随着世界人口老龄化的加剧，各类骨骼系统疾病的发生率也越来越高。在骨骼肿瘤、创伤、畸形、退变等疾病发生、发展及治疗过程中会造成各种程度的骨缺损。虽然大多数情况下，骨骼可以再生修复。然而，当患者出现严重的病理性骨折、巨大缺损或伴有植骨区血供不佳时，损伤程度便会超过自身的修复能力，需要进行额外的临床治疗[1]。目前，修复骨缺损的金标准是使用自体或异体骨移植。然而自体骨移植存在着需要二次手术、供骨区严重损伤等风险，异体骨移植又存在着排异反应、移植物缺乏骨诱导性等缺点。
在临床需求的驱动下，骨组织工程应运而生。利用骨组织工程进行骨缺损组织重建时，需要合适的填充材料代替缺失的骨质。骨组织工程支架能与骨组织活体细胞结合并植入体内，是骨组织工程中不可或缺的一部分。支架的加工对于再生工程非常重要，目前，有越来越多的科学文献报道将碳纳米管(CNTs)作为骨组织工程支架的基底材料[2]。在颌骨再生医学中，2002年就有研究表明，聚乳酸-碳纳米管复合材料增强了成骨细胞的增殖[3]。随后，有研究表明，碳纳米管-聚氨酯复合材料可以改善成骨细胞的粘附[4]。CNTs是一种具有生物相容性的材料，可以增强细胞的成骨特性，并保持机械强度，从而可能产生比自体移植骨更好的效果。
1.碳纳米管在骨组织工程和再生医学中的应用
1.1骨组织工程中的碳纳米管
CNTs由碳分子组成，通过sp2键相互结合，是一种碳同素异形体。CNTs 可被视为圆柱形纳米颗粒的石墨烯薄片，可分为单壁碳纳米管（Single-walled carbon nanotubes，SWCNTS）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）。一般来说，SWCNTS呈紧密排列的六边形，直径为0.4~3.0nm，长度为20~1000nm；MWCNTs的结构与多层石墨烯相同，直径比SWCNTS大，在2nm到100nm之间。MWCNTs 可以氧化和聚集rhBMP-2，刺激碱性磷酸酶、Cbfa1 以及 COLIA1 的活化，从而促进人脂肪间充质干细胞的骨向分化。然而，天然 CNTs 支架的轴向强度、抵抗力和弹性模量远大于骨组织，因此通常需要将 CNTs 与其他材料整合，才能发挥其独特的机械、物理和表面性能，从而提高复合材料的整体物理化学特性和细胞黏附强度。在骨组织工程支架中复合了CNTs之后，表现为细胞与酶蛋白的有效结合增强，促进了干细胞的骨向分化，并对羟基磷灰石的矿化有协同作用，从而促进了骨再生。
1.2再生医学中的碳纳米管
CNTs 的功能和形态特征对设计骨植入材料具有重要意义。CNTs由于非极性共价键和亲脂性而具有疏水性。大量研究表明，官能化可改善碳纳米管的外观。共价官能化在纳米粒子表面形成新的氢键，以获得特定的化学反应，如氢化、氧化或烷基化。可将共价官能化的 CNTs 融入不同的复合材料中，制备出稳定性更高、分散性更强、亲水性更好的碳基聚合物材料。
尽管纳米纤维在组织工程中具有潜在的应用价值，但其毒性不容忽视。纳米材料可通过产生活性氧而影响细胞，并通过免疫反应和慢性炎症导致细胞凋亡。先前的研究还表明，纳米材料的尺寸、表面积、组合、加工条件和光催化过程中的杂质均会影响纳米粒子在生物体内的细胞毒性和行为。已有研究表明纳米粒子的直径和长度对其毒性有很大影响。与较短的 CNTs 相比，较长的 CNTs在组织和器官中更容易引发免疫反应和肉芽肿。单壁管的细胞毒性大于多壁管的细胞毒性。较小的多壁碳纳米管的毒性高于较大的多壁碳纳米管。聚乙二醇（PEG）-MWCNT 复合材料就表现出良好的生物相容性：PEG-MWCNT 对 DNA 的损伤就是微乎其微的[5]。
2.碳纳米管聚合物在骨组织工程和再生医学中的应用
2.1碳纳米管天然聚合物的应用
纤维蛋白、壳聚糖、纤维素和透明质酸等天然聚合具有优异的生物活性和高导电性，已被广泛用于骨组织工程支架中。然而，难以控制的降解性和较低的机械稳定性限制了它们的使用。将碳纳米管添加到这些聚合物当中，可以通过产生稳定的氢键来增加该类聚合物的使用范畴。目前，碳基天然聚合物复合材料在骨组织工程中的应用已经取得了一定进展。
壳聚糖是一种多糖，由于其较好的生物相容性、降解性和抗菌活性，在组织工程中的应用十分广泛。研究表明，当 1 wt% 的 MWCNTs 在壳聚糖介质中均匀分布时，其弹性模量和抗压强度均有所提高。同样，研究表明仅混合了0.8 wt% MWCNTs 的壳聚糖体系,其拉伸模量从1.08 GPa提升到2.15 GPa ；拉伸强度从37.7 MPa 大幅度提高到 2.15 GPa[6]。从生物学角度看，壳聚糖-CNTs 复合材料具有无毒性，并能促进干细胞向成骨方向分化。在一项将壳聚糖-CNTs膜植入颅骨缺损大鼠的实验研究中显示，这种聚合物在五周内不会引起慢性炎症反应。另一项研究中[7]，MWCNT 被集成到壳聚糖基纳米纤维中，并作为涂层运用，研究证实该涂层增强了骨骼植入物的抗菌活性。
2.2碳纳米管合成聚合物的应用
大型可降解聚合物可作为组织工程支架的基底材料。然而，由于这些材料的机械强度弱、骨诱导能力低、应用复杂，它们在修复骨组织缺损中的应用受到限制。CNTs材料已被用作增强材料，将其物理化学特性与合成纳米材料特性相结合，可获得最终的骨组织再生复合支架。
聚己内酯（PCL）是一种高度结晶状的聚合物，具有良好的生物相容性、耐用性、溶解性和易制造性，通常用作骨组织工程支架的基底材料。然而，PCL具有疏水性高、细胞亲和力弱、生物利用率低以及承载力不足等缺点。含有其他成分（如碳纳米管）的结构可用于克服这些局限性。例如，通过挤压式3D打印技术可打印出孔隙均匀分布的、由 PCL 和 MWCNTs 制成的骨组织工程支架[8]。聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）是最常见的合成材料之一，在 PLGA 中添加CNTs有助于克服其不良的机械特性。科学家研究表明，CNTs-PLGA支架的抗压性能及弹性模量相较于纯PLGA 支架有大幅提高，同时它还显示出极大的促进细胞黏附、增值及矿化的潜能。
3.前景和挑战
CNTs 具有出色的生物活性，在骨组织工程和再生医学中用于增强生物化学、机械和电活性等方面的应用前景广阔，将在许多生物制造中发挥巨大作用。 CNTs已正开始成为一种杰出的材料，为骨细胞的再生和骨组织重建提供新的思路。然而，要从探索性发现过渡到临床应用，还需要克服许多困难。前瞻性再生医学解决方案可能涉及多个方面，以全面控制其统一化、追踪和组织工程的长期稳定性。但 CNTs也存在一些限制其医疗应用的缺点。例如，目前亟需评估和评价 CNTs毒性、致癌性和致畸性的技术和工艺。其次，碳纳米管的毒性、致癌和致畸效应与其暴露剂量和暴露时间有关。由于通常只使用微量的 CNTs，因此它们被贴上了无毒的标签。然而，碳纳米管毒性的生物累积性已被证实。任何在体内使用的 CNTs 都可能被吸收并对细胞产生毒副作用，或对生殖器官和婴儿产生负面影响。因此，在使用有可能导致生物累积的 CNTs 之前，应该采取预防措施。
第一作者：李瑛琦，西安医学院在读本科生；研究方向：骨组织工程
通讯作者：曾辉，副教授；研究方向：骨组织工程
