保持を減らし、急性組織損傷を軽減する可能性があります[55]。 Duch etal。 GOは、マウスの肺に直接投与した場合、凝集グラフェンやプルロニック分散グラフェンよりも毒性が高く、重度で持続的な肺損傷を引き起こすことがわかったため、肺におけるグラフェンナノ材料の毒性効果を低減する戦略を検討しました。毒性は、液相剥離による元のグラフェンの製造によって大幅に緩和され、ブロック共重合体Pluronicで分散するとさらに最小限に抑えられました[56]。 Zha etal。皮下移植のラットモデルにおいて、3Dグラフェンフォーム（GF）または酸化グラフェンフォーム（GOF）の短期（移植後最初の2週間）および長期（7か月）のinvivo毒性および性能を特定しました。血液分析では、GFとGOFは移植後に血液、肝臓、または腎臓に明らかな毒性を誘発せず、少なくとも7か月の移植後に有意な劣化は観察されなかったことが示されました。移植部位には肉芽腫のみが長期間存在していた。 HE染色画像は​​、より優れたin vivo生体適合性を示しました（図1）[40]。 Zha etal。の理由。前述のように、おそらく投与経路が異なるため、他の研究よりも肯定的な結果が得られました。皮下実験は、移植された材料の生体内生体適合性を評価するための非常に直接的で効果的な方法であり[57]、これは、生体内でのグラフェンファミリーナノ材料の分解経路でさえ、接触パターン、堆積位置に影響を与える可能性があります[58]。複合材料の劣化を制御することは、組織工学において非常に重要です。

グラフェンフォーム、GOフォーム、または移植後14日目に何も移植されていない主要臓器（ラットから収集された移植領域、肝臓、および腎臓）の代表的なHE染色画像。明らかな臓器の損傷や病変は観察されませんでした。参考文献から転載。 [40] Journal of NanoparticleResearchの許可を得て

一般に、細胞研究は、細胞との相互作用のありそうなメカニズムの理解である、予備的な細胞毒性分析のために傑出しています。しかし、それは生体内ではるかに複雑な微小環境です。グラフェンファミリーの材料が湿気の多い腐食性微小環境でどのように動作するかを理解することも重要です。グラフェンファミリー材料の生体適合性は、濃度、官能基の種類、グラフェンファミリーの種類、サイズ、および形状に自明ではありません。しかし、そのメカニズムはさらに詳細かつ徹底的に調査する必要があります。ただし、生体内でのバイオセーフティの評価は、特に長期的な生体適合性と生体内分布ではそれほど多くないため、さらに注意を払う必要があります。いくつかの論文はバイオセーフティについて懸念を表明していますが、グラフェンファミリーが独自に提供する潜在的な多様性により、グラフェンファミリーは生物医学的用途の選択肢として競争力のある候補となっています。

グラフェンファミリー材料の抗菌活性

骨の再形成と新しい骨の形成は、骨欠損の無菌微小環境なしでは完全に成功することはできません。実際、感染性骨欠損の治療は依然として大きな課題です[59]。大きな骨欠損と感染症の問題のため、治療は困難であり、患者は長期の回復期間を必要とします。したがって、グラフェンファミリー材料のバクテリア抑制能力は大いに役立ちます。グラフェンファミリーの材料は、抗菌能力を備えていると考えられています（表1）。 Liu etal。 （1）グラフェンベースの材料への初期細胞沈着、（2）鋭いナノシートとの直接接触によって引き起こされる膜応力、および（3）その後のスーパーオキシドアニオン非依存性酸化を含む3段階の抗菌メカニズムを提案しました[60]。ただし、Mangadlao etal。グラフェンの表面は主に抗菌活性の原因であり、エッジではないと考えました。バクテリアと接触すると、グラフェンは電子受容体として機能し、バクテリアの膜から電子を送り出し、独立した酸化ストレスを生み出します[61]。一方、Li etal。グラフェンフィルムの抗菌作用をよりよく理解するための新しい洞察を提供しました。彼らは、グラフェンファミリー材料の抗菌活性は、活性酸素種（ROS）を介した損傷からではなく、微生物膜からグラフェンへの電子移動相互作用を介して生じたとの意見を持っています[62]。非酸化的電子伝達メカニズムとその結果としての細菌へのROS媒介酸化ストレスの相乗的影響が、天然由来のGO金属膜の抗菌活性の増強を誘発することを証明した[63]。

グラフェンベースのシートの物理化学的特性が抗菌活性にどのように影響するかは不明ですが、グラフェンファミリー材料の抗菌能力は、研究してさらに活用する価値があります。

グラフェンファミリー材料は、細胞を骨形成分化に仲介し、生体内で骨再生を促進します

多くの学者は、グラフェンは細胞の付着と増殖を可能にするだけでなく（例えば、歯髄幹細胞[64、65]、骨髄幹細胞[8、20、66、67]、歯周靭帯幹細胞[68] ]、ヒト骨芽細胞[69]、線維芽細胞[70]、腫瘍細胞[43]）明らかな細胞毒性の兆候はないが、初期細胞の骨芽細胞分化を誘導し、高度の石灰化をもたらす可能性がある[20、64、65、66、67、 68]。現在、多くのチームが、グラフェンファミリーナノ材料を足場または足場への添加剤として、基板材料表面へのコーティングとして、ガイド骨再生膜として、および薬物送達媒体として適用する新しい戦略を設計するために、多くの研究を丹念に行った。 （図2）。彼らは、グラフェンファミリーの材料を使用して、基板材料の特定の特性をさらに改善し、基板ベースの複合材料に生物活性特性を付与しようとしました。

A.骨再生のための足場または足場の補強材としてのグラフェンファミリー材料。 B.骨再生のために基板に転写されたコーティングとしてのグラフェンファミリー材料。 C.ガイド付き骨膜の添加剤としてのグラフェンファミリー。 D.ドラッグデリバリーシステムとしてのグラフェンファミリー材料は骨の再生を促進します

足場としてのグラフェンファミリーマテリアルまたは足場の補強材

骨組織工学の最も一般的な戦略は、骨の再形成と再生の自然なプロセスをシミュレートすることです。この戦略は、3次元（3D）生体適合性、生分解性、および骨伝導性または骨誘導性の足場によって満たすことができます[3]。この種の足場は、細胞外マトリックス（ECM）を模倣して、骨形成細胞の付着、移動、増殖、分化、および成長因子のキャリアを模倣する理想的な微小環境を提供します[6]。有望な生体適合性の足場としてのグラフェンは、大きな表面積を細胞の拡散、さらには基質の骨形成分化に利用できるようにすることができます[20]。たとえば、ヒト間葉系幹細胞（hMSC）の培養基質として使用される3Dグラフェンフォームは、幹細胞の生存率を維持し、骨形成分化を促進することができたという証拠を提供しました[66]。さらに、3Dグラフェン（3DGp）足場および2Dグラフェン（2DGp）コーティングは、高レベルの石灰化および上方制御された骨関連遺伝子により、歯根膜幹細胞（PDLSC）の成熟骨芽細胞への分化を誘導できることが証明されました。化学誘導剤の使用の有無にかかわらず、グラフェン上のタンパク質[68]。

今日では、足場として機能する多様な生体材料がきのこのように湧き出ています。骨再生に使用するのに適している可能性のある合成足場には、ヒドロキシアパタイト（HA）などのリン酸カルシウムが含まれます[71]。 β-リン酸三カルシウム（β-TCP）[72];ポリ乳酸（PLA）[73]、ポリグリコール酸（PLGA）[74]、ポリカプロラクトン（PCL）[75]、キトサン（CS）[1]、コラーゲン[76]などの合成または生体高分子];および上記の材料の複合材料[77、78]。しかし今、最も重要な懸念の1つは、足場の機械的特性です。天然骨は、ヤング率の値が7〜27 GPa [79]の範囲の超弾性生体力学的特性を示すため、理想的な足場は、天然骨の強度、剛性、および機械的挙動を模倣する必要があります。グラフェンファミリーの材料は、機械的特性を強化し、物理化学的特性を改善することを目的として、足場に強化材料として追加できます。たとえば、純粋なPCL足場の引張強度は、1.61 MPa、伸びは122％、ヤング率は7.01MPaでした。 GO（2％）を追加すると、引張強度が3.50 MPaに、伸びが131％に、ヤング率が15.15MPaに大幅に増加しました[80]。

強化材料としてグラフェンファミリー材料を使用することに成功したことに刺激されて、多くのチームは、合成または生体高分子によって提供される生体適合性と、グラフェンファミリー材料の顕著な物理的特性を組み合わせました。彼らは、新しい骨の形成をサポートおよび誘発するために、改善された機械的特性、適切な多孔性、構造設計、および優れた生体適合性を備えた理想的な複合足場を達成することを期待していました。

リン酸カルシウムベースの材料を使用したグラフェンファミリー

人間の骨は、30％の有機物、主にコラーゲン、70％の無機物、主にヒドロキシアパタイト（HA; Ca ₁₀ ）で構成されています。 （PO ₄ ） ₆ （OH） ₂ ）[81、82]。 HA、β-リン酸三カルシウム（β-TCP）、リン酸カルシウムセメント（CPC）などの合成リン酸カルシウムベースの材料は、骨の天然ミネラル相と同様の組成と構造、および優れた骨形成のため、人気のある足場材料です。能力[83,84,85]。特に、HAの優れた骨伝導および骨誘導能力[86]により、整形外科または顎顔面外科の人工骨移植片として、骨欠損領域を修復するために長い間広く使用されてきました[11、71]。ただし、成形の難しさ、特有の脆性、破壊靭性の低さなど、HA材料に固有の欠点を改善する必要があります[87、88]。グラフェンファミリーの材料強化HA複合材料が開発され、破壊靭性と生物学的性能が大幅に向上したことが報告されました。たとえば、HA /グラフェン複合材料は、HAが許容できる強度を与えるスパークプラズマ焼結（SPS）によって調製されました[89]。 Raucci etal。 2つの異なるアプローチでHAとGOを組み合わせました：insituゾルゲルアプローチと生体模倣アプローチ。 in situゾルゲルアプローチによって得られたHA-GOは、hMSCの細胞生存率を高め、骨形成因子を使用せずに骨芽細胞の分化を誘導しました。生体模倣アプローチによって形成されたHA-GOは、細胞の生存率と増殖を維持しました[90]。さらに、還元型酸化グラフェン（rGO）は、HAの補強材としても使用できます。 HA-rGO複合材料の破壊靭性は3.94MPa m ^1/2 に達しました 、純粋なHAと比較して203％の増加。 HA–rGOは、細胞増殖と骨芽細胞の分化を促進しました。これは、ヒト骨芽細胞のアルカリホスファターゼ（ALP）活性によって評価されました[91]。さらに、Nie etal。自己組織化により、rGOおよびナノヒドロキシアパタイト（nHA）3D多孔質複合材料足場（nHA @ rGO）の合成に成功しました。自己組織化プロセスを誘発するために加熱されたnHA水懸濁液とブレンドされたGO溶液。最後に、反応生成物を凍結乾燥して、3D多孔質足場を得た。 nHA @ rGO足場は、ラット骨間葉系幹細胞（rBMSC）の細胞増殖、ALP活性、および骨形成遺伝子発現を大幅に促進することができます。また、in vivo実験では、20％のnHAを組み込んだrGO（nHA @ rGO）多孔質足場が、ウサギの円形頭蓋冠欠損の治癒を促進できることが明らかになりました[92]。さらに、2成分だけでなく、3成分も優れた性能を示し、細胞適合性が高く、親水性と機械的特性が向上しています[93,94,95]。

リン酸カルシウムの類似体であるリン酸三カルシウムは、骨灰としても知られている三級リン酸カルシウムです[Ca ₃ （PO ₄ ） ₂ ]。吸収しやすいカルシウムやリンの豊富な産地です。ベータリン酸三カルシウム（β-TCP）は生体適合性が高く、治癒を促進するために欠損部位内に吸収性のインターロッキングネットワークを作成します[96]。ウーら2Dβ-TCP-GOディスクと3Dβ-TCP-GOスキャフォールドの合成に成功しました。 β-TCPおよびブランクコントロールと比較して、2Dβ-TCP-GOディスクは、Wnt関連シグナル伝達経路を活性化することにより、hBMSCの増殖、ALP活性、および骨形成遺伝子発現を有意に増強し、GO-の優れたinvitro骨刺激特性を示しています。修正されたβ-TCP[85]。 Wntの標準的なシグナル伝達経路は、細胞の増殖、分化、形態形成などの細胞活動の調節において重要な役割を果たすことが知られています[97、98]。インビボ研究は、3Dβ-TCP-GOスキャフォールドが純粋なTCPスキャフォールドよりも頭蓋冠欠損部でより多くの新しい骨形成を示したことを示しました（図3）[85]。新しい足場であるリン酸カルシウムセメントを組み込んだGO-Cuナノコンポジット足場（CPC / GO-Cu）は、rBMSCの接着と骨形成分化を促進し、Erk1 / 2を活性化することでrBMSCのHif-1αの発現をアップレギュレートできることが確認されました。シグナル伝達経路および血管内皮増殖因子（VEGF）およびBMP-2タンパク質の分泌を誘導しました。さらに、CPC / GO-Cu足場は、臨界サイズの頭蓋冠欠損のあるラットに移植され、その結果は、足場（CPC / GO-Cu）が欠損領域の血管新生と骨形成を有意に促進することを示しました[99]。

β-TCPおよびβ-TCP-GOスキャフォールドのスキーム図は、invivoでの骨形成を刺激しました。ウサギの頭蓋骨欠損部に8週間移植した後の、β-TCPおよびβ-TCP-GO足場のinvivo骨形成能力のマイクロCT分析および組織学的分析。参考文献から転載。 [85] Journal ofCarbonの許可を得て

キトサンを使用したグラフェンファミリー

甲殻類の殻に由来する非常に用途の広い生体高分子であるキトサン（CS）[1,87]は、細胞の接着と増殖を促進する親水性の表面を持ち、その分解生成物は無毒です。キトサンは生体適合性、骨伝導性、止血性があり、目的の形状に簡単に変換できます[2]。さらに、キトサンは石灰化の骨基質を促進し[1]、移植後の炎症反応を最小限に抑えることができます[100]。上記のすべての特性により、キトサンは骨の足場材料として特に魅力的です。しかし、最も難しい部分は、優れた機械的特性と加工性を備えたCSベースの足場の入手です[101]。興味深いことに、CS / GO足場は、高い保水性、多孔性、および親水性を備えています[101、102]。 CSベースの3Dマテリアルは、さまざまな比率（0.5 wt％と3 wt％）でGOが強化されています。新しく開発されたCS / GO 3 wt％足場は、細胞の成長と増殖を促進する生体適合性と特性の観点から、骨組織工学アプリケーション向けに理想的に設計されることが期待されていました[103]。 GOが0、0.5、および3 wt。％の別のCHT / GO足場を、凍結乾燥法で調製しました。同様に、CS / GO 3 wt％スキャフォールドは、in vitroでのALP活性と、in vivoでの新しい骨形成を大幅に強化し、骨形成分化プロセスの効率に対する3 wt％GOの積極的な貢献を示唆しています（図4）[3]。すべての結果から、CS / GO足場は骨欠損の再生に適したツールであり、材料組成に3 wt％のGOを追加すると、細胞の骨形成分化により良い影響を与える可能性があることが証明されました。

a CHT / GOおよび b を移植したマウス頭蓋冠欠損におけるALP活性 MassonGoldnerトリクローム染色切片の組織計測分析。 ### p <0.001 vs CHT; ** p <0.01vsコントロール; *** p <0.001対コントロール。参考文献から転載。 [3] Journal of ScientificReportsの許可を得て

さらに、CS、GO、HAなどの一部の3成分複合材料は、純粋なHAナノ粒子と比較してより多くのCaおよびPイオンを放出でき、複合材料の足場の高い生物活性を示します[87]。 Ravichandran etal。独自の複合足場であるGO–CS–HA足場を製造し、GOを組み込むことで、CSの引張強度を8.2 MPaまで、CS–HAを10MPaまで強化しました。そしてその結果は、GO–CS–HA足場が細胞の接着と増殖を促進する一方で、invitro試験で骨形成の改善を示したことを示しています[2]。 CS、ゼラチン（Gn）、および酸化グラフェンのさまざまな濃縮物（0.1％、0.25％、0.5％、および1％（ w ）を含む別の3成分複合足場 / v ）GO）は、CS / Gnスキャフォールドよりも優れた物理化学的特性を示しました。 CS / Gn足場への0.25％の濃度でのGOの添加は、タンパク質の吸収の増強、広範なアパタイト沈着を示した。 0.25％GO / CS / Gn足場は、ラット骨前駆細胞に対して細胞に優しく、in vitroでマウス間葉系幹細胞の骨芽細胞への分化を促進しました（図5）。 0.25％GO / CS / Gn足場で満たされた脛骨欠損は、新しい骨の成長と欠損領域の橋渡しを示し、生体適合性と骨形成性を示しています[104]。したがって、二成分または三成分複合材料の足場に関係なく、キトサンへのグラフェンファミリー材料の添加は、機械的特性を有利に改善し、骨芽細胞の生物学的応答を調節し、骨形成分化を促進することができます。

a CS / Gnスキャフォールドおよび0.25％GO / CS / Gnスキャフォールドを培地と48時間インキュベートした後のMTTアッセイ。アスタリスクはコントロールに対して大幅な増加を示し、ポンド記号はコントロールに対して大幅な減少を示します（ p <0.05）。 b 、 c 定量的RT-PCRで測定したCS / Gnスキャフォールドおよび0.25％GO / CS / Gnスキャフォールドで7日間および14日間培養したmMSCでの骨形成関連遺伝子（RUNX2、ALP、COL-1、およびOC）の発現。参考文献から転載。 [104] Journal of International Journal of Biological Macromolecules

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他の合成または生体高分子を含むグラフェンファミリー

骨の主要な有機成分であるI型コラーゲンのスポンジ足場[81]は、骨組織を再生するための足場として臨床的に適用されています[105、106]。コラーゲン足場（弾性率：14.6±2.8 kPa）は比較的柔らかいため、GOとの組み合わせにより、コラーゲン足場の弾性率が向上し、骨再生のためのMSCの骨形成分化が改善されることが期待されます。 GOフレークの3Dコラーゲン足場への共有結合（弾性率：38.7±2.8 kPa）は、足場の剛性を3倍に増加させ、BMSCの生存率に悪影響を与えませんでした。より硬い足場で観察された骨形成分化の増強は、硬い基質への細胞接着に関与する分子が上方制御または活性化されたため、BMSCの機械的感知によって媒介された可能性が高い[107]。さらに、骨形成能の高いグラフェンファミリー材料を利用した新しい生体材料の開発が急務となっています（表2）。

これまで、骨組織工学の足場用のこれらの改良された三成分システムは、細胞の付着、増殖を促進することができる優れた生体適合性を有し、天然の骨のものに匹敵する機械的特性が報告されている。しかし、発現する特定の生物学的シグナルへの応答、ならびに細胞分化および最終的には骨組織再生を増強する能力は、さらに調査する必要があります。さらに、細孔構造（細孔サイズ、細孔形態、および細孔配向）および足場の弾性が、骨形成を調節するために操作されたことが報告されている[108、109、110]。ただし、多孔質の複雑な構造と足場の正確に制御されたさまざまな弾性のため、骨の再生を刺激できる特定の細孔構造と弾性の3D多孔質足場を個別に設計することは依然として大きな課題です。科学技術の急速な発展に伴い、3D印刷法の出現はこの問題を克服し、骨組織再生の道を開く可能性があります[85]。グラフェンファミリーナノ材料のinvitro生物活性と優れたinvivo骨形成能力は、生物医学的応用のための幅広い新しいタイプの多機能足場を開発するという新しい展望を示しています。したがって、背後にある解明された分子メカニズムがすぐに明らかになり、グラフェンファミリーの材料は、私たちが探求するのを待っている骨再生への応用の魅力的な可能性をまだ持っていると信じています。

コーティングとしてのグラフェンファミリー材料

グラフェンファミリーの材料は、骨再生のためのさまざまな形態の医療用途に広く適用されています。コーティングとして、グラフェンファミリー材料を2次元（2D）の平らな非金属または金属基板に転写して、いくつかのタイプの間葉系幹細胞（MSC）の自発的な骨形成分化を誘導することができます[64]。 Nayak etal。グラフェンを4つの2D非金属基板（ポリジメチルシロキサン（PDMS）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、スライドガラス、および300 nm SiO ₂ を含むシリコンウェーハ）に転写しました。 （Si / SiO ₂ ））そしてBMSCの分化に対するグラフェンの影響を調査しました。彼らは、グラフェンコーティングが細胞適合性であり、骨形成培地におけるBMP-2の影響下での分化に匹敵する速度でBMSCの骨形成分化を増強するのに貢献したと要約した[20]。同様に、Elkhenany etal。 2Dグラフェンでコーティングされたプレートに播種されたヤギBMSCは、特定の成長因子を添加せずに培地で骨芽細胞の分化を遂げることを発見しました[8]。同時に、リー等。グラフェンコーティングが幹細胞の再生と分化をどのように加速できるかについての起源を説明しようとしました。彼らは、グラフェンの強力な非共有結合能力により、グラフェンが骨芽細胞誘導物質の予備濃縮プラットフォームとして機能し、BMSCの骨形成分化を促進すると考えました[67]。骨形成分化の調節におけるグラフェンの能力は明らかです。その派生物はどうですか？ GOコーティングとrGOコーティングはすべて、ALP活性のレベルをアップレギュレートすることにより、良好な細胞適合性と自発的な骨形成分化の増強を示しました[111、112]。

チタン（Ti）と医療グレードのTi合金は整形外科と歯科の分野で広く適用されているため[113、114、115]、チタンとその合金の満足のいくオッセオインテグレーションは依然として大きな課題であり、臨床医がインプラントの成功率または生存率を促進し、インプラントの配置後に発生する可能性のある合併症を軽減します[114、116、117]。組織とインプラントの界面でのオッセオインテグレーションの能力を向上させる新しい方法として機能する、チタンとその合金をコーティングしたグラフェンファミリー材料が広く注目を集めました。たとえば、GOコーティングされたチタンは、細胞増殖、ALP活性のアップレギュレーションレベル、骨形成関連マーカーの遺伝子発現レベルを高め、BSP、Runx2、およびOCNのタンパク質発現を促進しました[117]。 Qiu etal。陰極電気泳動堆積により、純チタン表面にそれぞれ異なる厚さのGOコーティングを作成しました。興味深いことに、GOの厚みが増すにつれて、ALP陽性領域が改善され、ECM鉱化作用が増加しました[118]。さらに、Zeng etal。最初に、Ti基板上に電気化学的堆積技術によってGO / HA複合コーティングを製造しました。 GOの添加により、堆積したアパタイト粒子の結晶化度と、合成されたままの複合コーティングの結合強度の両方が促進されました[119]。親水性表面は疎水性表面と比較して生体適合性があることはよく知られています。 rGOコーティングの場合、血清タンパク質の急速な吸着により、グラフェン表面の親水性が改善され、細胞接着が強化されます。 Jia etal。蒸発支援静電アセンブリとワンポットアセンブリを使用して、調整されたシートサイズと表面特性を備えた2DGOコーティングTiおよびrGOコーティングTiを製造しました。チタンの接触角（60.4°）と比較して、GOコーティングされたTiとrGOコーティングされたTiの接触角はそれぞれ20°と14.2°であり、グラフェンの界面アセンブリが成功し、優れた湿潤性を示しています。 rGOでコーティングされたTiは、バルクGOよりも優れた細胞接着と増殖を誘発しましたが、バルクGOは、骨形成分化のより高い活性を誘発しました[120]。

オッセオインテグレーションは、インプラントの表面特性によって決定される複雑な生物学的プロセスです[114]。グラフェンベースのコーティングは、とりわけ3D形態を欠いています。コーティングの3D多孔質表面構造は、自然の骨組織の特殊なマクロ構造を模倣することができます[115]。 Qiu etal。純チタンプレート（GO @TiおよびrGO @ Ti）上に最初に合成された3D多孔質グラフェンベースのコーティング。水接触角は、GO @TiおよびrGO @ Tiの超親水性表面を示しました。表面の湿潤性は、生体分子の吸着に強く関係する材料の生体適合性に大きな影響を及ぼします[121]。 GO @TiとrGO @ Tiはどちらも、優れた細胞適合性と骨誘導の最適な能力を示しました[39]。 Morinと彼の同僚は、シングルまたはダブル化学蒸着（CVD）で成長させたグラフェンコーティングを、歯科インプラント、ロッキングコンプレッションプレート、下顎プレートなど、3Dジオメトリと表面粗さが異なる3Dオブジェクトに転写しました（図6）[64 ]。 CVDは非常に安定したコーティング製造方法であり、基板に依存しない特性と用途の広い表面機能化を備えています。さらに、表面活性CVDコーティングは、生体分子を固定化するための優れたプラットフォームであり、これは骨の再生にとって非常に重要です[122]。

a ラットの頭蓋冠欠損はGO-Ti膜で囲まれていました。 b 術後8週目にTiまたはGO-Ti膜を移植した後のラット頭蓋冠欠損の新しい骨形成。* p <0.05vsコントロール; ＃ p <0.05 vsTi。 c 術後8週目にTiまたはGO-Ti膜を移植した後のラット頭蓋冠欠損のHE染色の画像。参考文献から複製。 [128] Journal of Applied SpectroscopyReviewsの許可を得て

全体として、表面へのコーティングとしてグラフェンファミリー材料を適用する戦略は魅力的です。多様な基板（ポリマー、金属など）、グラフェン、およびその誘導体を使用した、CVD [123]、電気化学的堆積[119]などの現在利用可能な技術または方法により、ナノメートルから巨視的スケールまでの寸法で効率的に取得できます[120 ]。次に、グラフェンファミリーのナノ材料を2Dコーティング/フィルム/シートまたはコーティングの3D多孔質構造として基板に転写し、生体分子の結合を可能にし、血清タンパク質を吸収し、幹細胞の骨形成分化を促進します。しかし、基質の異なる物理的および化学的特性、およびグラフェンファミリー材料のみによって発揮される効果をカバーする可能性のある骨形成分化のための化学的誘導物質（例えば、デキサメタゾン、骨形成タンパク質-2）のタイプまたは頻繁な使用[65]。したがって、これらの方法は、直接改善し、さらに研究する必要があります。

ガイド付き骨膜の添加剤としてのグラフェンファミリー

バリア膜は、骨再生誘導法（GTR）および骨再生誘導法（GBR）に適用され、歯周骨欠損およびインプラント周囲欠損の治療、ならびに骨増強のために、口腔外科手術で標準的に使用されています[124、125]。 。 GBRは、骨組織の再生に最も有望な方法の1つと考えられています。 GBRの概念は、非吸収性または吸収性の膜をバリアとして使用して、軟結合組織の骨欠損への内殖を防ぎ、骨の再建を「ガイド」するスペースを提供することです[126、127]。理想的なGBR膜は、骨組織の再生を促進し、軟組織の内部成長を防ぐために、優れた生体適合性と機械的特性を備えている必要があります。 Ti膜は、骨移植片の安定化のための優れた機械的特性を備えた非吸収性の膜です。 Park etal。粗さが増し、親水性が高い、GOコーティングされたTi（GO-Ti）膜を製造しました。 GOは、純粋なTi膜に優れた生体適合性を与え、in vitroでのMC3T3-E1の付着、増殖、および骨形成を強化しました。さらに、GO-Ti膜がラットの頭蓋冠欠損に移植され（図6）、炎症反応のない全層頭蓋冠欠損で有意に新しい骨形成が観察されました[128]。

ただし、非吸収性の膜は2回目の操作で除去する必要があります。したがって、感染のリスクと再生骨の喪失を減らすことができる手術中の二次介入を避けるために、吸収性膜が推奨されます。しかし、コラーゲンやキトサンでできた吸収性膜は、通常、機械的特性が劣っています。グラフェンファミリー材料の添加は、吸収性膜の弱点を改善します。たとえば、De etal。異なる濃度のGOで強化された吸収性コラーゲン膜の調製を試みました。膜上のGOの存在は、変形能を低下させ、剛性を改善し、粗さを増加させることにより、膜の機械的特徴を変化させました[129]。 Tian etal。 3D rGO（3D-rGO）多孔質フィルムを作成しました。これにより、細胞の生存率と増殖が促進され、ALP活性と骨形成関連遺伝子の発現が大幅に向上します[130]。

純粋なグラフェンは基本的に有機ポリマーと相溶性がなく、均質な複合材料を形成しますが、グラフェンの量が多すぎると、場合によっては細胞の生存率が低下することさえあります[131]。グラフェンファミリー材料を組み込むことで、複合膜の生物活性と機械的特性を向上させることができます。機械的欠点の変化、骨形成分化の刺激、優れた生物活性の発揮に対する強力な効果により、グラフェンファミリーの材料修飾膜をGBRに効果的に適用できます。

ドラッグデリバリーシステム（DDS）としてのグラフェンファミリー材料

グラフェンファミリー材料は、サイズが小さく、固有の光学特性、比表面積が大きく、低コストで、芳香族薬物分子との有用な非共有相互作用により、遺伝子や生体分子の送達媒体として優れた効果を発揮します。さらに、π-πスタッキング、水素結合、および静電相互作用による単純な物理吸着は、効力や効率を損なうことなく、疎水性薬物の高い薬物負荷を支援することができます[38]。薬物の治療効果は常に薬物送達担体に関連しており、これにより、大量の負荷、制御放出、および治療タンパク質の生物活性の保持が可能になるはずです[132]。現在、ドキソルビシン[133,134,135,136,137]、パクリタキセル[138、139]、シスプラチン[140]、およびグラフェンファミリーナノマテリアルによってロードされたメトトレキサート[141、142]を含む抗がん剤は、がん細胞の選択的殺傷に対して驚くべきがん効果を示しました。

より良い骨の再生のために、私たちは時々骨形成薬または高分子骨形成タンパク質の助けを必要とします。グラフェンまたはその誘導体に吸着された薬物または負荷された成長因子は、局所濃度の増加により、細胞の骨形成分化を促進する可能性があることが報告されました[143]。たとえば、モデル薬物として選択されたシンバスタチン（SIM）は、シルクフィブロイン（SF）とGOで作られた3D多孔質足場にロードされました。 SIMは、競合する3-ヒドロキシ-3-メチル補酵素A（HMG-CoA）レダクターゼの阻害剤です[144]。骨形成に対するSIMの効果は、骨形成タンパク質-2（BMP-2）mRNAの発現の増加と関連しており、血管内皮増殖因子（VEGF）の発現を増強します[145、146]。 SIMは持続的に（30日）リリースでき、リリース率はスキャフォールド内のGOコンテンツに関連していました。インビトロでは、ブランクの足場と比較して、SF / GO / SIMはより優れた生体適合性を示し、それらで培養された細胞はより速い増殖速度を示しました[147]。デキサメタゾン（DEX）は、オッセオインテグレーションを促進することができる骨形成薬です。ユングら最初に、π-πスタッキングによってrGOコーティングされたTiにDEXをロードしました。 rGO-TiでのDEXのローディング効率は24時間の薬物ローディング後に31％であり、ロードされたDEXの合計の10％のみが7日間放出されました。これは、ドラッグデリバリーシステムが骨形成のために幹細胞の長期刺激を誘発できることを示しています分化。 DEX / rGO-Tiは、MC3T3-E1細胞の成長と骨芽細胞への分化を有意に促進しました[143]。同様に、Ren etal。また、DEXを吸収するための薬物ビヒクルとしてGO-TiとrGO-Tiを採用しました。 DEX-GOとDEX-rGOの存在は、細胞増殖を促進し、骨形成分化を大幅に強化するのに役立ちました[115]。制御された薬物送達を伴うTi合金上のグラフェンファミリー材料コーティングは、インプラント表面周辺の細胞応答を刺激および強化して、オッセオインテグレーション時間を短縮し、さまざまな歯科および生物医学的用途に適用されることが期待されます[143]。

小分子骨形成薬だけでなく、高分子タンパク質も、骨再生のためにグラフェンファミリー材料によってロードすることができます。骨形成タンパク質（BMP）は、骨再生のための最も強力な骨誘導タンパク質です。したがって、BMP-2は、π-πスタッキングおよびGOの端にある負に帯電したカルボン酸基とBMP-2の正に帯電したアミノ酸残基との間の相互作用を介してTi / GOの表面にロードされました[132]。 Ti / GO / BMP-2は、3Dコンフォメーションの安定性と生物活性を維持しながら、BMP-2の高負荷と徐放性を示しました。インビトロでは、Ti / GO / BMP-2の能力はhBMSCの骨形成分化を増強することです。マウス頭蓋冠欠損モデルでは、Ti / BMP-2インプラントと比較して、周囲のTi / GO / BMP-2インプラントははるかに広範囲の骨形成を示しました[132]。 Xie etal。 GO修飾ヒドロキシアパタイト（HA）とGO修飾リン酸三カルシウム（TCP）を、それぞれBMPカプセル化BSAナノ粒子（NP）を吸着するためのアンカーとして使用しました。新しい足場の電荷バランスとBMP-2徐放能力は、相乗的にBMSCの増殖、分化、および生体内での骨再生を改善しました[148]。不十分な骨統合と感染は、Ti移植の失敗につながる最も深刻な合併症です[10]。ハンら。 GOをポリドーパミン（PDA）で修飾されたTi足場に組み込んだ。次に、BMP-2とバンコマイシン（Van）を別々にゼラチンミクロスフェア（GelMS）にカプセル化しました。その後、薬物を含むGelMSをGO / Ti足場にロードし、GOの官能基によって固定しました（図7）。新しい足場には、骨の再生を誘導し、細菌感染を防ぐという二重の機能が備わっていました[149]。サブスタンスP（SP）は高度に保存された11アミノ酸の神経ペプチドであり[150]、炎症の調節、創傷治癒、血管新生などの多くのプロセスに関与し、インプラントへのMSCの動員を促進することが期待されます[151]。したがって、BMP-2とは別に、La etal。このペプチドSPをGOコーティングされたTiの表面に追加しました。 GOコーティングされたTiを介したデュアルデリバリーシステムは、BMP-2とSPの持続放出と、MSCの移動を誘発するSPの可能性を示しました。インビボでは、Ti / GO / SP / BMP-2グループは、マウス頭蓋冠において、Ti / GO / BMP-2グループよりも大きな新しい骨形成を示しました。これは、SPによるインプラントへのMSCの動員が原因である可能性があります[152]。

新しいGO / Ti足場の準備の概略図と走査型電子顕微鏡写真：BMP2とVanをロードしたCGelMSは、GOとCGelMSの官能基間の静電相互作用によってGO / Ti足場に固定化されました。参考文献から転載。 [149] Journal of BiomaterialsScienceの許可を得て

現在、ますます多くのチームが、実用的なアプリケーションを改善するための新しいドラッグデリバリーシステムの設計に取り掛かっています。大量の投与、制御放出、および治療用タンパク質の生物活性の保持は、ドラッグデリバリーシステムの研究では依然として困難です。

結論

生物学的応用に関するグラフェンファミリー材料の研究、特に細菌阻害および幹細胞骨形成分化の誘導のためのそれらの潜在的な応用に関する研究が急速に浮上しています。それらの生物学的応用が臨床試験のために検討される前に、グラフェンファミリー材料の生体適合性は非常に重要です。ただし、課題は存在し、克服する必要があります。これらの課題には、グラフェンと細胞（または組織、臓器）の相互作用と細胞取り込みメカニズム、および潜在的な毒性のメカニズムの完全な理解が含まれます。いくつかの記事を要約して分析し、グラフェンファミリー材料の細胞毒性と生体適合性は、表面の機能化、濃度、サイズ、形状など、さまざまな要因の影響を受けると結論付けています。低濃度では、グラフェンファミリーの材料は細胞適合性があり、細胞の形態、生存率、増殖にほとんど悪影響を与えません。さらに、平坦な形状の材料は細胞膜との相互作用が小さいと予想されたため、より優れた生体適合性を有する平坦な形状のグラフェンファミリー材料が報告された[47]。グラフェンとその誘導体のサイズスケールと形状を定義するためにさまざまな基準が使用されましたが、ナノサイズのグラフェンファミリー材料が生物医学的用途にとってはるかに安全であったことは事実でした[54]。グラフェンファミリー材料のサイズ制御合成は、その後の研究で慎重に検討する必要があります。さらに、研究者にとっての主な課題は、複雑な微小環境でグラフェンファミリー材料がどのように動作するかを理解し、グラフェンとその誘導体の長期的な生体適合性を確立することにあります。したがって、研究者は、細胞と材料の間の複雑な相互作用をさらに理解するために、invivoおよびinvitroでグラフェンファミリー材料のバイオセーフティを研究し続ける努力を惜しまないでください。いくつかの論文はバイオセーフティについて懸念を表明していますが、合成中のグラフェンファミリー材料の修飾をより適切に制御した後、グラフェンファミリーが独自に提供する潜在的な多様性により、グラフェンファミリーは生物医学的用途の選択肢の競争力のある候補となっています。

一方で、多くの研究により、グラフェンファミリーの材料は、その官能基、鋭いエッジ、および他の薬剤との相乗効果により、バクテリアを阻害する能力を持っていることが指摘されています。その上、感染性の骨欠損領域で骨の再成形と再生を成功させることは困難です。インプラント周囲感染と不十分なオッセオインテグレーションも、私たちが直面する主要な課題です。抗菌性骨再生アプリケーションの設計と開発におけるグラフェンファミリー材料の使用は、将来大きな注目を集めるでしょう。

一方、多くのチームは、骨組織工学にグラフェンファミリー材料を適用する新しい戦略を設計および製造するために、入念に研究を行いました。 3Dグラフェンベースの足場は、有望な生体適合性の足場であり、前骨芽細胞または幹細胞の骨芽細胞の分化を促進することができます。グラフェンファミリー材料は、複合足場の機械的特性を強化し、物理化学的特性を改善することを目的とした強化材料として追加することもできます。さらに、グラフェンまたはその誘導体をコーティングとして表面に塗布する戦略は魅力的であり、抗菌活性とより優れたオッセオインテグレーション、特に3Dコーティングを備えていることが期待されます。ナノ構造、表面粗さ、タンパク質吸収能力、静電相互作用、表面親水性などのグラフェンファミリー材料の表面特性は、幹細胞の運命を制御する分子経路に多大な影響を与えると一般に仮定されています[39、115]。 。足場またはコーティングの3D構造により、栄養素を自由に送達できます。これは、グラフェンファミリーの生体適合性に影響を与えます。しかし、3D足場やコーティングの製造方法は、比較的難しく複雑です。しかし、科学技術の急速な発展に伴い、3D印刷法の出現により、この問題が克服され、骨組織再生の道が開かれる可能性があります。

さらに、グラフェンファミリーの材料は、GBRおよびDDSでも大きな可能性を示しています。グラフェンファミリーの材料は、コラーゲンまたはキトサンで作られた吸収性膜の機械的特性を、本来の特性を損なうことなく改善します。骨形成薬または高分子骨形成タンパク質は、π-πスタッキング、水素結合、および高負荷と良好な効率での静電相互作用を介して、グラフェンまたはその誘導体に吸着することができます。さまざまなメリットを考慮に入れると、グラフェンファミリーの材料は骨組織の再生に大きな可能性を秘めています。

グラフェンとその誘導体の多くの最高の特性、特にinvitroでの骨形成促進能力と優れたinvivoでの骨形成能力があることを考えると、グラフェンファミリーの材料は依然として欠点がありますが、骨再生用途に使用される有望な候補です。

略語

ALP：

アルカリホスファターゼ

BMP-2：

骨形成タンパク質-2

BMSC：

骨間葉系幹細胞

CPC：

リン酸カルシウムセメント

CVD：

化学蒸着

CXYG：

カルボン酸グラフェン

DEX：

デキサメタゾン

ECM：

細胞外マトリックス

GBR：

骨再生誘導法

GelMS：

ゼラチンミクロスフェア

GNO：

グラフェンナノオニオン

GO：

酸化グラフェン

GONP：

酸化グラフェンナノプレートレット

GONR：

酸化グラフェンナノリボン

GQD：

グラフェン量子ドット

HA：

ヒドロキシアパタイト

HUVEC：

ヒト臍帯静脈内皮細胞

MC3T3-E1：

マウスの前骨芽細胞株

MWNT：

多層カーボンナノチューブ

OPE：

酸素プラズマエッチング

PCL：

ポリカプロラクトン

PDA：

ポリドーパミン

PDLLA：

ポリ（d、l-乳酸）

PDLSC：

Periodontal ligament stem cells

PDMS：

ポリジメチルシロキサン

PEG：

ポリエチレングリコール

PET：

ポリエチレンテレフタレート

PLA:

Poly-lactic acid

PLGA:

Poly-glycolic acid

PPY:

ポリピロール

rGO:

還元型酸化グラフェン

ROS:

活性酸素種

SIM:

Simvastatin

SP：

Substance P

SPS:

Spark plasma sintering

Ti:

Titanium

Van:

Vancomycin

VEGF:

Vascular endothelial growth factor

β-TCP:

β-Tricalcium phosphate