石墨烯生物应用

1、www.CRTER.org王欣，等. 基于石墨烯构筑的三维组织工程支架材料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)文章亮点：1 此问题已知的信息：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、石墨烯泡沫、石墨烯凝胶

2、等三维宏观材料。2 文章增加的新信息：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。3 临床应用的意义：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。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 主题词：石墨；组织工程；细胞外基质基金资助：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)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

3、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

4、更加实际的应用价值，包括拥有组织工程支架的功能。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.doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.34.022 Three-dimensional tissue engineering scaffolds based on graphene Wang Xin1, 2, Li Peng1, Wang Zan3, Xu Hai-feng2, Dong Fu-ping2, Chen Hao1, Jiang

5、 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

6、32, 07743 Jena, Germany; 3Department of Neurology, the First Bethune Hospital at Jilin University, Changchun 130021, Jilin Province, China)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。 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中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2015)34-05523-07稿件接受

7、：2015-05-29http:/WWW.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 Universi

8、ty Jena, Löbdergraben 32, 07743 Jena, GermanyCorresponding author: Jiang Hong-yu, Professor, Doctoral supervisor, Department of Neurology, the First Bethune Hospital at Jilin University, Changchun 130021, Jilin Province, ChinaAccepted: 2015-05-29AbstractBACKGROUND: Based on the chemical composi

9、tion 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-

10、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 t

11、wo-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

12、 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.1 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 kf23385083Subject heading

13、s: Graphite; Tissue Engineering; Extracellular MatrixFunding: 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 Wang X, Li P, Wang Z, Xu HF, Dong FP, Ch

14、en H, Jiang HY, Jandt KD. Three-dimensional tissue engineering scaffolds based on graphene. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2015;19(34):5523-5529.1ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction 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

15、)、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

16、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 m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

17、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。1 资料和方法 Data and methods1.1 资料来源 应用计算机检索中国知网CNKI数据库、ACS-ACS Publications、Elsevier Science、Nature、 PNAS美国国家科学院院刊、RSC-Royal Society of Chemistry、Springer-Link Springer、Web of Science及Willey Online Library等2000至2015年文献，检索中、英文关键词为“石墨烯(G

18、raphene)，还原氧化石墨烯纸或膜(Reduced graphene oxide paper/membrane/ film)，生物医用(Biomedical applications)，细胞培养(Cell culture)，组织工程(Tissue engineering)”。1.2 纳入与排除标准纳入标准：含有石墨烯膜/纸、三维结构石墨烯、细胞培养、组织工程的均纳入，所有文献类型，包括综述文献。排除标准：二维结构石墨烯在组织工程方面的应用报道(除了作为三维结构支架涂层外)。1.3 数据提取 共检索到文献259篇，其中中文文献47篇，英文文献212篇，排除与研究目的相关性差及内容陈旧、重复的

19、文献171篇，纳入81篇符合标准的文献进行综述。1.4 质量评价 符合纳入标准的81篇文献中，文献1-7概括了生物医用石墨烯家族及制备方法，文献8-16为二维石墨烯材料在细胞培养和组织工程方面的进展报告，文献17-19代表性综述文献和最新报道，涉及三维石墨烯在细胞培养和组织工程方面的研究工作，文献20-56介绍了石墨烯纸/膜的制备方法以及在细胞培养和作为组织工程支架的应用研究，文献57-81介绍了三维多孔石墨烯基材料的制备及生物活性。上述文献，尤其是文献17-81与本论文综述的内容密切相关，涵盖了具有三维结构的石墨烯纸质、泡沫、凝胶等宏观自支撑材料的各种制备方法，以及这类三维结构材料在细胞培养

20、和组织工程中显示出来的巨大应用潜力。2 结果 Results 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

21、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 m的不透明膜称为厚膜，位于1-5 m之间的为半透明膜，而将薄膜的厚度通常定义为小于1 m。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

22、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

23、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

24、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，

25、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B A图1 自支撑石墨烯纸横截面扫描电子显微镜图片及与细胞共培养的荧光显微图片31图注：图中A为真空抽滤制备的自支撑石墨烯纸横截面扫描电子显微镜图片，厚度约为6 m；B为生长在石墨烯表面的钙黄绿素染色的L-929细胞荧光显微图片。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

26、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-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

27、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 m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

28、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

29、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

30、-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1，1

31、7，57-62，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

32、、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，

33、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 m，支架宽度为100-200 m，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

34、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

35、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

36、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

37、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 m2，横向尺寸最大可达 150 m)，经过1 h超声处理后，横向尺寸降至5 m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

38、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 m(长度方向)和40 m(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

39、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。3 总结与展望 Conclusion and prospect 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 m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

40、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

41、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

42、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。 致谢：感谢国家留学基金委“2014年国家公派高级研究学者及访问学者项目”的资助。作者贡献：王欣、王赞进行实验设计，实验实施为李鹏、徐海峰，实验评估为姜宏宇、Klaus D Jandt教授，资料收集为董福平、陈浩，王欣、李鹏成文，王赞、姜宏宇审校，王欣对文章负责。利益冲突：文章及内容不涉及相关利益冲突。伦理要求：未涉及与伦理冲突的内容。学术术语：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)

43、、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。作者声明：文章为原创作品，无抄袭剽窃，无泄密及署名和专利争议，内容及数据真实，文责自负。4 参考文献 References 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.

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