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口腔医学领域石墨烯材料的应用及生物安全性分析

2020-07-16 855 上传者：管理员

摘要：石墨烯材料因其优越的性能在口腔医学领域广受学者们的关注,其研究涉及抗菌性能、成骨分化、组织工程支架、药物递送等方面。但同时,有研究表明石墨烯及其衍生物可能对细胞及器官造成一定程度的损伤,因此其生物安全性也一直受到人们的重视。本文将探讨石墨烯材料在口腔领域的应用,并对其生物安全性作一综述,为相关生物材料的研发及临床应用提供参考依据。

关键词：
成骨分化
抗菌性能
支架材料
生物安全性
石墨烯
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2004年,英国曼彻斯特大学的教授Andre和Novoselov等利用机械剥离法,以石墨(graphene)为原料得到1个碳原子厚度的单层石墨薄片,将其命名为石墨烯,并因此获得了2010年诺贝尔物理学奖,掀起科学界研究石墨烯的热潮。2008年,Liu等[1]将聚乙二醇化的纳米级氧化石墨烯用于递送不溶于水的抗癌药物,开始了石墨烯在生物医药领域的应用。近年来,石墨烯材料在口腔医学领域的研究也取得了较多的成果。本文将结合国内外文献对这些成果进行简述,并从分子、细胞以及器官系统水平对石墨烯广受关注的生物安全性作一综述,探讨其作为生物医学材料的可能性。

1、石墨烯材料在口腔医学领域的研究

1.1抗菌性能

在口腔医学领域,研究结果表明石墨烯对龋病、牙周炎及种植体周围炎主要致病菌如链球菌、牙龈卟啉单胞菌、具核梭杆菌均具有较强的抗菌作用,显微镜下见致病菌与石墨烯材料接触后,丧失原有的形态及完整性,表面出现孔洞,内容物流出,细菌死亡。随着研究的深入,石墨烯材料被添加至常用的口腔修复材料中,使得传统材料有了新的抗菌性能。Sun等[2]利用声波降解法使氟化石墨烯(FG)均匀分布于玻璃离子水门汀(GICs)中形成新型材料GICs/FG,细菌抑制实验中,GICs/FG组的细菌抑制率显著高于GICs组。在牙体缺损的树脂修复中,细菌常可通过粘接剂与牙体组织之间的微小孔隙进入健康的牙体组织,进而形成细菌生物膜,导致继发龋。为解决这一问题,Bregnocchi等[3]将石墨烯纳米薄片作为填料加入粘接剂中,结果显示,涂布新型粘接剂的离体牙表面细菌生物膜形成量比对照组减少了56%。Lee等[4]向树脂基托主要材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中加入氧化石墨烯纳米薄片,该混合材料对引起义齿性口炎的主要致病菌——白色念珠菌(C.albicans)有显著的即刻及长期(28d)抗粘附效果,从而可能减少义齿性口炎的发病率,同时细胞毒性实验结果表明这种新型材料不会对人口腔角化细胞(IHOKs)的活性产生影响。

1.2促进组织再生

大量研究显示石墨烯材料具有优异的促成骨作用,可以促进成骨细胞粘附、增殖[5]以及诱导人间充质干细胞分化为成骨细胞[6]。Liu等[7]在种植体表面羟基磷灰石涂层中添加1.0%的还原型石墨烯(rGO),该混合材料表面成骨细胞的增殖以及分化能力均强于单纯羟基磷灰石表面的成骨细胞。Li等[8]在羟基磷灰石中加入2.0%的氧化石墨烯(GO)并用于钛片表面涂层,该涂层不仅促进了L929细胞和MG63细胞的增殖,还增强了涂层与钛片的结合强度及钛片的抗腐蚀性能。另有研究在钛片表面负载单层石墨烯后,在其表面接种人骨髓间充质干细胞(hBMMSC)及人脂肪间充质干细胞(hASCs)并植入裸鼠背部皮下,8周后X线检测结果表明单层石墨烯表面骨基质的形成量高于纯钛表面,研究者认为石墨烯是种植体表面涂层及骨生物材料的理想改性材料[9]。

在组织工程学研究中,石墨烯材料及其衍生物常被添加在支架材料中以改善其机械性能或引导组织再生的能力。Dong等[10]通过电泳沉积法将氧化石墨烯薄片添加在钛酸盐纳米丝支架中,并通过调整钛酸盐支架孔隙大小及氧化石墨烯的沉积量,使得材料的杨氏模量随之变化(12.4～41.0GPa),达到了不同种植部位对材料刚性的需求。Zhang等[11]向磷酸钙水泥(CPC)支架中添加氧化石墨烯及铜离子,制成CPC/GO-Cu复合支架,该材料可激活骨髓干细胞信号通路——Erk1/2,上调转录因子Hif-1α的表达,使骨形成蛋白-2(BMP-2)及血管内皮生长因子(VEGF)分泌增加,体外实验证明这一过程显著提高了大鼠颅骨缺损处新骨形成量及血管化程度。在一项石墨烯材料促进牙周组织愈合的研究中,研究者将氧化石墨烯添加至3D打印胶原支架中,将这一材料植入比格犬Ⅱ度根分叉病变的缺损处,4周后见原缺损处充满新生的类牙骨质、类牙周韧带且牙槽骨及牙根表面有新生的Sharpey纤维相连;而未添加石墨烯的对照组根分叉处的缺损则被结缔组织和少量上皮细胞占据[12]。这表明添加GO的胶原支架不仅可促进骨再生,还能诱导牙周软组织的愈合及再生。

1.3药物递送

石墨烯材料由于含有较多的含氧官能团以及独特的sp2杂化轨道,使其在药物递送方面具有极大的应用潜能。Han等[13]为增加钛支架上富含BMP2和万古霉素的载药微球的负载量,将氧化石墨烯沉积在钛支架中,利用其极高的比表面积以及自身的官能团与载药微球之间的相互作用,将载药量从30%提高到60%。Qian等[14]利用米诺环素磷酸盐与氧化石墨烯之间π-π键和氢键的相互作用,使米诺环素磷酸盐较牢固地负载至氧化石墨烯表面,达到长期缓释、长期抗菌的预期效果。此外,有学者将石墨烯材料负载在钛种植体表面,利用石墨烯中π-π键与地塞米松(DEX)的吸附作用,将地塞米松这一成骨诱导药物负载在种植体表面,实验结果表明种植体表现出良好长效的促成骨功能,达到了促进种植体骨结合的目的[15,16]。

2、石墨烯材料的生物安全性研究

随着科学界对石墨烯材料的研究不断深入,其生物安全性也逐渐受到重视。优良材料的生物安全性是其在生物医学领域应用的前提,下面将对石墨烯材料这一性能进行阐述。

2.1分子、细胞水平

在研究石墨烯对遗传因子的影响时,Chau等[17]发现GO表面的氢键、离子键与小干扰RNA(siRNA)核苷酸链上的极性基团之间络合可致使基因沉默。将石墨烯溶液与细胞共培养后,激光共聚焦显微镜下可见石墨烯材料沉积在肌动蛋白丝、线粒体周围,致使肌动蛋白丝在细胞分裂周期中的作用受到影响,改变细胞周期,导致细胞凋亡[18];石墨烯材料与线粒体中的电子传递链接触后,可抑制Fe-S中心将Fe3+还原成Fe2+的能力,由此干扰线粒体合成ATP[19]。

Singh等[20]将GO溶液与血小板共培养后,观察到球状血小板被活化伸出类似伪足的透明丝互相接触,引起血小板聚集。Chen等[21]的研究表明GO可通过活化巨噬细胞跨膜受体,上调自噬体相关基因ActivatesMyD88和TRAF-6的转录,从而引起巨噬细胞自噬。Kang等[22]发现GO及rGO与PC12细胞共培养可使细胞形态异常、有丝分裂受阻出现多核细胞,其毒性呈时间及剂量依赖性。Mendonca等[23]在研究rGO通过血脑屏障的机制时发现乙醇化的rGO溶液可使鼠的星形胶质细胞丧失正常结构,也可破坏鼠的脑内皮细胞间的跨膜蛋白(闭合蛋白、紧密连接蛋白-5),导致细胞间连续性丧失,出现孔洞,进而侵入脑组织。

2.2器官、组织水平

Zhang等[24]用188Re对GO进行标记后,静脉注射入昆明鼠体内(10mg/kg),14d后观察到肝脏、肺、脾脏等处出现炎症细胞浸润、肺纤维化、肉芽肿等病理改变。当注射量降至1mg/kg时,各器官未观察到以上病理改变。这一研究表明石墨烯材料的体内毒性与剂量相关。Syama等[25]给小鼠腹腔及静脉注射乙醇化rGO,7d后在大脑皮层中检测出乙醇化rGO,提示该材料可通过血脑屏障进入脑组织。Zhang等[26]连续5d给小鼠填喂60mg/kg纳米rGO,实验鼠体重、体温、器官系数、本能行为与对照组无差别,但移动能力、神经肌肉协调能力相比对照组降低,提示大剂量石墨烯材料可能对神经系统有短期毒性作用。

综上所述,石墨烯材料一般是在短时间、大剂量且以溶液形式与细胞或生物体直接接触时才会表现出毒性,这与其在口腔医学领域应用的方式显然是不同的。无论作为填料加入修复材料和组织支架还是作为涂层材料附着在植入体表面,石墨烯材料与口腔内组织的相互作用都是一个长期、微量、慢性的过程,因此目前多数研究结果表明,石墨烯材料在口腔医学领域的应用尚未表露出明显的生物安全问题。

3、结论与展望

石墨烯材料因其优良的性能得到了广泛重视,关于其在口腔医学领域应用的研究也日益增多,其抗菌性能、诱导干细胞成骨分化能力、促进牙周软硬组织再生能力、递送药物能力等方面均已得到证实。但要将石墨烯材料安全地应用于临床,还需要进行一系列深入的研究,包括:(1)具体研究石墨烯材料对每一种细胞器的影响及可能引起的后果;(2)选用口腔内的多种细胞、组织进行毒性实验,并根据不同的需求选出石墨烯材料适宜的负载量及负载方法,确保其有良好的生物安全性;(3)体外实验环境与体内真实环境有较大差别,筛选出的石墨烯材料仍需进行全面的、长期的体内毒性实验,才能为其安全应用提供理论依据和科学指导。

王楠,周延民.石墨烯材料在口腔医学领域的应用及生物安全性研究[J].口腔医学研究,2020,36(05):410-412.

基金:国际科技合作项目(编号:2018KJT084);吉林省卫生厅项目(编号:2018J074)