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中国实用口腔科杂志 2023年 1月 第 16卷 第 1期牙周炎是一种常见的牙周支持组织慢性炎症性疾病，由口腔微生物与宿主免疫炎症反应之间相互作用失衡引起，影响着全球10.8%人口的口腔健康1。牙周炎会逐渐破坏牙周支持组织（牙龈、牙槽骨、牙周膜和牙骨质）的结构，导致牙槽骨吸收、牙周袋形成和牙周附着丧失，且与糖尿病、心脑血管疾病、消化道疾病等全身系统性疾病密切相关2。引导骨再生（guided bone regeneration，GBR）是临床上治疗严重牙周组织缺损的主要手段，通过在骨缺损表面覆盖屏障膜，阻止竞争性上皮组织和结缔组织的侵入，从而促进具有再生潜力的骨祖细胞或干细胞由缺损处外周向中心迁移，并缓慢分化形成新的牙周组织，建立牙周新附着3。理想的GBR膜应具备以下特性：优异的机械强度、适当的降解速率、空间维持能力、细胞屏障作用、生物相容性、组织整合性、良好的成骨活性及抗菌活性4。目前，商品化的GBR膜分为以下两类。不可吸收膜：包括聚四氟乙烯膜和钛膜，植入后基金项目：国家自然科学基金（81973684；31670992）作者单位：1.口腔疾病研究国家重点实验室，国家口腔疾病临床医学研究中心，四川大学华西口腔医院正畸科，四川 成都610041；2.成都中医药大学附属医院口腔科，四川 成都 610072通信作者：赵立星，电子信箱：综述DOI：10.19538/j.kq.2023.01.016碳纳米材料在引导骨再生膜中的应用研究进展周洪玲1，吴也可2，赵立星1摘要：引导骨再生（guided bone regeneration，GBR）是临床上治疗严重牙周组织缺损的主要方法，目前常用的GBR膜存在机械性能差、降解速率不稳定、成骨活性差等问题。碳是生命的基本元素之一，碳纳米材料具有高比表面积、高机械强度、低细胞毒性及良好的成骨活性等特性。近年来，包括碳纳米管、石墨烯在内的碳纳米材料开始用于制备GBR膜以改善其性能，更好地促进牙周组织再生。文章重点介绍基于碳纳米管、石墨烯的碳纳米材料在GBR膜中的应用，并对其生物相容性进行总结，以期对GBR膜的研究提供帮助。关键词：引导骨再生；碳纳米材料；膜；牙周炎中图分类号：R78文献标志码：AApplication research progress of carbon nanomaterials in guided bone regeneration membranesZHOUHong-ling*，WU Ye-ke，ZHAO Li-xing.*State Key Laboratory of Oral Diseases&National Clinical Research Center forOral Diseases&Department of Orthodontics，West China Hospital of Stomatology，Sichuan University，Chengdu 610041，ChinaCorresponding author：ZHAO Li-xing，E-mail：Abstract：Guided bone regeneration（GBR）is the main method in the clinical treatment of severe periodontal tissue defects.Currently，the commonly used GBR membranes have some problems such as low mechanical strength，unstable degradation rate and poor osteogenic activity.Carbon is one of the basic elements of life.Carbon nanomaterials have highspecific surface area，excellent mechanical properties，low cytotoxicity and good osteogenic activity.In recent years，carbon nanomaterials including carbon nanotubes and graphene have been used to produce GBR membranes to improvetheir properties and promote periodontal tissue regeneration.This paper mainly introduces the application of carbon nanomaterials based on carbon nanotubes and graphene in GBR membranes，and summarizes their biocompatibility，aiming toprovide help for the research of GBR membranes.Keywords：guided bone regeneration；carbon nanomaterials；membrane；periodontitis93Chinese Journal of Practical Stomatology Jan.2023 Vol.16 No.1需要二次手术取出，术后细菌感染的风险高，并可能对新的再生组织造成进一步的损害；生物可吸收膜，如Bio-Gide膜，稳定性和力学性能差，降解速度快，抗菌及骨再生能力有限。碳是生命的基本元素之一，碳纳米材料（carbon nanomaterials，CNMs）具有优越的力学性能、低细胞毒性、良好的生物活性和化学稳定性，在组织再生、药物释放等生物医学领域显示出巨大的应用潜力5。近年来，包括碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）、石墨烯在内的CNMs开始用于制备GBR膜，以改善膜性材料的机械强度、亲水性、成骨活性等性能，更好地促进牙周组织再生。本文重点介绍基于CNTs、石墨烯的CNMs在GBR膜中的应用，并对其生物相容性及生物活性进行总结，分析CNMs在GBR应用中存在的挑战以及未来的发展方向。1CNTsCNTs是由碳原子经sp2杂化形成的纳米级中空圆柱形管状结构，可分为单壁碳纳米管（single-walled CNTs，SWCNTs）和多壁碳纳米管（multi-walled CNTs，MWCNTs）两种形式。CNTs 的几何形态类似于胶原微原纤维，长度1 30 m，直径0.5 20.0 nm，具有高长径比和高比表面积6。由于其独特的结构和纳米形貌，CNTs表现出较高的机械强度、良好的化学稳定性、独特的导电性和导热性，在生物医学领域应用广泛6。研究表明，CNTs可以作为核心启动羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）的结晶，并加速矿化过程7。此外，在CNTs涂层的培养皿中培养成骨细胞，细胞黏附性增强，存活率及增殖率升高。CNTs独特的粗糙纳米结构增加了CNTs涂层培养皿表面的粗糙度，从而提高细胞的黏附性和活力8。Usui 等9将 MWCNTs 与骨形态发生蛋白 2（bonemorphogenetic protein 2，BMP2）、胶原蛋白均匀混合后，通过真空冷冻干燥制成复合颗粒。将材料异位植入小鼠背部皮下3周后，BMP2/胶原蛋白/MWCNTs组新生的骨组织面积、骨矿物质含量、骨体积比均高于BMP2/胶原蛋白组，表明MWCNTs能促进骨形成。此外，HE染色结果显示，含MWCNTs的复合颗粒被整合到新生骨组织中，未引起任何明显的排斥反应或炎症反应。这说明CNTs具有特殊的骨组织相容性，提示CNTs在GBR中具有潜在应用前景。Xu等10将SWCNTs均匀分散在透明质酸溶液中，通过抽滤制成CNTs膜，发现其表面呈纳米结构，拉伸强度（202 MPa）显著高于聚四氟乙烯膜（32 MPa），对小鼠胚胎成骨细胞前体细胞（MC3T3-E1细胞）增殖和大鼠颅骨缺损修复均有促进作用。CNTs除了可以作为GBR膜主体成分促进骨再生以外，还可用作增强剂，提高多组分生物复合材料的结构完整性和力学性能，如硬度、弹性模量、拉伸强度、压缩强度等11。另外，在HA、聚己内酯（polycaprolactone，PCL）等生物材料中添加CNTs可显著促进细胞黏附、增殖、迁移和成骨分化12。Seo等13研究发现，将功能化碳纳米管（functionalized carbon nanotube，f-CNT）引入壳聚糖（chitosan，CS）/二氧化硅杂化膜后，复合膜的力学稳定性和骨再生能力显著提高，生物降解速率明显降低。Zhang等14采用真空冷冻干燥和静电纺丝方法制备了聚（乳酸-乙醇酸）poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA/MWCNTs/细菌纤维素（bacterial cellulose，BC）双层复合膜，作为GBR膜修复比格犬上颌牙周缺损。结果表明，MWCNTs的加入不仅可以改善PLGA的力学性能，还可以提高 PLGA 的细胞亲和力和生物活性，PLGA/MWCNTs/BC双层复合膜可促进牙周组织再生。尽管CNTs有许多优异的性能，但潜在的细胞毒性可能会阻碍其临床应用。分散在溶液中的CNTs 可能通过产生活性氧（reactive oxygen species，ROS）和激活炎症反应引起细胞毒性并限制细胞活性15。然而，通过共价功能化（引入氨基、羧基等特定官能团）或非共价功能化（利用聚合物、表面活性剂与CNTs的非共价结合）对CNTs进行表面修饰后，CNTs的分散性可得到改善，细胞毒性降低13。Zhang等16分别用羧基、聚乙烯醇（polyvinylalcohol，PVA）和仿生磷灰石对MWCNTs进行表面修饰后，将其与人成骨样细胞（MG-63细胞）共培养，结果表明MG-63细胞增殖活力提高，细胞形态没有明显变化。其中，在细胞增殖期，仿生磷灰石改性 MWCNTs 样品中的细胞存活率达 67.23%。Barrientos-Duran等17制备了羧基共价功能化修饰的SWCNTs，体外研究表明其在1 20 g/mL的质94中国实用口腔科杂志 2023年 1月 第 16卷 第 1期量浓度范围内对鼠胚胎干细胞和人胎儿成骨细胞的存活率影响很小。总之，需要对CNTs的细胞毒性进行更深入的研究，以设计出最佳的CNTs表面功能化方案，最大程度减轻CNTs的生物毒性。2石墨烯及其衍生物石墨烯材料是由碳原子以蜂窝状晶格结构排列而成的二维纳米材料，包括原始石墨烯、氧化石墨烯（graphene oxide，GO）、还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）等形式。石墨烯材料具有高比表面积、高机械强度、导电性、导热性及易于功能化修饰等性能，在组织工程、口腔医学等领域应用广泛18。2.1石墨烯石墨烯具有独特的六方晶格纳米结构，表面没有化学基团，主要采用机械剥离、化学气相沉积、化学剥离、外延生长、化学合成等方法制备19。石墨烯因机械强度高、比表面积大，常用于GBR膜的制备20。其中，石墨烯的机械增强效果与其在复合材料中的分布密切相关。均匀分布可以有效地增强复合材料的力学性能，但石墨烯分子之间的内聚力会阻碍这种分布21。石墨烯的高比表面积可以极大地提高细胞黏附力和成骨活性，也有利于石墨烯的进一步功能化，以赋予石墨烯更好的化学活性，并改善其亲水性和分散性22。Lu等23制备了一种多层石墨烯水凝胶薄膜，平均拉伸模量达到（69 5）MPa，接近骨皮质的机械强度。这种薄膜不仅能更好地促进成骨细胞黏附、蛋白吸附和磷灰石沉积，还可以作为GBR屏障膜，维持成骨空间，加速大鼠颅骨缺损区的早期成骨和矿化。Wu 等24通过将石墨烯结合到PLGA中，制备了具有成骨活性的GBR膜，提高了大鼠骨髓间充质干细胞（rat bone marrow mesenchymal stem