Графеновые материалы для регенерации кости: возможности, вызовы и клинические перспективы

Аннотация

Последние годы принесли замечательные успехи в биомедицинском применении материалов семейства графена. Их наномасштабные размеры, огромная площадь поверхности, собственная фототолюминесценция и врожденные антибактериальные свойства делают их мощными инструментами для костной тканевой инженерии, доставки лекарств и генов, и биосенсорики. В этом обзоре мы синтезируем текущий прогресс, критически оцениваем биосовместимость и обсуждаем целесообразность графеновых производных для регенерации кости, подчеркивая как перспективные применения, так и нерешенные вопросы безопасности.

Введение

Пациенты с тяжелыми челюстно-лицевыми инфекциями, травмами, опухолями или врожденными деформациями часто имеют дефекты челюстной кости, требующие длительного заживления. Хотя кость обладает естественной способностью к ремонту [1, 2], ограниченная саморегенерация крупных или критических дефектов остается серьезной клинической проблемой [3]. Текущие терапии — аутотрансплантат, аллотрансплантат и ксенотрансплантат — несут недостатки, такие как морбидность донорской зоны, риск инфекции или недостаточная остеоиндуктивность [4–7]. Следовательно, костная тканевая инженерия и регенеративная медицина усиливают усилия по разработке заменителей, соответствующих механическим и биологическим свойствам родной кости [8, 9].

Материалы семейства графена (GFM) — графен, оксид графена (GO), редуцированный оксид графена (rGO), карбоксилированный графен (CXYG) и квантовые точки графена (GQD) — возникли как перспективные кандидаты для костного ремонта. Их исключительная механическая прочность, электрическая проводимость и поверхностная химия позволяют создавать каркасы, направлять дифференциацию клеток и обеспечивать антимикробную активность [20–23]. Однако долгосрочная биосовместимость и остеогенный потенциал должны быть строго оценены перед клиническим переводом.

Вызовы в определении биобезопасности материалов семейства графена

In vitro цитотоксичность

Перед клиническими испытаниями GFM должны пройти комплексное цитотоксическое тестирование [38]. Чистый графен гидрофобен и склонен к агломерации, что приводит к адсорбции белков и потенциальной иммуногенности [34, 40, 41]. Химическая функционализация (окисление, восстановление или введение функциональных групп) повышает гидрофильность и модулирует биологические ответы. Исследования показывают, что rGO менее цитотоксичен, чем GO, в основном из-за меньшего оксидативного стресса, индуцируемого сниженной плотностью оксигенированных групп [31].

Доза-зависимость — повторяющаяся тема. Например, концентрации GO ≥50 мкг/мл снижают жизнеспособность клеток рака легких A549 [43], в то время как 10 мкг/мл ингибируют пролиферацию мезенхимальных стволовых клеток костного мозга (BMSC), но 0,1 мкг/мл стимулирует её [44]. Подобные тренды видны с предостеобластами MC3T3-E1, где rGO терпим ниже 62,5 мкг/мл, но становится вредным выше 100 мкг/мл [23]. Карбоксилированный графен и GQD демонстрируют низкую токсичность при низких дозах [34, 46]. Таким образом, концентрация — ключевой, но не единственный детерминант цитосовместимости.

Форма и размер дополнительно влияют на токсичность. Графеновые нано-луковицы (GNO) показывают более высокие значения CD₅₀, чем наноленточки (GONR) или нанопластинки (GONP), указывая на форму-зависимую цитотоксичность [47]. Сравнения с многослойными углеродными нанотрубками (MWNT) показывают, что плоские графеновые листы менее разрушают клеточные мембраны, тогда как трубчатые MWNT проникают через мембраны легче, вызывая острую токсичность [48–50].

Размерно-зависимые механизмы поглощения сообщались. Меньшие GO хлопья (≈31 нм) индуцируют апоптоз из-за более высокого внутриклеточного поглощения, в то время как более крупные хлопья (≈81 нм) в основном адсорбируют на мембранах и менее токсичны [51]. Более крупные листы (≈860 нм) вовлекают фагоцитоз, тогда как меньшие (~420 нм) входят через клатрин-медированный эндоцитоз [33]. По исследованиям общий тренд: наноразмерные GFM безопаснее для биомедицинского использования [54], но точные пороги размера варьируются между группами.

In vivo биораспределение и токсичность

Животные исследования в основном подтверждают in vitro выводы. Зебрафишиные эмбрионы, подвергнутые воздействию мелких GO хлопьев, демонстрируют сниженную жизнеспособность, тогда как более крупные хлопья нет [53]. У мышей внутривенно введенный GO накапливается в печени, легких и селезенке, индуцируя хронический гепатит и легочную фиброз; ПЭГилирование смягчает эти эффекты [56]. Легочное воздействие GO также вызывает тяжелую легкую травму, но pristine графен или Pluronic-диспергированный GO менее токсичны [56]. Подкожная имплантация графеновых пен (GF) или GO пен (GOF) у крыс не показывает системной токсичности через 7 месяцев, с только локализованной гранулемой [40]. Эти результаты подчеркивают важность дозы, функционализации и пути доставки для определения in vivo безопасности.

Несмотря на эти инсайты, долгосрочные пути биораспределения и деградации остаются недостаточно изученными. Дальнейшие исследования должны прояснить, как GFM взаимодействуют со сложными биологическими средами и установить надежные профили безопасности.

Антибактериальная активность материалов семейства графена

Контроль инфекций критичен для регенерации кости. GFM проявляют антибактериальные свойства через множественные механизмы: прямое разрушение мембраны острыми краями, индуцированный электронным переносом оксидативный стресс и генерацию РАК [60–63]. Хотя точные вклады края против поверхностной химии остаются спорными, синергетические эффекты функциональных групп и острых нанолистов последовательно снижают жизнеспособность бактерий. Дальнейшее исследование физико-химических детерминант позволит рационально проектировать антимикробные костные трансплантаты.

Материалы семейства графена посредствуют остеогенную дифференциацию клеток и способствуют регенерации кости in vivo

Графен и его производные неоднократно показывали способность поддерживать адгезию, пролиферацию и спонтанную остеогенную дифференциацию по ряду источников стволовых клеток, включая зубную пульпу, костный мозг, пародонтальную связку и фибробласты [20, 64–70]. Исследователи исследовали GFM как каркасы, покрытия, добавки к мембранам направляемой регенерации кости и платформы доставки лекарств (рис. 2), каждая стратегия используя их высокую площадь поверхности, механическое усиление и биоактивную поверхностную химию.

Усиление каркасов

3D графеновые пены (3DGp) поддерживают жизнеспособность человеческих мезенхимальных стволовых клеток (hMSC) и остеогенную дифференциацию [66]. Сочетание GFM с фосфатно-кальциевыми или полимерными каркасами улучшает механические свойства и остеоиндуктивность. Например, добавление 2 мас.% GO в поли-капролактон увеличивает прочность на разрыв с 1,61 МПа до 3,50 МПа и модуль с 7,01 МПа до 15,15 МПа [80].

Фосфатно-кальциевые композиты

Гидроксиапатит (HA), усиленный GO или rGO, улучшает преломленную вязкость на >200% и способствует остеогенезу hMSC через активность ALP и геновую экспрессию [89–91]. β-трикальций фосфат (β-TCP) в комбинации с GO активирует Wnt/β-катениновый путь, усиливая in vitro остеогенные маркеры и in vivo костообразование в дефектах краниальных костей кроликов [85]. Кальций-фосфатный цемент (CPC), интегрированный с GO-Cu нанокомпозитами, урегулирует HIF-1α, VEGF и BMP-2, приводя к превосходной ангиогенезу и остеогенезу в крысиных моделях [99].

Хитозановые композиты

Хитозан (CS) гидрофилен, остеокондуктивен и гемостатичен. CS/GO композиты (3 мас.% GO) демонстрируют улучшенное удержание воды, пористость и активность ALP, что транслируется в усиленное костообразование in vivo [103–104]. Трехкомпонентные CS/GO/HA каркасы дополнительно повышают прочность на разрыв (до 10 МПа) и способствуют остеогенной дифференциации [2, 87].

Синтетические полимеры

Коллагеновые каркасы, усиленные GO, увеличивают упругий модуль с ~15 кПа до ~39 кПа без ущерба для жизнеспособности клеток, тем самым усиливая остеогенез MSC через механикotransduction пути [107]. Подобные улучшения наблюдаются с другими полимерами, такими как PLA, PLGA и PCL в комбинации с GFM.

Поверхностные покрытия

Графеновые покрытия на полимерных или металлических подложках ускоряют остеогенную дифференциацию стволовых клеток, сопоставимо или превосходя индукцию BMP-2 [20, 68, 111]. Титановые (Ti) поверхности, модифицированные GO или rGO, демонстрируют превосходную гидрофильность (углы смачивания 14–20° против 60° для Ti), повышенную активность ALP и усиленную экспрессию генов костообразования [117–120]. 3D пористые графеновые покрытия на Ti дополнительно улучшают оссеоинтеграцию в крысиных краниальных моделях [128]. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) предлагает масштабируемые, независимые от подложки графеновые покрытия, сохраняющие поверхностную химию и поддерживающие иммобилизацию белков [122].

Мембраны направляемой регенерации кости

Нересорбируемые GO-Ti мембраны улучшают адгезию остеогенных клеток и заполнение кости в краниальных дефектах крыс [128]. Ресорбируемые коллагеновые или хитозановые мембраны, дополненные GO, улучшают механическую жесткость, снижают деформируемость и ускоряют регенерацию кости [129, 130].

Системы доставки лекарств

Высокая площадь поверхности GFM и способность к π-π стакингу обеспечивают эффективную загрузку гидрофобных лекарств, факторов роста и антибиотиков. Для регенерации кости GO-загруженный симвастатин высвобождается более 30 дней, усиливая экспрессию BMP-2 и VEGF [147]. Дексаметазон (DEX), конъюгированный с rGO-Ti поверхностями, показывает устойчивое высвобождение и способствует остеогенной дифференциации [143]. Костный морфогенетический белок-2 (BMP-2), адсорбированный на GO-покрытом Ti, сохраняет биоактивность, ведущую к надежному костообразованию в мышиных краниальных дефектах [132]. Двойная доставка BMP-2 и антибиотиков (например, ванкомицин) через GO-PDA-Ti каркасы обеспечивает антибактериальную защиту и остеогенез [149].

Заключение

Материалы семейства графена несут значительный потенциал для регенерации кости благодаря своей антибактериальной активности, механическому усилению и способности индуцировать остеогенную дифференциацию. Однако биосовместимость остается крическим препятствием. Цитотоксичность зависит от функционализации, концентрации, размера и формы; плоские, низкоконцентрационные GFM демонстрируют лучший профиль безопасности. Необходимы долгосрочные in vivo исследования дляucidations биораспределения и путей деградации. При тщательной инженерии GFM могут быть интегрированы как каркасы, покрытия, мембраны или носители лекарств, предлагая многогранную платформу для костного ремонта следующего поколения.

Аббревиатуры

ALP:

Щелочная фосфатаза

BMP-2:

Костный морфогенетический белок-2

BMSC:

Мезенхимальные стволовые клетки костного мозга

CPC:

Кальций-фосфатные цементы

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

CXYG:

Карбоксиловый графен

DEX:

Дексаметазон

ECM:

Внеклеточный матрикс

GBR:

Направленная регенерация кости

GelMS:

Желатиновые микросферы

GNOs:

Графеновые нано-луковицы

GO:

Оксид графена

GONPs:

Нанопластинки оксида графена

GONRs:

Наноленточки оксида графена

GQDs:

Квантовые точки графена

HA:

Гидроксиапатит

HUVEC:

Эндотелиальные клетки пуповины человека

MC3T3-E1:

Муриная предостеобластная клеточная линия

MWNTs:

Многослойные углеродные нанотрубки

PCL:

Поли-капролактон

PDA:

Полидопамин

PEG:

Полиэтиленгликоль

PLGA:

Поли-гликолиновая кислота

rGO:

Редуцированный оксид графена

ROS:

Реактивные формы кислорода

SIM:

Симвастатин

SP:

Субстанция P

SPS:

Искровая плазменная спекание

Ti:

Титан

Van:

Ванкомицин

VEGF:

Эндотелиальный фактор роста сосудов

β-TCP:

β-Трикальций фосфат