利用单层石墨烯的抗菌和促成骨作用改良种植体颈部的设计

Graphene is a one atom-thick sheet of carbon atoms arranged in a 2D honeycomb stucture with excellent properties. Therefore, it has attracted much interest from various scientific fields. Recently, many studies focus on the biological effects of graphene especially the anti-bacterial and osteoinductive effects. However, there are still many problems to be solved. For examples, the mechanism of the osteoinductive effect of graphene remains unclear and the translational application of graphene needs to be explored. The aims of this study are: to investigate the effects of titanium surface covered with graphene on the cell attachment, proliferation and osteo-differentiation; to explore the mechanism of the osteoinductive effect of graphene; to test the in vivo performance of the titanium implant modified by gbraphene. Through this study, we want to find a solution to the problem of the chronic infection and bone resorption around implant neck using the anti-bacterial and osteoinductive effects of graphene. This study will provide a new method of the modification of implant neck and facilitate the translational application of graphene.

石墨烯是由单层碳原子在二维平面以蜂巢结构进行排列形成的一种独特材料，具有很多优异性能，已引起多个学科的广泛关注。近年来，石墨烯的生物学性能，尤其是抗菌和促进成骨的作用逐渐受到重视。但是，若要利用此材料的优异性能服务于临床，仍有一些关键问题亟待解决，包括：石墨烯促进成骨的机制尚不清楚；尚需寻找合适的应用模型作为石墨烯向临床转化的突破口。本项目计划以单层石墨烯被覆的钛表面作为切入点，通过体外、体内实验逐步深入地研究其抗菌作用及对干细胞贴附、增殖和成骨向分化的影响，并且探索其促进成骨的内在机制。在此基础上，拟进一步应用单层石墨烯改良种植体的光滑颈部，并检测其体内应用的效果，力求充分利用石墨烯的抗菌和促进成骨的作用，解决种植体颈部易发生感染和骨吸收的临床问题。如果本项目能够顺利开展，将为种植体颈部的设计提供一种新方案，填补我国在种植体基础研发方面的不足，同时也将为石墨烯的临床应用找到一个突破口。

当今，种植牙的广泛应用极大地改善了广大缺牙患者的生活质量。但是种植牙的设计还有很多需要改善的方面，其中，种植体颈部从牙槽骨穿通至牙龈，与口腔复杂的细菌环境接触，是种植体易发生感染和骨吸收的薄弱部位。因此，种植体颈部应同时具备促进骨整合、提供牙龈附着和抗菌的能力。近年来，石墨烯及其衍生物在促进细胞黏附、增殖、成骨分化等方面的潜力受到了广泛的关注，此外也有文献报导过石墨烯的抗菌作用。因此，种植体颈部自身的局限性有望通过石墨烯潜在的促成骨和抗菌能力得以解决。众所周知，钛是目前临床中应用最广泛的种植材料，已有研究表明，利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可成功将单层石墨烯转移至钛表面。在本课题组以往研究的基础上，通过本项目的实施，我们明确了在光滑钛表面制备单层石墨烯最优方法；明确了单层石墨烯被覆的钛表面对细胞贴附、增殖和成骨向分化的作用；检验了单层石墨烯被覆的钛表面的抗菌作用；明确单层石墨烯被覆的钛表面在体内促进成骨的能力，并通过体外实验筛选，体内实验验证的方法揭示单层石墨烯促进成骨的机制；最终证明了经单层石墨烯改良后的钛表面在体内的促进成骨效果和相关机制。同时，我们还发现通过一定程序的热处理，石墨烯在钛表面的黏附强度可以显著提高，并且热处理不会影响钛基底石墨烯良好的促进细胞黏附、成骨分化能力和抗菌作用，更适用于未来的临床需求。在本项目的资助下，课题负责人以第一作者和通讯作者身份发表SCI论文5篇，且均标注了受本项目资助；申请专利1项，目前在实质审查阶段；培养研究生9人，已经毕业5人；参加国内、国际会议3次；获北京市科技奖三等奖1项。通过项目的实施，推进了课题组研究的进展，取得了丰硕的研究成果，为国内外相关领域的研究提供了重要参考，培养了研究团队，比较圆满的完成了各项相关任务。