石墨烯修饰促进人工韧带PET材料表面生物化研究

Artificial ligaments (ALs) play an important role in treating knee joint instability and preventing degeneration of knee joint. The successful repairing depends on the permanent and stable conjunction between surface-modified ALs and host tissues. However, the current surface-modification methods have side effects on the structure and strength of ALs materials and have poor treatment effects. As a two-dimensional nanoscale material made of sp2 carbon atoms, graphene displays many good properties in thinkness, surface activity, conductivity and plasticity. Furthermore, graphene is observed to be able to enhance the adhesion, proliferation and osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs). We suppose the outstanding surface activity and electrical conductivity of graphene could be the leading reasons for the pre-mentioned phenomena. In order to test this hypothesis, we first plan to investigate the effects of graphene-modification on the physical and chemical properties the PET fibers invented by us. Afterward we will investigate the effects of the graphene-modified PET fibers on the adhesion, proliferation and osteogenic proliferation of seeding cells and its related mechanism. Finally, we will further study the effects and related mechanism of ALs made by graphene-modified PET fibers on cellular adhesion, proliferation and healing to host tissues by Atomic particles microscopy, patch clamp, calcium imaging and gene arrays. The performance of these studies will contribute great to prepare a graphene-modified AL with independent intellectual property.

人工韧带是治疗膝关节不稳、防止膝关节退变的重要方法，其中韧带材料通过表面修饰能否与宿主组织形成长期稳定的生物愈合是关键。现行修饰方法影响材料的结构和强度，应用效果并不理想。石墨烯是sp2碳原子组成的二维纳米材料，仅单个碳原子厚度，表面活性和导电性好，其薄膜能均匀牢固贴附于材料表面。课题组前期研究发现石墨烯独特的纳米结构能促进骨髓基质干细胞的黏附、增殖和成骨分化，据此提出设想：使用石墨烯表面修饰人工韧带材料，以期在不破坏韧带材料力学和结构前提下提高其生物活性。为此，课题组以自主研制PET微孔编织韧带为基础，研究石墨烯纳米薄膜的生成以及对PET材料的表面修饰过程，通过原子粒显微镜、膜片钳、钙成像、基因芯片以及动物实验等方法研究经石墨烯修饰的PET韧带及其编织结构的生物相容性以及其对骨髓基质干细胞黏附、增殖和成骨分化的影响，并揭示相关机制。本研究的开展将对自主研发人工韧带奠定重要的基础。

人工韧带是治疗膝关节不稳、防止膝关节退变的重要方法，其中韧带材料通过表面修饰能否与宿主组织形成长期稳定的生物愈合是关键。现行修饰方法影响材料的结构和强度，应用效果并不理想。石墨烯是sp2碳原子组成的二维纳米材料，仅单个碳原子厚度，表面活性和导电性好，其薄膜能均匀牢固贴附于材料表面。课题组前期研究发现石墨烯独特的纳米结构能促进骨髓基质干细胞的黏附、增殖和成骨分化，据此申请人于2014年在国家自然科学基金面上项目资助下按照任务书的要求和时间节点分别开展了下列研究：（1） 不同类型和层厚的石墨烯涂层对 PET 材料表面活性、导电性、力学特性、表面结构等理化特性的影响；（2）研究不同修饰方式对细胞黏附、增殖和分化等生物学行为的影响；（3）研究石墨烯促进细胞黏附、 增殖和诱导 BMSCs 成骨分化的机制；（4）研究石墨烯修饰 PET 微孔编织人工韧带的生物学作用。本课题的创新点在于：石墨烯作为表面涂层材料在不改变PET人工韧带的结构和强度的基础上，明显的提高了韧带的表面活性和生物相容性。使得石墨烯修饰的PET人工韧带更有利于骨髓细胞的粘附，增殖和成骨分化，促进骨隧道的愈合，并通过实验探讨了其相关机制。本研究进展顺利，已按任务书要求完成所有研究内容，获得国家发明专利1项，发表SCI论著4篇、中文论著9篇，培养硕士研究生10名，博士2名，均已顺利毕业。