生物活性玻璃/石墨烯纳米复合膜的可控制备与性能研究

Regulation of cell function and differentiation by characteristics of scaffolds plays a key role in tissue engineering. The graphene (GNS), a kind of prospective scaffold with high surface ratio and excellent bone conductivity, is reported not possess bone inductivity and biological degradability. The purpose of this study is set to modify the bioactivity of graphene by doping bioactive glass (BG) nanoparticles (BG) on the surface. The process and technique BG/GNS composite membranes synthesized is to be optimized to achieve a kind of new scaffold with both bone conductivity and bone inductivity. The mechanism of functional groups regulation and BG nanoparticles growth on the GNS surface are to be analyzed, the mechanical properties and the biomineralization properties of BG/GNS composite membranes are to be improved, and the relationship between BMSCs cell behavior and physical features of membranes is to be established. Therefore, the results of this study are supposed to provide theoretical guidance and basic data for further application of BG/GNS composite membranes in the field of bone tissue engineering.

利用支架材料微环境特征实现对细胞功能与分化的调控是组织工程的核心关键。石墨烯纳米材料具有超高比表面积与良好骨引导活性，是一种具有潜力的生物支架材料，但由于缺乏骨诱导活性与生物崩解性，限制了其在生物医学领域的广泛应用。针对这一问题，本项目提出采用生物活性玻璃纳米粒子进行石墨烯纳米材料表面接枝，制备兼具骨引导性与骨诱导性、结构均匀、性能可调的新型生物活性玻璃/石墨烯组织工程支架材料，阐明石墨烯纳米片表面官能团及表面生物活性玻璃纳米粒子生长及形貌的调控机制，优化生物活性玻璃/石墨烯纳米复合膜的机械性能与生物矿化性能，并构建纳米复合膜组分、结构、表面官能团、表面电荷等微环境特征与成骨相关细胞生物行为之间的相互关联，为其在骨组织工程领域的应用提供理论指导和基础数据。

本项目按计划顺利进行，研究结果达到预期目标。完成了石墨烯（GNS）氧化物纳米片的精细制备及其表面官能团的调控机制研究，通过优化了Hummer’s法制备石墨烯氧化物纳米片过程中，氧化剂浓度、反应温度、反应时间等工艺参数，制备出梯度氧化状态石墨烯纳米片；完成石墨烯氧化物纳米片对生物活性玻璃（BG）纳米粒子生长及形貌的调控机制研究，通过解析表面改性方法、热处理温度、时间等工艺参数对BG纳米粒子在GNS纳米片表面分布、生长的影响规律。所获得的生物活性玻璃修饰石墨烯与骨髓间充质干细胞BMSCs共培养，发现该材料可以显著促进细胞粘附、增殖以及成骨分化，具有良好的生物相容性和结构适用性，具有用于临床的引导组织/骨再生治疗的潜能，有望成为新一代纳米复合生物材料。发表SCI论文3篇，培养硕士研究生2名，1人晋升副主任医师，1人晋升副教授。