Materiais da família de grafeno na regeneração do tecido ósseo:perspectivas e desafios

Resumo

Nos anos atuais, testemunhamos avanços abundantes na pesquisa sobre as bioaplicações dos materiais da família do grafeno. Devido ao seu tamanho em nanoescala, grande área de superfície específica, propriedades de fotoluminescência e atividade antibacteriana, os materiais da família do grafeno possuem um enorme potencial para engenharia de tecido ósseo, entrega de drogas / genes e aplicações de detecção / imagem biológica. Nesta revisão, fazemos uma retrospectiva do progresso e conquistas recentes na pesquisa do grafeno, bem como analisamos e discutimos criticamente a biossegurança e a viabilidade de várias aplicações biomédicas de materiais da família do grafeno para regeneração de tecido ósseo.

Introdução

Vítimas de infecção maxilofacial grave, trauma, tumor e deformidade congênita que sofrem de defeitos nos ossos da mandíbula, geralmente requerem convalescença prolongada. Ao contrário de muitos outros tecidos, o osso tem uma excelente capacidade de se regenerar quando danificado [1, 2]. No entanto, a capacidade limitada de autorregeneração do esqueleto humano torna a reconstrução de defeito ósseo grande o suficiente ou de tamanho crítico um desafio significativo para a terapia clínica [3]. Em alguns casos, os pacientes graves ainda precisam de extensas cirurgias de aumento ósseo. As terapias atuais para regeneração óssea consistem em autoenxerto, aloenxerto e xenoenxerto [4]. O osso autólogo é considerado o material de enxerto ósseo “padrão ouro”, com capacidade de osteocondução, osteoindução e osteogênese, também sem imunogenicidade. Mas as razões pelas quais o autoenxerto ainda é limitado para uso clínico são o risco de infecção do doador e o longo tempo de recuperação [5]. O aloenxerto, obtido de outro indivíduo, é frequentemente considerado a próxima melhor opção. Mas o uso de aloenxerto apresenta riscos potenciais, como risco dramaticamente aumentado de infecção e rejeição imunológica [4, 6]. Materiais de xenoenxerto, como matriz óssea desmineralizada digerida com ácido e colágeno bovino, são facilmente obtidos e fabricados. Agora, o xenoenxerto é uma abordagem principal na prática clínica. Porém, possui baixa capacidade osteoindutiva [7]. Atualmente, em comparação com o osso, não existem substitutos ósseos heterólogos ou sintéticos que tenham propriedades superiores ou mesmo as mesmas propriedades biológicas ou mecânicas [5]. Embora essas terapias tenham se mostrado úteis, elas sofrem de desafios inerentes. Portanto, uma terapia adequada de regeneração óssea ainda precisa ser pesquisada e desenvolvida. Reconhecidamente, a pesquisa em engenharia de tecido ósseo e medicina regenerativa abre caminhos para melhorar os resultados e acelerar a recuperação de pacientes com defeito ósseo [8]. Construções ósseas com engenharia de tecidos têm o potencial de aliviar a demanda decorrente da escassez de materiais adequados para autoenxerto e aloenxerto para aumentar a consolidação óssea [9]. Para aumentar o volume ósseo em áreas de defeitos ósseos, uma variedade de métodos para regeneração óssea foram desenvolvidos, incluindo scaffolds [1, 6], revestimentos [10] e membranas de barreira para regeneração óssea guiada (GBR) [11, 12].

Atualmente, o potencial dos materiais da família do grafeno tem captado tremenda atenção como revestimento plano 2D ou andaimes porosos 3D para a diferenciação de vários tipos de células-tronco em direção a neurogênica [13,14,15], condrogênica [16, 17], miogênica [18] , linhagens adipogênicas [19] e osteogênicas [20, 21]. Assim, os materiais da família do grafeno são mais propensos a ser um candidato a ser escolhido para os próximos materiais de regeneração óssea. Grafeno, definido como uma ou algumas camadas de sp ² -hibridizados átomos de carbono, primeiramente foi isolado da grafite por Novoselov e Geim em 2004 [22]. Com os crescentes interesses de pesquisa, os materiais da família do grafeno, incluindo óxido de grafeno (GO), carboxil grafeno (CXYG), óxido de grafeno reduzido (rGO) e pontos quânticos de grafeno (GQDs), são amplamente estudados. O grafeno possui propriedades excepcionalmente mecânicas, condutoras, térmicas e ópticas [23,24,25], que têm sido amplamente aplicadas em eletrônica, biotecnologia e ciência de polímeros [26]. É reconhecido que materiais condutores com condutividade promissora aumentam as atividades celulares e estimulam a reparação do tecido ósseo [27, 28], exibindo também boa atividade antibacteriana [29]. O óxido de grafeno (GO) e o carboxil grafeno (CXYG) são ambos derivados do grafeno. Devido à presença de grupos funcionais oxigenados (grupos epóxido, carboxila e hidroxila), GO e CXYG apresentam melhor dispersão em solventes hidrofílicos, o que é essencial para aplicações biomédicas [30, 31]. O óxido de grafeno reduzido (rGO) pode ser sintetizado pela redução do GO com agentes redutores específicos sob certas condições. Graças à redução de algumas interações químicas π-π especiais, rGO possui certas propriedades físicas e químicas melhores que o grafeno e GO [32, 33]. A matéria-prima dos pontos quânticos de grafeno (GQDs) é GO. GQDs têm fortes confinamentos quânticos e propriedades de fotoluminescência [34]. A forte fluorescência dos GQDs os torna úteis em imagens celulares. Devido às excelentes propriedades dos materiais da família do grafeno, eles possuem um enorme potencial para entrega de drogas / genes, aplicações de detecção / imagem biológica e engenharia de tecidos [35,36,37,38,39]. No entanto, ainda existem desafios quanto à biossegurança a longo prazo e capacidade de induzir a diferenciação osteogênica das células de materiais da família do grafeno. Aqui, revisamos o progresso e as conquistas recentes de forma abrangente no grafeno e seus derivados. Simultaneamente, analisamos criticamente a biossegurança in vitro e in vivo e discutimos a viabilidade de várias aplicações biomédicas de materiais da família do grafeno para regeneração de tecido ósseo.

Desafios para determinar a biossegurança dos materiais da família do grafeno

Desafios para determinar a biossegurança in vitro

Antes que os materiais da família do grafeno sejam considerados para ensaios clínicos, eles devem ser avaliados rigorosamente por sua citotoxicidade e biocompatibilidade [38]. “O grafeno é um material biocompatível?” A resposta ainda é controversa. O grafeno bruto sem qualquer funcionalização é hidrofóbico e facilmente aglomera em meio aquoso [34, 40]. Em superfícies hidrofóbicas, uma densa camada de proteínas inespecíficas pode deslocar a água da superfície e se acumular imediatamente nos materiais, resultando em um reconhecimento imunológico das nanopartículas [41]. Assim, a funcionalização química, incluindo oxidação, redução e introdução de grupos funcionais, é um pré-requisito para o grafeno usado em aplicações biomédicas, que aumentam a hidrofilicidade do grafeno. Materiais da família do grafeno com diferentes funcionalidades, possuindo diferentes propriedades químicas, exercem diferentes toxicidades [13]. Soumen et al. descobriram que rGO era menos tóxico do que GO. Foi interessante ver que o estresse oxidativo aumentou com uma extensão crescente da densidade do grupo funcional do oxigênio na superfície do rGO. Eles concluíram que a densidade do grupo funcional na folha GO foi um dos principais fatores na mediação da citotoxicidade celular [31]. Além da funcionalização da superfície, a citotoxicidade dos materiais da família do grafeno foi influenciada por vários fatores, incluindo sua concentração, tamanho e forma [42].

Em primeiro lugar, algumas pesquisas demonstraram que os materiais da família do grafeno tinham citotoxicidade dependente da dose com ou sem citotoxicidade dependente do tempo. Por exemplo, Chang et al. relataram que uma leve perda de viabilidade celular foi observada em alta concentração de GO (≥ 50 μg / mL) e GO pode induzir acúmulo intracelular e causar um estresse oxidativo dependente da dose em uma linha de células epiteliais de carcinoma pulmonar (A549) [43]. Wei et al. demonstraram que o GO original inibiu a proliferação de células-tronco mesenquimais ósseas (BMSCs) em uma concentração elevada de 10 μg / mL, enquanto aumentou a proliferação de BMSCs em uma concentração baixa de 0,1 μg / mL [44]. Da mesma forma, um número reduzido de células foi observado claramente com 200 μg / mL de GO e um maior efeito de citotoxicidade foi relatado com 300 μg / mL de GO [45]. Além do mais, Kim et al. descobriram que as viabilidades dos pré-osteoblastos (MC3T3-E1) foram ligeiramente afetadas por rGO em concentrações <62,5 μg / mL, mas foram significativamente ( p <0,05) diminuiu em concentrações mais altas (≥ 100 μg / mL) [23]. Além disso, CXYG e GQDs mostraram pouco potencial citotóxico quando aplicados em baixas concentrações [34, 46]. Simplificando, os materiais da família do grafeno são citocompatíveis em baixa concentração com pouca influência negativa na morfologia celular, viabilidade e proliferação, mas a concentração não é o único fator pertinente.

Em segundo lugar, é indicado que as diversas formas, como camada, nanofolhas e flocos, fitas e pontos, também contribuem para a complexidade da citotoxicidade da família do grafeno [40]. Talukdar et al. avaliou a citotoxicidade de nanopartículas de grafeno (GNOs), nanofitas de GO (GONRs) e nanoplacas de GO (GONPs). O CD ₅₀ os valores seguiram a tendência GNOs> GONRs> GONPs, indicando que GONRs foram mais citotóxicos em comparação com GONPs [47]. Assim, a forma dos nanomateriais da família do grafeno também é um componente chave na mediação da citotoxicidade. Por exemplo, grafeno e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWNTs) têm formas diferentes (folhas atômicas planas para grafeno e tubulares para nanotubos), mas sua composição química e estrutura cristalina são semelhantes. GO não mostrou a atividade inibitória do crescimento celular de células SK-N-SH até 50 μg / mL. Em comparação, os MWCNTs inibiram a proliferação da célula em baixa concentração (6,7 μg / mL), indicando sua citotoxicidade aguda. Para células HeLa, GO exibiu atividade inibitória de crescimento menor, mesmo em concentração de até 50 μg / mL, enquanto MWCNTs teve citotoxicidade moderada em células HeLa [48]. Eles dependiam desse fenômeno de suas diferentes formas e variadas maneiras físicas / químicas. Esperava-se que os materiais da família do grafeno tivessem pouca interação com as membranas celulares por causa das formas planas. O formato tubular dos MWCNTs promoveu a penetração das membranas, resultando na citotoxicidade [48,49,50]. Outra informação importante é que a citotoxicidade dos derivados nanoestruturados do grafeno também depende do tipo de célula, além da dependência da funcionalização, concentração, tamanho e forma. Como uma linha celular neural, as células SK-N-SH exibiram mais sensibilidade do que as células HeLa aos efeitos adversos dos derivados nanoestruturados do grafeno [48].

Em terceiro lugar, o tamanho também desempenha um papel importante na biossegurança dos materiais da família do grafeno. Yoon et al. avaliaram o efeito citotóxico dependente do tamanho de nanoflocos de grafeno por meio de um biossensor de impedância eletroquímica baseado em células. Eles descobriram que os nanoflocos de grafeno menores (30,9 ± 5,4 nm) induziram a apoptose devido à maior captação pelas células, enquanto os nanoflocos de grafeno maiores (80,9 ± 5,5 nm) que se agregaram principalmente nas membranas celulares causaram menos toxicidade [51]. É bem conhecido que as propriedades de captação celular dos nanomateriais podem influenciar a proliferação celular, diferenciação e excreção de nanopartículas [52]. Mu et al. elaboraram os prováveis mecanismos de captação dependentes do tamanho de nanofolhas GO revestidas com proteína e observaram que nanofolhas maiores (860 ± 370 nm) primeiro se fixaram na superfície da célula seguida pela invaginação da membrana, estendendo-se de pseudópodes e finalmente entraram nas células principalmente por fagocitose, enquanto nanofolhas menores ( 420 ± 260 nm) entrou nas células predominantemente por meio de endocitose mediada por clatrina [33]. Das et al. semear células endoteliais da veia umbilical humana (HUVEC) em 10 μg / mL de GO e rGO com folhas de tamanhos diferentes (800 nm e 400 nm). Os resultados mostraram que as folhas de tamanho menor eram mais tóxicas do que as maiores no ensaio de MTT. E então, o GO e o rGO de tamanho maior (800 nm) foram submetidos à ultrassonografia para serem quebrados em tamanhos menores (70 nm). Aumento da citotoxicidade foi observado após ultra-som, indicando que GO e rGO de menor tamanho exibiram mais toxicidade [31]. Da mesma forma, as células MCF7 foram expostas a quatro amostras de tamanho de GO (744 ± 178 nm, 323 ± 50 nm, 201 ± 28 nm e 100 ± 10 nm). Em comparação com as células não tratadas, nenhuma citotoxicidade foi observada in vitro, mesmo após 72 h de exposição às dispersões de GO de tamanho maior (744 ± 178 nm), enquanto o tratamento com dispersões de GO de 100 ± 10 nm resultou em uma diminuição na proliferação celular para aproximadamente 50% das células não tratadas [53]. A partir dos resultados acima, uma ampla gama de tamanhos de materiais da família do grafeno foi pesquisada, de 30 a 860 nm. E parece que chegamos à conclusão de que os materiais menores da família do grafeno são mais tóxicos do que os maiores. Mas uma equipe diferente tem um padrão diferente para definir a escala de tamanho do grafeno e seus derivados. Portanto, essa conclusão pode ser discutível. Enquanto isso, foi relatado que os materiais da família do grafeno de tamanho nano eram muito mais seguros para aplicações biomédicas [54]. A síntese de controle de tamanho de materiais da família do grafeno precisa ser considerada com prudência em pesquisas subsequentes.

Conclui-se que a citotoxicidade do grafeno está criticamente relacionada à variedade da família do grafeno, funcionalização química, concentração, forma e tamanho. No futuro, pretendemos fabricar dispositivos biocompatíveis com melhores interações com células, tecidos ou organismos por meio de melhor controle de concentração e tamanho, modificando a família do grafeno com vários tipos de grupos funcionais.

Desafios para determinar a biossegurança e a biodistribuição in vivo

A fim de detectar ainda se os materiais da família do grafeno são biocompatíveis e para melhorar o uso proposto em aplicações generalizadas, o experimento in vivo é um método indispensável. Muitas pesquisas sobre biocompatibilidade e biodistribuição de materiais da família do grafeno in vivo são quase consistentes com seus estudos celulares. Chowdhury et al. aplicou embrião de peixe-zebra a dispersões de GO de tamanho maior e não encontrou aumento da mortalidade embrionária em comparação com o grupo de controle, enquanto a viabilidade do embrião reduzida foi observada nas dispersões de GO de menor porte [53]. GO não levou a um aumento significativo de apoptose no embrião, enquanto MWCNTs resultou em graves defeitos morfológicos em embriões em desenvolvimento, mesmo em concentração relativamente baixa de 25 mg / L [48]. Esses estudos indicaram ainda que a toxicidade in vivo depende muito dos tamanhos, concentrações e formas do grafeno e seus derivados. Além disso, os materiais da família do grafeno são geralmente expostos a modelos animais por meio de injeção intravenosa, inalação ou implantação subcutânea. Assim, as mudanças na toxicidade, histologia geral e biodistribuição são variáveis. Li et al. avaliaram a toxicologia do GO em nanoescala em camundongos por meio de injeção intravenosa e descobriram que o GO foi retido principalmente no fígado, pulmão e baço e danos induzidos, hepatite crônica e fibrose pulmonar. Um revestimento de GO (GO-PEG) com polietilenoglicol (PEG) poderia reduzir a retenção de GO no fígado, pulmão e baço e aliviar as lesões agudas do tecido [55]. Duch et al. exploraram estratégias para reduzir o efeito tóxico dos nanomateriais de grafeno no pulmão porque descobriram que o GO tinha maior toxicidade do que o grafeno agregado e o grafeno disperso com Pluronic quando administrado diretamente nos pulmões de camundongos, induzindo lesão pulmonar grave e persistente. A toxicidade foi significativamente moderada pela fabricação de grafeno puro por meio de esfoliação em fase líquida e foi ainda mais minimizada quando disperso com o copolímero em bloco Pluronic [56]. Zha et al. identificou a toxicidade in vivo de curto prazo (primeiras 2 semanas pós-implantação) e longo prazo (7 meses) e desempenho de espumas de grafeno 3D (GFs) ou espumas de óxido de grafeno (GOFs) em um modelo de rato de implantação subcutânea. A análise de sangue mostrou que GFs e GOFs não induziram toxicidade hematológica, hepática ou renal apreciável após a implantação e nenhuma degradação significativa foi observada após pelo menos 7 meses de implantação. Observou-se apenas granulomas há muito tempo no local da implantação. Imagens coradas com HE mostraram melhor biocompatibilidade in vivo (Fig. 1) [40]. A razão pela qual Zha et al. obtiveram resultados mais positivos do que outros estudos, pois provavelmente são as diferentes vias de administração. O experimento subcutâneo foi a maneira muito direta e eficaz de avaliar a biocompatibilidade in vivo dos materiais implantados [57], o que pode exercer um efeito sobre os padrões de contato, locais de depósito e até mesmo as vias de degradação dos nanomateriais da família do grafeno in vivo [58]. O controle da degradação dos compósitos é de vital importância na engenharia de tecidos,

Imagens representativas coradas por HE dos principais órgãos (região de implantação, fígado e rim coletados de ratos) implantados com espumas de grafeno, espumas GO ou nada no dia 14 pós-implantação. Nenhum dano ou lesão de órgão óbvio foi observado. Reproduzido da ref. [40] com permissão do Journal of Nanoparticle Research

Geralmente, as pesquisas celulares se destacam para uma análise preliminar da citotoxicidade, entendendo o provável mecanismo de interação com as células. Mas é um microambiente muito mais complicado in vivo. Compreender como os materiais da família do grafeno se comportam em microambientes úmidos e corrosivos também é fundamental. A biocompatibilidade dos materiais da família do grafeno está relacionada de forma não trivial à concentração, às variedades de grupos funcionais, aos tipos de família do grafeno, aos tamanhos e às formas. Mas o mecanismo ainda precisa ser investigado em detalhes e completamente. No entanto, a avaliação da biossegurança in vivo é comparativamente não muito grande, especialmente a biocompatibilidade e a biodistribuição de longo prazo, que precisam de mais atenção. Embora alguns artigos levantem preocupações sobre a biossegurança, a versatilidade potencial que a família do grafeno oferece de maneira exclusiva a tornou um candidato competitivo de opção para aplicações biomédicas.

Atividade antibacteriana de materiais da família de grafeno

A remodelação óssea e a nova formação óssea não podem ser completamente bem-sucedidas sem um microambiente estéril do defeito ósseo. Na verdade, o tratamento do defeito ósseo infeccioso ainda é um grande desafio [59]. Por causa do grande defeito ósseo e do problema infeccioso, o tratamento é difícil e os pacientes precisam de um longo período de recuperação. Assim, a capacidade de inibição de bactérias de materiais da família do grafeno ajuda muito. Acredita-se que os materiais da família do grafeno possuam a capacidade antibacteriana (Tabela 1). Liu et al. propôs um mecanismo antimicrobiano de três etapas, incluindo (1) deposição inicial de células em materiais à base de grafeno, (2) estresse de membrana causado por contato direto com nanofolhas afiadas e (3) a subsequente oxidação independente de ânion superóxido [60]. No entanto, Mangadlao et al. Achava que a superfície do grafeno era a principal responsável pela atividade antimicrobiana e não as bordas. Quando em contato com as bactérias, o grafeno serviu como um aceitador de elétrons que bombeou o elétron para longe da membrana da bactéria, criando um estresse oxidativo independente [61]. Enquanto isso, Li et al. forneceu novos insights para a melhor compreensão das ações antibacterianas do filme de grafeno. Eles sustentam a opinião de que a atividade antibacteriana dos materiais da família do grafeno não resultou de danos mediados por espécies reativas de oxigênio (ROS), mas via interação de transferência de elétrons da membrana microbiana para o grafeno [62], enquanto Panda et al. provou que uma influência sinérgica do mecanismo de transferência de elétrons não oxidativo e conseqüente estresse oxidativo mediado por ROS para as bactérias induziu uma atividade antimicrobiana aumentada de filmes de metal GO derivados naturalmente [63].

Embora permaneça incerto como as propriedades físico-químicas das folhas à base de grafeno influenciam sua atividade antimicrobiana, vale a pena estudarmos e tirarmos mais proveito da capacidade dos antibacterianos do material da família do grafeno.

Materiais da família de grafeno medeiam células em diferenciação osteogênica e promovem regeneração óssea in vivo

Muitos estudiosos apontaram que o grafeno não só pode permitir a fixação e proliferação de células (por exemplo, células-tronco da polpa dentária [64, 65], células-tronco da medula óssea [8, 20, 66, 67], células-tronco do ligamento periodontal [68 ], osteoblastos humanos [69], células fibroblásticas [70], células tumorais [43]) sem sinais de citotoxicidade aparente, mas também podem induzir diferenciação osteoblástica de células precoces e produzir altos graus de mineralização [20, 64,65,66,67, 68]. No momento, inúmeras equipes realizaram exaustivamente estudos abundantes para projetar novas estratégias de aplicação de nanomateriais da família do grafeno como um andaime ou aditivo ao andaime, como um revestimento na superfície do material do substrato, como uma membrana guia de regeneração óssea e como um veículo de administração de drogas (Figura 2). Eles tentaram usar materiais da família do grafeno para melhorar ainda mais certas propriedades do material do substrato e conferir um caráter bioativo aos compósitos à base de substrato.

A. Materiais da família do grafeno como andaime ou um material de reforço em andaime para regeneração óssea. B. Materiais da família do grafeno como revestimento transferido para o substrato para regeneração óssea. C. Família do grafeno como aditivo na membrana óssea guiada. D. Materiais da família do grafeno como sistema de entrega de drogas facilita a regeneração óssea

Materiais da família de grafeno como andaime ou um material de reforço em andaime

A estratégia mais comum para engenharia de tecido ósseo é simular o processo natural de remodelação e regeneração óssea. A estratégia pode ser satisfeita por andaimes tridimensionais (3D) biocompatíveis, biodegradáveis e osteocondutores ou osteoindutivos [3]. Este tipo de andaime pode oferecer um microambiente ideal para simular a matriz extracelular (ECM) para a fixação, migração, proliferação e diferenciação de células osteogênicas, bem como para os portadores de fatores de crescimento [6]. O grafeno como um arcabouço biocompatível promissor pode disponibilizar uma grande área de superfície para a propagação celular e até mesmo a diferenciação osteogênica no substrato [20]. Por exemplo, espumas de grafeno 3D empregadas como substratos de cultura para células-tronco mesenquimais humanas (hMSC) forneceram evidências de que eram capazes de manter a viabilidade das células-tronco e promover a diferenciação osteogênica [66]. Além disso, o arcabouço de grafeno 3D (3DGp), bem como o revestimento de grafeno 2D (2DGp), provou ser capaz de induzir a diferenciação de células-tronco do ligamento periodontal (PDLSC) em osteoblastos maduros pelos níveis mais elevados de mineralização e gene relacionado ao osso regulado positivamente e proteínas no grafeno, com ou sem o uso de indutores químicos [68].

Hoje em dia, os diversos biomateriais que servem de andaimes surgem como cogumelos. Os andaimes sintéticos potencialmente adequados para uso na regeneração óssea incluem fosfato de cálcio, como hidroxiapatita (HA) [71]; fosfato tricálcico β (β-TCP) [72]; sintéticos ou biopolímeros, tais como ácido polilático (PLA) [73], ácido poliglicólico (PLGA) [74], policaprolactona (PCL) [75], quitosana (CS) [1] e colágeno [76 ]; e compósitos dos materiais mencionados acima [77, 78]. Mas agora, uma das preocupações mais importantes são as propriedades mecânicas dos andaimes. Uma vez que o osso natural exibe propriedades biomecânicas superelásticas com um valor de módulo de Young na faixa de 7–27 GPa [79], os andaimes ideais devem imitar a resistência, rigidez e comportamento mecânico do osso natural. Os materiais da família do grafeno podem ser adicionados como um material reforçado em andaimes com o objetivo de fortalecer as propriedades mecânicas e melhorar a caracterização físico-química. Por exemplo, o andaime PCL puro tinha uma resistência à tração de 1,61 MPa, um alongamento de 122% e um módulo de Young de 7,01 MPa. A adição de GO (2%) resultou em um aumento considerável na resistência à tração para 3,50 MPa, alongamento para 131% e módulo de Young para 15,15 MPa [80].

Estimulado pelo sucesso do uso de materiais da família do grafeno como material de reforço, muitas equipes combinaram a biocompatibilidade fornecida por sintéticos ou biopolímeros com propriedades físicas notáveis dos materiais da família do grafeno. Eles esperavam atingir um andaime de compósito ideal com propriedades mecânicas aprimoradas, porosidade adequada, projetos estruturais e excelente biocompatibilidade para apoiar e induzir a formação de novo osso.

Família de grafeno com materiais à base de fosfato de cálcio

O osso humano consiste em 30% de matéria orgânica, principalmente colágeno, e 70% de matéria inorgânica, principalmente hidroxiapatita (HA; Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ ) [81, 82]. Materiais sintéticos à base de fosfato de cálcio, como HA, β-fosfato tricálcico (β-TCP) e cimentos de fosfato de cálcio (CPC) são materiais de andaimes populares devido às suas composições e estruturas semelhantes à fase mineral natural do osso e sua boa formação óssea habilidades [83,84,85]. Em particular, devido à boa osteocondução e capacidade de osteoindução do HA [86], ele tem sido amplamente utilizado por um longo tempo como enxertos ósseos artificiais em cirurgia ortopédica ou maxilofacial para reparar áreas de defeitos ósseos [11, 71]. No entanto, as desvantagens inerentes do material HA devem ser melhoradas, como dificuldade de modelagem, fragilidade peculiar e baixa tenacidade à fratura [87, 88]. Foi relatado que compósitos HA reforçados com material da família do grafeno foram desenvolvidos e aumentaram significativamente a resistência à fratura e os desempenhos biológicos. Por exemplo, compósitos HA / grafeno foram preparados por sinterização de plasma de centelha (SPS), que dotou HA de resistência aceitável [89]. Raucci et al. HA combinado com GO em duas abordagens diferentes:abordagem sol-gel in situ e abordagem biomimética. O HA – GO obtido pela abordagem de sol-gel in situ aumentou a viabilidade celular de hMSCs e induziu a diferenciação osteoblástica sem o uso de fatores osteogênicos. O HA – GO formado via abordagem biomimética sustentou a viabilidade e proliferação celular [90]. Além disso, o óxido de grafeno reduzido (rGO) também pode ser usado como material de reforço para HA. A tenacidade à fratura dos compósitos HA-rGO atingiu 3,94 MPa m ^1/2 , um aumento de 203% em comparação com HA puro. O HA – rGO aumentou a proliferação celular e a diferenciação osteoblástica, que foi avaliada pela atividade da fosfatase alcalina (ALP) das células osteoblásticas humanas [91]. Além disso, Nie et al. sintetizou com sucesso rGO e nano-hidroxiapatita (nHA) andaime de compósitos porosos 3D (nHA @ rGO) por meio de automontagem. A solução GO se misturou com a suspensão aquosa de nHA que foi aquecida para induzir o processo de automontagem. Por fim, os produtos da reação foram liofilizados para obter o andaime poroso 3D. O arcabouço nHA @ rGO pode facilitar significativamente a proliferação celular, atividade de ALP e expressão de genes osteogênicos de células-tronco mesenquimais de osso de rato (rBMSCs). E o experimento in vivo elucidou que 20% de rGO (nHA @ rGO) incorporado com nHA pode acelerar a cura de defeitos circulares da calvária em coelhos [92]. Além disso, não apenas os componentes duplos, mas também os tricomponentes tiveram desempenhos excelentes com boa citocompatibilidade e propriedades hidrofílicas e mecânicas aprimoradas [93,94,95].

O fosfato tricálcico, análogo do fosfato de cálcio, é um fosfato de cálcio terciário também conhecido como cinza óssea [Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ ] É uma fonte abundante de cálcio e fósforo, que podem ser facilmente absorvidos. Fosfato tricálcico beta (β-TCP) é altamente biocompatível e cria uma rede de bloqueio reabsorvível dentro do local do defeito para promover a cura [96]. Wu et al. discos 2D β-TCP-GO sintetizados com sucesso e andaimes 3D β-TCP-GO. Em comparação com β-TCP e controle em branco, os discos 2D β-TCP-GO aumentaram significativamente a proliferação, atividade de ALP e expressão de genes osteogênicos de hBMSCs ativando a via de sinalização relacionada a Wnt, indicando a excelente propriedade de osteoestimulação in vitro de GO- β-TCP modificado [85]. É conhecido que a via de sinalização canônica Wnt desempenha um papel não trivial na regulação das atividades celulares, como proliferação, diferenciação e morfogênese celular [97, 98]. O estudo in vivo exibiu que os andaimes 3D β-TCP-GO tiveram maior formação de osso novo nos defeitos da calvária do que os andaimes TCP puro (Fig. 3) [85]. Um novo andaime, cimento de fosfato de cálcio incorporou andaimes de nanocompósitos GO-Cu (CPC / GO-Cu) facilitou a adesão e diferenciação osteogênica de rBMSCs, que foram confirmados que podem regular positivamente a expressão de Hif-1α em rBMSCs ativando o Erk1 / 2 via de sinalização e induziu a secreção de fator de crescimento endotelial vascular (VEGF) e proteína BMP-2. Além disso, os scaffolds CPC / GO-Cu foram transplantados em ratos com defeitos calvários de tamanho crítico e os resultados mostraram que os scaffolds (CPC / GO-Cu) promoveram angiogênese e osteogênese significativamente nas áreas de defeitos [99].

A ilustração do esquema para os andaimes β-TCP e β-TCP-GO estimularam a osteogênese in vivo. Análise de micro-CT e análise histológica da capacidade de formação óssea in vivo para os andaimes β-TCP e β-TCP-GO após implantados em defeitos ósseos cranianos de coelhos por 8 semanas. Reproduzido da ref. [85] com permissão do Journal of Carbon

Família de grafeno com quitosana

Chitosan (CS), a highly versatile biopolymer, derived from the shells of crustaceans [1, 87], has a hydrophilic surface that promotes cell adhesion and proliferation and its degradation products are nontoxic. Chitosan is biocompatible, osteoconductive, hemostatic, and can be easily converted into the desired shapes [2]. Besides, chitosan can promote bone matrix of mineralization [1] and minimize the inflammatory response after implantation [100]. All properties above make chitosan especially attractive as a bone scaffold material. But the most challenging part is the obtainment of CS-based scaffolds with good mechanical properties and processability [101]. Interestingly, CS/GO scaffolds have high water-retention ability, porosity, and hydrophilic nature [101, 102]. The CS-based 3D materials were enriched with GO in different proportions (0.5 wt% and 3 wt%). The new developed CS/GO 3 wt% scaffold was expected to be ideally designed for bone tissue engineering applications in terms of biocompatibility and properties to promote cell growth and proliferation [103]. Another CHT/GO scaffold with 0, 0.5, and 3 wt.% GO were prepared by freeze-drying method. Similarly, the CS/GO 3 wt% scaffolds significantly enhanced the ALP activity in vitro and the new bone formation in vivo, suggesting a positive contribution of 3 wt% GO to the efficiency of osteogenic differentiation process (Fig. 4) [3]. All results proved that CS/GO scaffolds could be a feasible tool for the regeneration of bone defects, and the addition of a 3 wt% of GO to material composition could have a better impact on cell osteogenic differentiation.

a ALP activity in mice calvaria defects implanted with CHT/GO and b histomophometric analysis of Masson Goldner trichrome-stained sections. ###p < 0.001 vs CHT; ** p < 0.01 vs control; ***p < 0.001 vs control. Reproduced from ref. [3] with permission from the Journal of Scientific Reports

Moreover, some tricomponent composites, such as CS, GO, and HA can release more Ca and P ions compared to the pure HA nanoparticles, displaying a high bioactivity of the composite scaffold [87]. Ravichandran et al. fabricated a unique composite scaffold, GO–CS–HA scaffold, and the incorporation of GO enhanced the tensile strength of CS up to 8.2 MPa and CS–HA to 10 MPa. And the results demonstrated that GO–CS–HA scaffolds facilitated cell adhesion and proliferation, meanwhile showed improved osteogenesis in in vitro tests [2]. Another tricomponent composite scaffold, containing CS, gelatin (Gn), and different concentrates of graphene oxide (0.1%, 0.25%, 0.5%, and 1% (w / v ) GO) showed better physic-chemical properties than CS/Gn scaffolds. The addition of GO at the concentration of 0.25% to CS/Gn scaffolds exhibited enhanced absorption of proteins, extensive apatite deposition. The 0.25% GO/CS/Gn scaffolds were cyto-friendly to rat osteoprogenitor cells, and they enhanced differentiation of mouse mesenchymal stem cells into osteoblasts in vitro (Fig. 5). The tibial bone defect filled with 0.25% GO/CS/Gn scaffolds showed the growth of new bone and bridging the defect area, indicating their biocompatible and osteogenic nature [104]. Thus, no matter bicomponent or tricomponent composites scaffolds, the addition of graphene family materials to chitosan can favorably improve the mechanical properties and regulate the biological response of osteoblasts, promoting osteogenic differentiation.

a MTT assay after incubation of CS/Gn scaffolds and 0.25% GO/CS/Gn scaffolds with media for 48 h. The asterisk indicates a significant increase versus control, and the pound sign indicates a significant decrease versus control (p <0,05). b , c Expression of osteogenic-related genes (RUNX2, ALP, COL-1, and OC) in mMSCs cultured on CS/Gn scaffolds and 0.25% GO/CS/Gn scaffolds for 7 and 14 days measured by quantitative RT-PCR. Reproduced from ref. [104] with permission from the Journal of International Journal of Biological Macromolecules

Graphene Family with Other Synthetic or Bio-polymers

Sponge scaffolds of type I collagen, the major organic component of bone [81], have been clinically applied as scaffolds to regenerate bone tissue [105, 106]. Because collagen scaffolds (elastic moduli:14.6 ± 2.8 kPa) are relatively soft, the combination with GO is expected to enhance the elastic modulus of collagen scaffolds and to improve the osteogenic differentiation of MSCs for bone regeneration. The covalent conjugation of GO flakes to 3D collagen scaffolds (elastic moduli:38.7 ± 2.8 kPa) increased the scaffold stiffness by threefold and did not negatively affect the viability of BMSCs. The enhanced osteogenic differentiation observed on the stiffer scaffolds were likely mediated by BMSCs mechanosensing because the molecules involved in cell adhesion to stiff substrates were either upregulated or activated [107]. Moreover, the development of new biomaterials utilizing graphene family materials with high osteogenic capacity is urgently pursued (Table 2).

Up to now, these improved tricomponent systems for bone tissue engineering scaffolds possess good biocompatibility, which can promote cell attachment, proliferation, and have been reported mechanical properties matchable to those of natural bone. But the response to specific biological signals expressing, as well as the capabilities of enhancing cell differentiation and finally bone tissue regeneration, still needs to be explored further. Moreover, it has been reported that the pore structure (pore size, pore morphology, and pore orientation) and the elasticity of scaffolds were manipulated to regulate osteogenesis [108,109,110]. However, due to the complicated structure of porous and different elasticity accurately controlled of the scaffolds, it remains a major challenge to individually design specific pore architectures and elasticity 3D porous scaffolds that can stimulate bone regeneration. With the rapidly development of the science and technology, the emerging of the 3D-printing method may overcome this problem and open an avenue for bone tissue regeneration [85]. The in vitro bioactivity and excellent in vivo bone-forming ability of graphene family nanomaterials present a new prospect of developing a broad new type of multifunctional scaffolds for biomedical applications. Thus, we believe that the unraveled the molecular mechanisms behind will be revealed soon and graphene family materials still have attractive potential of applications in bone regeneration waiting us to explore.

Graphene Family Materials as Coating

Graphene family materials have been widely applied in diverse forms of medical applications for bone regeneration. As a coating, graphene family materials can be transferred on two dimensional (2D) flat non-metal or metal substrates to induce spontaneous osteogenic differentiation of several types of mesenchymal stem cells (MSCs) [64]. Nayak et al. transferred graphene to four 2D non-metal substrates (polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene terephthalate (PET), glass slide, and silicon wafer with 300 nm SiO₂ (Si/SiO₂ ).) and investigated the influence of graphene on BMSCs differentiation. They summarized that the graphene coating was cytocompatible and contributed to enhance the osteogenic differentiation of BMSCs at a rate comparable to differentiation under the influence of BMP-2 in the osteogenic medium [20]. Similarly, Elkhenany et al. found that goat BMSCs, seeded on 2D graphene-coated plates underwent osteoblastic differentiation in culture medium without the addition of any specific growth factors [8]. Simultaneously, Lee et al. tried to explain the origin of how graphene coating could accelerate stem cell renewal and differentiation. They deemed that the strong noncovalent binding abilities of graphene allowed it to serve as a preconcentration platform for osteoblastic inducers, which facilitated BMSCs osteogenic differentiation [67]. The capability of graphene in modulating osteogenic differentiation is evident. How about its derivatives? GO coatings and rGO coatings all showed favorable cytocompatibility and enhanced spontaneous osteogenic differentiation by upregulating levels of ALP activity [111, 112].

Since titanium (Ti) and medical-grade Ti alloy have been extendedly applied in the orthopedic and dental fields [113,114,115], satisfactory osseointegration for titanium and its alloys is still a major challenge and need to be explored deeply in order to help the clinicians to promote the success or survive rate of implants and diminish the likely complications encountered after their placement [114, 116, 117]. Graphene family materials coated titanium and its alloys, serving as a new method to improve their capabilities of osseointegration at the tissue-implant interface, attracted widespread attention. For example, GO-coated titanium enhanced cell proliferation, upregulated levels of ALP activity and gene expression level of osteogenesis-related markers, and promoted the protein expression of BSP, Runx2, and OCN [117]. Qiu et al. made different thickness GO coatings on the pure titanium surfaces respectively by cathodal electrophoretic deposition. Interestingly, with the increasing thickness of GO, the ALP-positive areas improved, ECM mineralization increased [118]. Moreover, Zeng et al. firstly fabricated GO/HA composite coatings by electrochemical deposition technique on Ti substrate. The addition of GO facilitated both the crystallinity of deposited apatite particles and the bonding strength of the as-synthesized composite coatings [119]. It is well known that hydrophilic surface is biocompatible compared to hydrophobic surface. In the case of rGO coating, the rapid adsorption of serum protein improves hydrophilia of graphene surface and enhances cell adhesion. Jia et al. used evaporation-assisted electrostatic assembly and one-pot assembly to fabricate 2D GO-coated Ti and rGO-coated Ti, with tailored sheet size and surface properties. Compared to the contact angle of titanium (60.4°), the contact angle of GO-coated Ti and rGO-coated Ti were 20° and 14.2°, respectively, indicating the successful interfacial assembly of graphene and excellent wettability properties. The rGO-coated Ti elicited better cell adhesion and growth than bulk GO, while the latter evoked higher activity of osteogenic differentiation [120].

Osseointegration is a complicated biological process determined by the surface properties of implants [114]. The graphene-based coatings above all lack 3D morphology. The 3D porous surface structure of coating can mimic the special macrostructures of the nature bone tissues [115]. Qiu et al. first synthesized 3D porous graphene-based coating on the pure titanium plates (GO@Ti and rGO@Ti). Water contact angles showed super hydrophilic surfaces of GO@Ti and rGO@Ti. Surface wettability exerts great effect on the biocompatibility of materials, which is strongly related to biomolecules adsorption [121]. GO@Ti and rGO@Ti both showed the excellent cytocompability and the optimal capability of osteoinduction [39]. Morin and his co-workers even transferred single or double chemical vapor deposition (CVD) grown graphene coatings onto 3D objects with differences in 3D geometries and surface roughness, such us dental implant, locking compression plate and mandible plate (Fig. 6) [64]. CVD is a very stable coating fabrication method, with substrate-independent properties and versatile surface functionalization. Besides, surface active CVD coatings are good platforms for immobilizing biomolecules, which is very important to bone regeneration [122].

a The calvarial defects of rats were enclosed with a GO-Ti membrane. b New bone formation of the rat calvarial defects after the implantation of Ti or GO-Ti membrane at postoperative week 8. *p < 0.05 vs control; # p < 0.05 vs Ti. c Images of HE staining of the rat calvarial defects after the implantation of Ti or GO-Ti membrane at postoperative week 8. Reproduced from ref. [128] with permission from the Journal of Applied Spectroscopy Reviews

Overall, the strategy of applying graphene family materials as coating onto a surface is charming. Through currently available techniques or methods, such as CVD [123], electrochemical deposition [119], with diverse substrates (e.g. polymers, metals), graphene, and its derivatives can be obtained efficiently, with dimensions ranging from nanometer to macroscopic scales [120]. Then, graphene family nanomaterials can be transferred onto the substrate, either as 2D coatings/films/sheets or 3D porous structures of coating, to enable the binding of biomolecules, absorb the serum protein, and facilitate osteogenic differentiation of stem cells. But the different physical and chemical properties of the substrates and the type or frequent use of chemical inducers for osteogenic differentiation (e.g., dexamethasone, bone morphogenetic protein-2) that may cover up the effects exerted by graphene family materials alone [65]. Therefore, these methods still require to be well-directly improved and further studied.

Graphene Family as an Additive in Guided Bone Membrane

Barrier membranes are standardly used in oral surgical procedures, applying in guided tissue regeneration (GTR) and guided bone regeneration (GBR), for the treatment of periodontal bone defects and peri-implant defects, as well as for bone augmentation [124, 125]. GBR is considered to be one of the most promising methods for bone tissue regeneration. The concept of GBR is using a non-resorbable or absorbable membrane serving as a barrier to prevent the ingrowth of soft connective tissue into the bone defect and offer a space to “guide” the bone reconstruction [126, 127]. An ideal GBR membrane should have excellent biocompatibility and mechanical property to promote the regeneration of bone tissues and prevent soft-tissue ingrowth. Ti membrane is a non-resorbable membrane with excellent mechanical properties for the stabilization of bone grafts. Park et al. fabricated GO-coated Ti (GO-Ti) membranes, with increased roughness and higher hydrophilicity. GO endowed the pure Ti membranes better biocompatibility and enhanced the attachment, proliferation, and osteogenesis of MC3T3-E1 in vitro. Moreover, GO-Ti membranes were implanted into rat calvarial defects (Fig. 6) and new bone formation significantly in full-thickness calvarial defects without inflammatory responses was observed [128].

However, non-resorbable membranes need to be removed by a second operation. Thus, a resorbable membrane is recommended owing to avoid a second intervention during operation, which can diminish the risk of infection and the loss of the regenerated bone. But the resorbable membranes made of collagen or chitosan usually has poor mechanical property. The addition of graphene family materials improves the weaknesses of resorbable membrane. For instance, De et al. attempted to prepare absorbable collagen membranes enriched with different concentrations of GO. The presence of GO on the membrane altered the mechanical features of the membrane, by conferring lower deformability, improving stiffness, and increasing roughness [129]. Tian et al. made 3D rGO (3D-rGO) porous films, which can accelerate cell viability and proliferation, as well as significantly enhanced ALP activity and osteogenic-related gene expressions [130].

Although pristine graphene is basically incompatible with organic polymer to form homogeneous composite, and even decrease the cell viability in some cases if the amount of graphene is excessive [131]. The incorporation of graphene family materials can enhance the bioactivity and mechanical properties of composite membranes. Because of the potent effects on altering mechanical drawbacks, stimulating osteogenic differentiation, and exhibiting superior bioactivity, graphene family material-modified membranes can be applied effectively to GBR.

Graphene Family Materials as Drug Delivery System (DDS)

Due to their small size, intrinsic optical properties, large specific surface area, low cost, and useful noncovalent interactions with aromatic drug molecules, graphene family materials exhibit excellent efficacy as delivery vehicles of genes and biomolecules. Moreover, simple physisorption via π-π stacking, hydrogen bonding, and electrostatic interaction is able to assist in high drug loading of hydrophobic drugs without compromising potency or efficiency [38]. The therapeutic efficacy of drugs is always related to the drug delivery carrier, which should enable the loading of large doses, controlled release, and retention of the bioactivity of the therapeutic proteins [132]. At present, anticancer drugs, including doxorubicin [133,134,135,136,137], paclitaxel [138, 139], cisplatin [140], and methotrexate [141, 142] loaded by graphene family nanomaterials showed amazing cancerous effect for the selective killing of cancer cells.

For better bone regeneration, we sometimes need the help of osteogenic drug or macromolecular osteogenic protein. It was reported that the adsorbed drugs or loaded growth factors on graphene or its derivatives could enhance the osteogenic differentiation of cells due to the increased local concentration [143]. For example, simvastatin (SIM) chosen as a model drug was loaded on the 3D porous scaffolds, which were made of silk fibroin (SF) and GO. SIM is an inhibitor of the competitive 3-hydroxy-3-methyl coenzyme A (HMG-CoA) reductase [144]. The effects of SIM on bone formation are associated with an increase in the expression of bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) mRNA and enhanced the vascular endothelial growth factor (VEGF) expression [145, 146]. SIM can release sustainedly (30 days), and the release rate was relevant to the GO content within the scaffolds. In vitro, compared with the blank scaffolds, the SF/GO/SIM showed better biocompatibility, and the cells cultured on them exhibited faster proliferation rate [147]. Dexamethasone (DEX) is an osteogenic drug for which can facilitate osseointegration. Jung et al. firstly loaded DEX on rGO-coated Ti by π-π stacking. The loading efficiency of DEX on rGO-Ti was 31% after drug loading for 24 h and only 10% of total loaded DEX was released for 7 days, indicating that the drug delivery system can induce a long-term stimulation of stem cells for osteogenic differentiation. The DEX/rGO-Ti significantly facilitated MC3T3-E1 cells growth and differentiation into osteoblasts [143]. Similarly, Ren et al. also employed the GO-Ti and rGO-Ti as drug vehicles to absorb DEX. The presence of DEX-GO and DEX-rGO helped to promote the cell proliferation and largely enhanced osteogenic differentiation [115]. The graphene family materials coating on Ti alloys with controlled drug delivery can stimulate and enhance cellular response around implant surface to reduce the osseointegration time, expected to be applied for various dental and biomedical applications [143].

Not only small molecular osteogenic drug, but also macromolecular proteins can be loaded by graphene family materials for bone regeneration. Bone morphogenetic proteins (BMPs) are the most potent osteoinductive protein for bone regeneration. Thus, BMP-2 was loaded on the surface of Ti/GO through π-π stacking and the interaction between negatively charged carboxylic groups at the edges of GO and positively charged amino acid residues of BMP-2 [132]. Ti/GO/BMP-2 exhibited the high loading and the sustained release of BMP-2 with preservation of its 3D conformational stability and bioactivity. In vitro, the capability of Ti/GO/BMP-2 is to enhance osteogenic differentiation of hBMSCs. In a mouse calvarial defect model, compared to Ti/BMP-2 implants, Ti/GO/BMP-2 implants around had much more extensive bone formation [132]. Xie et al. used GO-modified hydroxyapatite (HA) and GO-modified tricalcium phosphate (TCP) as an anchor for adsorbing BMP-encapsulated BSA- nanoparticles (NPs) respectively. The charge balance and BMP-2 sustained release capability of the new scaffolds synergistically improved BMSCs proliferation, differentiation, and bone regeneration in vivo [148]. Poor osteointegration and infection are the most serious complications leading to failures of Ti implantation [10]. Han et al. incorporated GO onto polydopamine (PDA)-modified Ti scaffolds. Then, BMP-2 and vancomycin (Van) were separately encapsulated into gelatin microspheres (GelMS). After that, drug-containing GelMS were loaded on GO/Ti scaffolds and anchored by the functional groups of GO (Fig. 7). The new scaffolds were endowed with dual functions of inducing bone regeneration and preventing bacterial infection [149]. Substance P (SP) is a highly conserved 11 amino acid neuropeptide [150], involved in many processes, such as the regulation of inflammation, wound healing, and angiogenesis, and it is expected to promote MSC recruitment to the implants [151]. Therefore, apart from BMP-2, La et al. added this peptide, SP, on the surface of GO-coated Ti. The dual delivery system via GO-coated Ti showed sustained release of BMP-2 and SP and the potential of SP for inducing migration of MSCs. In vivo, Ti/GO/SP/BMP-2 group showed the greater new bone formation in the mouse calvaria than Ti/GO/BMP-2 group may be due to the MSCs recruitment by SP to the implants [152].

Schematics and scanning electron micrographs of the preparation the new GO/Ti scaffold:BMP2- and Van-loaded CGelMS were immobilized on the GO/Ti scaffold through electrostatic interactions between the functional groups of GO and CGelMS. Reproduced from ref. [149] with permission from the Journal of Biomaterials Science

Currently, more and more teams get down to designing new drug delivery system to improve the practical applications. The loading of large doses, controlled release, and retention of the bioactivity of the therapeutic proteins are still difficulty in research on drug delivery system.

Conclusions

Studies on the graphene family materials on biological applications is emerging rapidly, especially their potential applications for bacteria inhibition and inducing stem cell osteogenic differentiation. Before their biological applications are considered for clinical trial, the biocompatibility of graphene family materials is of vital importance. However, the challenges exist and must be overcome. These challenges include a thorough understanding of the graphene-cell (or tissue, organ) interaction and cellular uptake mechanism as well as mechanism(s) of potential toxicity. We summarize and analyze several articles and conclude that the cytotoxicity and in vivo biocompatibility of graphene family materials are influenced by numerous factors, including surface functionalization, concentration, size, and shape. At low concentration, graphene family materials are cytocompatible, with little negative influence on cell morphology, viability, and proliferation. Furthermore, it was reported that graphene family materials with flat shapes having better biocompatibility, because the flat shape materials were expected to have minor interaction with the cellular membranes [47]. Although the different criteria were used to define the size scale and shape of graphene and its derivatives, it was true that nano-sized graphene family materials were much safer for biomedical applications [54]. Size-control synthesis of graphene family materials needs to be considered prudently in subsequent researches. Moreover, the major challenge for researchers lies in understanding how graphene family materials behave in complicated microenvironment and establishing the long-term biocompatibility of graphene and its derivatives. Thus, researchers should spare no efforts to keeping studying the bio-safety of graphene family materials in vivo, as well as in vitro, to further understand the intricate interaction between cells and the materials. Although some papers raise concerns about bio-safety, after better control of the modifying of graphene family materials during synthesis, the potential versatility that graphene family uniquely offers has made it a competitive candidate of option for biomedical applications.

On the one hand, a lot of researches have pointed out that graphene family materials possess the capability of bacteria inhibition, due to their functional chemical groups, sharp edges, and synergistic effect with other drugs. Besides, bone remolding and regenerating successfully in an infective bone defect area is challenging. Peri-implant infection and poor osseointegration are also major challenges we confront. The use of graphene family materials in the design and development of antimicrobial bone regeneration application will capture tremendous attention in the future.

On the other hand, lots of teams painstakingly did researches to design and fabricate the new strategies of applying graphene family materials in bone tissue engineering. 3D graphene-based scaffold is a promising biocompatible scaffold, which can enhance pre-osteoblasts or stem cells osteoblastic differentiation. Graphene family materials also can be added as a reinforced material aiming to strengthen the composite scaffold mechanical properties and improve physicochemical characterization. In addition, the strategy of applying graphene or its derivatives as coating onto a surface is charming, which is expected to possess the antibacterial activity and better osseointegration, especially the 3D coating. It has been generally hypothesized that the surface characteristics of graphene family materials including nanostructures, surface roughness, protein absorption ability, electrostatic interactions, and surface hydrophilicity, exert an enormous effect on the molecular pathways which control the fate of stem cells [39, 115]. The 3D structure of scaffold or coating allows nutrients to be freely delivered, which influences the biocompatibility of the graphene family. But the manufacturing method of 3D scaffold or coating is relatively difficult and complicated. However, with the rapidly development of the science and technology, the emerging of the 3D-printing method may overcome this problem and open an avenue for bone tissue regeneration.

Moreover, graphene family materials show great potential in GBR and DDS as well. Graphene family materials improve poor mechanical property of the resorbable membranes made of collagen or chitosan without compromising their intrinsic property. Osteogenic drug or macromolecular osteogenic protein can be adsorbed on graphene or its derivatives via π-π stacking, hydrogen bonding, and electrostatic interaction with high loading and good efficiency. Taking the varied merits into consideration, graphene family materials hold great potential to bone tissue regeneration.

Considering that many supreme properties graphene and its derivatives have, especially in vitro osteogenesis enhancing ability and excellent in vivo bone-forming ability, although they still have drawbacks, graphene family materials still are promising candidates used for bone regeneration applications.

Abreviações

ALP:: Alkaline phosphatase
BMP-2:: Bone morphogenetic protein-2
BMSC:: Bone mesenchymal stem cells
CPC:: Calcium phosphate cements
CVD:: Deposição de vapor químico
CXYG:: Carboxyl graphene
DEX:: Dexamethasone
ECM:: Extracellular matrix
GBR:: Guided bone regeneration
GelMS:: Gelatin microspheres
GNOs:: Graphene nano-onions
GO:: Óxido de grafeno
GONPs:: Graphene oxide nanoplatelets
GONRs:: Graphene oxide nanoribbons
GQDs:: Graphene quantum dots
HA:: Hydroxyapatite
HUVEC:: Human umbilical vein endothelial cells
MC3T3-E1:: A murine pre-osteoblastic cell line
MWNTs:: Multi-walled carbon nanotubes
OPE:: Oxygen plasma etching
PCL:: Polycaprolactone
PDA:: Polydopamine
PDLLA:: Poly (d, l-lactic acid)
PDLSC:: Periodontal ligament stem cells
PDMS:: Polydimethylsiloxane
PEG:: Polyethylene glycol
PET:: Polyethylene terephthalate
PLA:: Poly-lactic acid
PLGA:: Poly-glycolic acid
PPY:: Polypyrrole
rGO:: Reduced graphene oxide
ROS:: Espécies que reagem ao oxigênio
SIM:: Simvastatin
SP:: Substance P
SPS:: Spark plasma sintering
Ti:: Titanium
Van:: Vancomycin
VEGF:: Vascular endothelial growth factor
β-TCP:: β-Tricalcium phosphate

Uma Visão Geral do Diodo de Barreira Schottky Baseado em Semicondutor Ga2O3 Ultrawide para Aplicação de Eletrônica de Potência Nanosensibilizador magnético modificado por aptâmero para imagens de ressonância magnética in vivo de câncer que expressa HER2

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias