Materiales de la familia del grafeno en la regeneración del tejido óseo:perspectivas y desafíos

Resumen

Hemos sido testigos de abundantes avances en la investigación sobre las bioaplicaciones de los materiales de la familia del grafeno en los años actuales. Debido a su tamaño a nanoescala, gran área de superficie específica, propiedades de fotoluminiscencia y actividad antibacteriana, los materiales de la familia del grafeno poseen un enorme potencial para la ingeniería de tejidos óseos, la administración de fármacos / genes y las aplicaciones de detección / imágenes biológicas. En esta revisión, hacemos una retrospectiva del progreso y los logros recientes en la investigación del grafeno, así como también analizamos críticamente y discutimos la bioseguridad y la viabilidad de varias aplicaciones biomédicas de los materiales de la familia del grafeno para la regeneración del tejido óseo.

Introducción

Las víctimas de infecciones maxilofaciales graves, traumatismos, tumores y deformidades congénitas que padecen defectos en los huesos de la mandíbula, por lo general requieren una convalecencia prolongada. A diferencia de muchos otros tejidos, el hueso tiene una capacidad excepcional para regenerarse cuando está dañado [1, 2]. Sin embargo, la limitada capacidad de autorregeneración del esqueleto humano hace que la reconstrucción de un defecto óseo suficientemente grande o de tamaño crítico sea un desafío significativo para la terapia clínica [3]. En algunos casos, los pacientes graves incluso necesitan extensas cirugías de aumento óseo. Las terapias actuales para la regeneración ósea consisten en autoinjerto, aloinjerto y xenoinjerto [4]. El hueso autólogo se considera el material de injerto óseo "estándar de oro", con las capacidades de osteoconducción, osteoinducción y osteogénesis, sin inmunogenicidad también. Pero las razones por las que el autoinjerto todavía se utiliza de forma limitada en la clínica son el riesgo de infección del donante y el largo tiempo de recuperación [5]. El aloinjerto, obtenido de otra persona, se considera a menudo como la siguiente mejor opción. Pero el uso de aloinjertos presenta riesgos potenciales, como un riesgo drásticamente mayor de infección y rechazo inmunológico [4, 6]. Los materiales de xenoinjerto, como la matriz ósea desmineralizada digerida con ácido y el colágeno bovino, se obtienen y fabrican fácilmente. Ahora, el xenoinjerto es un enfoque principal en la práctica clínica. Pero tiene una baja capacidad osteoinductora [7]. En la actualidad, en comparación con el hueso, no existen sustitutos óseos heterólogos o sintéticos disponibles que tengan propiedades biológicas o mecánicas superiores o incluso iguales [5]. Aunque estas terapias han demostrado ser útiles, adolecen de desafíos inherentes. Por lo tanto, aún es necesario investigar y desarrollar una terapia de regeneración ósea adecuada. Es cierto que la ingeniería de tejidos óseos y la investigación en medicina regenerativa abren caminos para mejorar los resultados y acelerar la recuperación de los pacientes con defectos óseos [8]. Las construcciones óseas de ingeniería tisular tienen el potencial de aliviar la demanda derivada de la escasez de autoinjertos y aloinjertos adecuados para aumentar la consolidación ósea [9]. Para aumentar el volumen óseo en áreas de defectos óseos, se han desarrollado una variedad de métodos para la regeneración ósea, que incluyen andamios [1, 6], revestimientos [10] y membranas de barrera para la regeneración ósea guiada (GBR) [11, 12].

Actualmente, el potencial de los materiales de la familia del grafeno ha captado una gran atención como revestimiento plano 2D o andamios porosos 3D para la diferenciación de varios tipos de células madre hacia neurogénicas [13,14,15], condrogénicas [16, 17], miogénicas [18] , linajes adipogénicos [19] y osteogénicos [20, 21]. Por lo tanto, es más probable que los materiales de la familia del grafeno sean un candidato de elección para los próximos materiales de regeneración ósea. Grafeno, definido como una o pocas capas de sp ² átomos de carbono híbridos, en primer lugar fue aislado del grafito por Novoselov y Geim en 2004 [22]. Con el creciente interés en la investigación, los materiales de la familia del grafeno, incluido el óxido de grafeno (GO), el carboxil grafeno (CXYG), el óxido de grafeno reducido (rGO) y los puntos cuánticos de grafeno (GQD), se estudian ampliamente. El grafeno posee propiedades excepcionalmente mecánicas, conductoras, térmicas y ópticas [23, 24, 25], que se han aplicado ampliamente en la electrónica, la biotecnología y la ciencia de los polímeros [26]. Se reconoce que los materiales conductores con conductividad prometedora mejoran las actividades celulares y estimulan la reparación del tejido óseo [27, 28], exhibiendo también una buena actividad antibacteriana [29]. El óxido de grafeno (GO) y el carboxil grafeno (CXYG) son ambos derivados del grafeno. Debido a la presencia de grupos funcionales oxigenados (grupos epóxido, carboxilo e hidroxilo), GO y CXYG tienen una mejor dispersión en solventes hidrófilos, lo cual es esencial para aplicaciones biomédicas [30, 31]. El óxido de grafeno reducido (rGO) se puede sintetizar mediante la reducción de GO con agentes reductores específicos en determinadas condiciones. Gracias a la reducción de algunas interacciones químicas especiales π-π, rGO posee ciertas propiedades físicas y químicas mejores que el grafeno y el GO [32, 33]. La materia prima de los puntos cuánticos de grafeno (GQD) es GO. Las GQD tienen fuertes confinamientos cuánticos y propiedades de fotoluminiscencia [34]. La fuerte fluorescencia de las GQD las hace útiles en la formación de imágenes celulares. Debido a las excelentes propiedades de los materiales de la familia del grafeno, poseen un enorme potencial para la administración de fármacos / genes, aplicaciones de detección / imágenes biológicas e ingeniería de tejidos [35,36,37,38,39]. Sin embargo, todavía existen desafíos en cuanto a la bioseguridad a largo plazo y la capacidad para inducir la diferenciación osteogénica de las células de los materiales de la familia del grafeno. Aquí revisamos de manera integral los avances y logros recientes en el grafeno y sus derivados. Al mismo tiempo, analizamos críticamente la bioseguridad in vitro e in vivo y discutimos la viabilidad de diversas aplicaciones biomédicas de los materiales de la familia del grafeno para la regeneración del tejido óseo.

Desafíos en la determinación de la bioseguridad de los materiales de la familia del grafeno

Desafíos para determinar la bioseguridad in vitro

Antes de que los materiales de la familia del grafeno se consideren para un ensayo clínico, deben evaluarse rigurosamente por su citotoxicidad y biocompatibilidad [38]. "¿Es el grafeno un material biocompatible?" La respuesta sigue siendo controvertida. El grafeno crudo sin ninguna funcionalización es hidrófobo y se aglomera fácilmente en medios acuosos [34, 40]. En superficies hidrófobas, una capa densa de proteínas inespecíficas puede desplazar el agua de la superficie y acumularse inmediatamente en los materiales, lo que resulta en un reconocimiento inmunológico de las nanopartículas [41]. Por lo tanto, la funcionalización química, incluida la oxidación, la reducción y la introducción de grupos funcionales, es un requisito previo para el grafeno utilizado en aplicaciones biomédicas, que aumentan la hidrofilia del grafeno. Los materiales de la familia del grafeno con diferentes funcionalidades, con diferentes propiedades químicas, ejercen diferentes toxicidades [13]. Soumen y col. encontró que rGO era menos tóxico que GO. Fue interesante ver que el estrés oxidativo aumentaba con un grado cada vez mayor de densidad de grupos funcionales de oxígeno en la superficie de rGO. Llegaron a la conclusión de que la densidad del grupo funcional en la hoja GO era uno de los factores clave en la mediación de la citotoxicidad celular [31]. Además de la funcionalización de la superficie, la citotoxicidad de los materiales de la familia del grafeno se vio influenciada por numerosos factores, incluida su concentración, tamaño y forma [42].

En primer lugar, algunas investigaciones demostraron que los materiales de la familia del grafeno tenían citotoxicidad dependiente de la dosis con o sin citotoxicidad dependiente del tiempo. Por ejemplo, Chang et al. informaron que se observó una ligera pérdida de la viabilidad celular a altas concentraciones de GO (≥ 50 μg / mL) y que GO puede inducir la acumulación intracelular y causar un estrés oxidativo dependiente de la dosis en una línea celular epitelial de carcinoma de pulmón (A549) [43]. Wei y col. demostraron que la GO prístina inhibía la proliferación de células madre mesenquimales óseas (BMSC) a una concentración alta de 10 μg / mL, mientras que aumentaba la proliferación de BMSC a una concentración baja de 0.1 μg / mL [44]. De manera similar, se observó claramente una disminución del número de células con 200 μg / mL de GO y se informó un mayor efecto de citotoxicidad con 300 μg / mL de GO [45]. Además, Kim et al. encontraron que las viabilidades de los preosteoblastos (MC3T3-E1) se vieron ligeramente afectadas por rGO a concentraciones <62.5 μg / mL, pero fueron significativamente ( p <0,05) disminuyó a concentraciones más altas (≥ 100 μg / ml) [23]. Además, tanto CXYG como GQD mostraron poco potencial citotóxico cuando se aplicaron en concentraciones bajas [34, 46]. En pocas palabras, los materiales de la familia del grafeno son citocompatibles a baja concentración con poca influencia negativa en la morfología, viabilidad y proliferación celular, pero la concentración no es el único factor pertinente.

En segundo lugar, se indica que las diversas formas, como capas, nanohojas y escamas, cintas y puntos, también contribuyen a la complejidad de la citotoxicidad de la familia del grafeno [40]. Talukdar y col. evaluó la citotoxicidad de las nanocebollas de grafeno (GNO), las nanocintas GO (GONR) y las nanoplaquetas GO (GONP). El CD ₅₀ los valores siguieron la tendencia GNOs> GONRs> GONPs, lo que indica que los GONRs eran más citotóxicos en comparación con los GONPs [47]. Por lo tanto, la forma de los nanomateriales de la familia del grafeno también es un componente clave en la mediación de la citotoxicidad. Por ejemplo, el grafeno y los nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWNT) tienen diferentes formas (láminas atómicas planas para el grafeno y tubulares para los nanotubos), pero su composición química y estructura cristalina son similares. GO no mostró la actividad inhibidora del crecimiento celular de las células SK-N-SH hasta 50 μg / mL. En comparación, los MWCNT inhibieron la proliferación de la célula a baja concentración (6,7 μg / ml), lo que indica su citotoxicidad aguda. Para las células HeLa, GO exhibió una actividad inhibidora del crecimiento menor incluso a concentraciones de hasta 50 μg / ml, mientras que los MWCNT tenían una citotoxicidad moderada en las células HeLa [48]. Dependían de este fenómeno de sus diferentes formas y variadas formas físico-químicas. Se esperaba que los materiales de la familia del grafeno tuvieran una interacción menor con las membranas celulares debido a las formas planas. La forma tubular de los MWCNT promovió la penetración de las membranas, lo que resultó en la citotoxicidad [48,49,50]. Otra información importante es que la citotoxicidad de los derivados del grafeno nanoestructurados también depende del tipo de célula, además de la dependencia de la funcionalización, la concentración, el tamaño y la forma. Como línea celular neural, las células SK-N-SH exhibieron más sensibilidad que las células HeLa a los efectos adversos de los derivados del grafeno nanoestructurado [48].

En tercer lugar, el tamaño también juega un papel importante en la bioseguridad de los materiales de la familia del grafeno. Yoon y col. evaluaron el efecto citotóxico dependiente del tamaño de las nanoflamas de grafeno a través de un biosensor de impedancia electroquímica basado en células. Descubrieron que las nanoescamas de grafeno más pequeñas (30,9 ± 5,4 nm) inducían la apoptosis debido a una mayor absorción por parte de las células, mientras que las nanohojas de grafeno más grandes (80,9 ± 5,5 nm), que en su mayoría se agregaban en las membranas celulares, causaban menos toxicidad [51]. Es bien sabido que las propiedades de captación celular de los nanomateriales pueden influir en la proliferación, diferenciación y excreción de nanopartículas [52]. Mu y col. elaboró los probables mecanismos de captación dependientes del tamaño de las nanohojas GO recubiertas de proteína y observó que las nanohojas más grandes (860 ± 370 nm) se unían primero a la superficie celular, seguido de la invaginación de la membrana, la extensión de los pseudópodos y finalmente ingresaban a las células principalmente a través de la fagocitosis, mientras que las nanohojas más pequeñas ( 420 ± 260 nm) ingresaron a las células predominantemente a través de endocitosis mediada por clatrina [33]. Das y col. sembrar células endoteliales de la vena umbilical humana (HUVEC) en 10 μg / mL de GO y rGO con hojas de diferentes tamaños (800 nm y 400 nm). Los resultados mostraron que las hojas de menor tamaño eran más tóxicas que las más grandes en el ensayo MTT. Y luego, el GO y el rGO de mayor tamaño (800 nm) se sometieron a ultrasonidos para dividirlos en tamaños más pequeños (70 nm). Se observó un aumento de la citotoxicidad después de la ecografía, lo que indica que los GO y rGO de menor tamaño exhibían más toxicidad [31]. De manera similar, las células MCF7 se expusieron a muestras de GO de cuatro tamaños (744 ± 178 nm, 323 ± 50 nm, 201 ± 28 nm y 100 ± 10 nm). En comparación con las células no tratadas, no se observó citotoxicidad in vitro incluso después de 72 h de exposición a las dispersiones de GO de mayor tamaño (744 ± 178 nm) mientras que el tratamiento con dispersiones de GO de 100 ± 10 nm dio como resultado una disminución en la proliferación celular. a aproximadamente el 50% de las células no tratadas [53]. A partir de los resultados anteriores, se investigó una amplia gama de tamaños de materiales de la familia del grafeno, de 30 a 860 nm. Y parece que llegamos a la conclusión de que los materiales de la familia del grafeno de menor tamaño son más tóxicos que los de mayor tamaño. Pero un equipo diferente tiene un estándar diferente para definir la escala de tamaño del grafeno y sus derivados. Por tanto, esta conclusión puede ser discutible. Mientras tanto, se informó que los materiales de la familia del grafeno de tamaño nanométrico eran mucho más seguros para aplicaciones biomédicas [54]. La síntesis de control de tamaño de los materiales de la familia del grafeno debe considerarse con prudencia en investigaciones posteriores.

Se concluye que la citotoxicidad del grafeno está críticamente relacionada con la variedad de la familia del grafeno, la funcionalización química, la concentración, la forma y el tamaño. En el futuro, nuestro objetivo es fabricar dispositivos biocompatibles con mejores interacciones con células, tejidos u organismos mediante un mejor control de la concentración y el tamaño, modificando la familia del grafeno con varios tipos de grupos funcionales.

Desafíos para determinar la bioseguridad y la biodistribución in vivo

Para detectar mejor si los materiales de la familia del grafeno son materiales biocompatibles y mejorar el uso propuesto en aplicaciones generalizadas, el experimento in vivo es un método indispensable. Muchas investigaciones sobre biocompatibilidad y biodistribución de materiales de la familia del grafeno in vivo son casi consistentes con sus estudios celulares. Chowdhury y col. aplicaron embriones de pez cebra a dispersiones de GO de mayor tamaño y no encontraron un aumento de la mortalidad del embrión en comparación con el grupo de control, mientras que se observó una viabilidad embrionaria reducida en las dispersiones de GO de tamaño más pequeño [53]. La GO no dio lugar a un aumento significativo de la apoptosis en el embrión, mientras que los MWCNT provocaron graves defectos morfológicos en los embriones en desarrollo, incluso a concentraciones relativamente bajas de 25 mg / L [48]. Estos estudios indicaron además que la toxicidad in vivo radica en gran medida en los tamaños, concentraciones y formas del grafeno y sus derivados. Además, los materiales de la familia del grafeno suelen estar expuestos a modelos animales mediante inyección intravenosa, inhalación o implantación subcutánea. Por tanto, los cambios en la toxicidad, la histología general y la biodistribución varían. Li y col. evaluaron la toxicología de la GO a nanoescala en ratones mediante inyección intravenosa y encontraron que la GO se retenía principalmente en el hígado, pulmón y bazo e inducía daño, hepatitis crónica y fibrosis pulmonar. Una capa de polietilenglicol (PEG) de GO (GO-PEG) podría reducir la retención de GO en el hígado, pulmón y bazo y aliviar las lesiones tisulares agudas [55]. Duch y col. exploraron estrategias para reducir el efecto tóxico de los nanomateriales de grafeno en el pulmón porque encontraron que el GO tenía una mayor toxicidad que el grafeno agregado y el grafeno dispersado por Pluronic cuando se administraba directamente a los pulmones de ratones, lo que inducía una lesión pulmonar grave y persistente. La toxicidad fue significativamente moderada por la fabricación de grafeno prístino a través de exfoliación en fase líquida y se minimizó aún más cuando se dispersó con el copolímero de bloque Pluronic [56]. Zha y col. identificaron la toxicidad in vivo a corto plazo (primeras 2 semanas después de la implantación) y a largo plazo (7 meses) y el rendimiento de las espumas de grafeno 3D (GF) o las espumas de óxido de grafeno (GOF) en un modelo de rata de implantación subcutánea. El análisis de sangre mostró que los GF y los GOF no indujeron una toxicidad hematológica, hepática o renal apreciable después de la implantación y no se observó una degradación significativa después de al menos 7 meses de implantación. Solo se observaron granulomas durante mucho tiempo en el sitio de implantación. Las imágenes teñidas con HE mostraron una mejor biocompatibilidad in vivo (fig. 1) [40]. La razón por la que Zha et al. Se obtuvieron resultados más positivos que otros estudios como probablemente se mencionó en las diferentes vías de administración. El experimento subcutáneo fue la forma muy directa y eficaz de evaluar la biocompatibilidad in vivo de los materiales implantados [57], lo que puede ejercer un efecto sobre los patrones de contacto, la ubicación de los depósitos e incluso las vías de degradación de los nanomateriales de la familia del grafeno in vivo [58]. Controlar la degradación de los compuestos es de vital importancia en la ingeniería de tejidos,

Imágenes representativas teñidas con HE de los órganos principales (región de implantación, hígado y riñón recolectados de las ratas) implantados con espumas de grafeno, espumas GO o nada el día 14 posterior a la implantación. No se observaron daños o lesiones de órganos obvios. Reproducido de ref. [40] con permiso del Journal of Nanoparticle Research

Generalmente, las investigaciones celulares son sobresalientes para un análisis de citotoxicidad preliminar, comprensión del probable mecanismo de interacción con las células. Pero es un microambiente mucho más complicado in vivo. Comprender cómo se comportan los materiales de la familia del grafeno en microambientes corrosivos húmedos también es fundamental. La biocompatibilidad de los materiales de la familia del grafeno está relacionada de manera no trivial con la concentración, las variedades de grupos funcionales, los tipos de familia del grafeno, los tamaños y las formas. Pero el mecanismo aún necesita ser investigado más a fondo y en detalle. Sin embargo, la evaluación de la bioseguridad in vivo no es comparable, especialmente la biocompatibilidad y la biodistribución a largo plazo, que necesitan que prestemos más atención. Aunque algunos artículos plantean preocupaciones sobre la bioseguridad, la versatilidad potencial que ofrece la familia del grafeno de forma única lo ha convertido en un candidato competitivo como opción para aplicaciones biomédicas.

Actividad antibacteriana de los materiales de la familia de grafeno

El remodelado óseo y la formación de hueso nuevo no pueden tener un éxito completo sin un microambiente estéril del defecto óseo. De hecho, el tratamiento del defecto óseo infeccioso sigue siendo un desafío importante [59]. Debido al gran defecto óseo y al problema infeccioso, el tratamiento es duro y los pacientes necesitan un período de recuperación a largo plazo. Por lo tanto, la capacidad de inhibición bacteriana de los materiales de la familia del grafeno ayuda mucho. Se cree que los materiales de la familia del grafeno poseen la capacidad de ser antibacterianos (Tabla 1). Liu y col. propusieron un mecanismo antimicrobiano de tres pasos, que incluía (1) la deposición celular inicial sobre materiales basados en grafeno, (2) el estrés de la membrana causado por el contacto directo con nanohojas afiladas y (3) la consiguiente oxidación independiente del anión superóxido [60]. Sin embargo, Mangadlao et al. pensó que la superficie del grafeno era la principal responsable de la actividad antimicrobiana y no los bordes. Cuando entra en contacto con bacterias, el grafeno actúa como un aceptor de electrones que bombea el electrón lejos de la membrana de la bacteria creando un estrés oxidativo independiente [61]. Mientras tanto, Li et al. proporcionó nuevos conocimientos para comprender mejor las acciones antibacterianas de la película de grafeno. Sostienen la opinión de que la actividad antibacteriana de los materiales de la familia del grafeno no provino del daño mediado por especies reactivas de oxígeno (ROS), sino a través de la interacción de transferencia de electrones de la membrana microbiana al grafeno [62], mientras que Panda et al. demostró que una influencia sinérgica del mecanismo de transferencia de electrones no oxidativo y el consiguiente estrés oxidativo mediado por ROS en las bacterias indujo una actividad antimicrobiana mejorada de las películas de metal GO de origen natural [63].

Aunque sigue siendo incierto cómo las propiedades fisicoquímicas de las láminas basadas en grafeno influyen en su actividad antimicrobiana, la capacidad de las antibacterias del material de la familia del grafeno es digno de que estudiemos y aprovechemos más.

Los materiales de la familia de grafeno median las células en la diferenciación osteogénica y promueven la regeneración ósea in vivo

Muchos estudiosos han señalado que el grafeno no solo puede permitir la unión y proliferación de células (p. Ej., Células madre de la pulpa dental [64, 65], células madre de la médula ósea [8, 20, 66, 67], células madre del ligamento periodontal [68]). ], osteoblastos humanos [69], células de fibroblastos [70], células tumorales [43]) sin signos de citotoxicidad aparente, pero también pueden inducir la diferenciación osteoblástica de las células tempranas y producir altos grados de mineralización [20, 64,65,66,67, 68]. En la actualidad, numerosos equipos realizaron concienzudamente numerosos estudios para diseñar nuevas estrategias de aplicación de los nanomateriales de la familia del grafeno como andamio o aditivo al andamio, como revestimiento de la superficie del material del sustrato, como guía de la membrana de regeneración ósea y como vehículo de administración de fármacos. (Figura 2). Intentaron utilizar materiales de la familia del grafeno para mejorar aún más ciertas propiedades del material del sustrato y conferir un carácter bioactivo a los compuestos a base de sustrato.

A. Materiales de la familia del grafeno como andamio o material de refuerzo en andamio para la regeneración ósea. B. Materiales de la familia del grafeno como revestimiento transferido al sustrato para la regeneración ósea. C. Familia del grafeno como aditivo en la membrana ósea guiada. D. Los materiales de la familia del grafeno como sistema de administración de fármacos facilitan la regeneración ósea

Materiales de la familia de grafeno como andamio o material de refuerzo en andamios

La estrategia más común para la ingeniería de tejido óseo es simular el proceso natural de remodelación y regeneración ósea. La estrategia puede satisfacerse mediante un andamio tridimensional (3D) biocompatible, biodegradable y osteoconductor u osteoinductivo [3]. Este tipo de andamio puede ofrecer un microambiente ideal para imitar la matriz extracelular (MEC) para la unión, migración, proliferación y diferenciación de células osteogénicas, así como para los portadores de factores de crecimiento [6]. El grafeno como un andamio biocompatible prometedor puede hacer que la gran superficie esté disponible para la propagación celular e incluso la diferenciación osteogénica en el sustrato [20]. Por ejemplo, las espumas de grafeno 3D empleadas como sustratos de cultivo para células madre mesenquimales humanas (hMSC) proporcionaron pruebas de que eran capaces de mantener la viabilidad de las células madre y promover la diferenciación osteogénica [66]. Además, se demostró que el andamio de grafeno 3D (3DGp) y el recubrimiento de grafeno 2D (2DGp) pueden inducir la diferenciación de las células madre del ligamento periodontal (PDLSC) en osteoblastos maduros por los niveles más altos de mineralización y genes relacionados con el hueso regulados positivamente y proteínas en grafeno, con o sin el uso de inductores químicos [68].

Hoy en día, los diversos biomateriales que sirven de andamios surgen como hongos. Los armazones sintéticos potencialmente adecuados para su uso en la regeneración ósea incluyen fosfato de calcio, como hidroxiapatita (HA) [71]; β-fosfato tricálcico (β-TCP) [72]; sintéticos o biopolímeros, como ácido poliláctico (PLA) [73], ácido poliglicólico (PLGA) [74], policaprolactona (PCL) [75], quitosano (CS) [1] y colágeno [76 ]; y compuestos de los materiales arriba mencionados [77, 78]. Pero ahora, una de las preocupaciones más importantes son las propiedades mecánicas de los andamios. Dado que el hueso natural exhibe propiedades biomecánicas superelásticas con un valor de módulo de Young en el rango de 7-27 GPa [79], los armazones ideales deben imitar la resistencia, rigidez y comportamiento mecánico del hueso natural. Los materiales de la familia del grafeno se pueden agregar como material reforzado en andamios con el objetivo de fortalecer las propiedades mecánicas y mejorar la caracterización fisicoquímica. Por ejemplo, el andamio de PCL puro tenía una resistencia a la tracción de 1,61 MPa, un alargamiento del 122% y un módulo de Young de 7,01 MPa. La adición de GO (2%) dio como resultado un aumento considerable de la resistencia a la tracción a 3,50 MPa, el alargamiento al 131% y el módulo de Young a 15,15 MPa [80].

Estimulados por el éxito del uso de materiales de la familia del grafeno como material de refuerzo, muchos equipos combinaron la biocompatibilidad proporcionada por biopolímeros sintéticos con propiedades físicas notables de los materiales de la familia del grafeno. Esperaban lograr un andamio compuesto ideal con propiedades mecánicas mejoradas, porosidad adecuada, diseños estructurales y excelente biocompatibilidad, para apoyar e inducir la formación de hueso nuevo.

Familia de grafeno con materiales a base de fosfato de calcio

El hueso humano consta de un 30% de materia orgánica, principalmente colágeno, y un 70% de materia inorgánica, principalmente hidroxiapatita (HA; Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ ) [81, 82]. Los materiales sintéticos a base de fosfato cálcico como HA, β-fosfato tricálcico (β-TCP) y cementos de fosfato cálcico (CPC) son materiales de andamiaje populares debido a sus composiciones y estructuras similares a la fase mineral natural del hueso y su buena formación ósea. habilidades [83,84,85]. En particular, debido a la buena capacidad de osteoconducción y osteoinducción de HA [86], se ha utilizado ampliamente durante mucho tiempo como injertos de hueso artificial en cirugía ortopédica o maxilofacial para reparar áreas de defectos óseos [11, 71]. Sin embargo, deben mejorarse los inconvenientes inherentes del material HA, como la dificultad de moldeado, la fragilidad peculiar y la baja tenacidad a la fractura [87, 88]. Se informó que se desarrollaron compuestos de HA reforzados con material de la familia del grafeno y que mejoraron significativamente la resistencia a la fractura y el rendimiento biológico. Por ejemplo, los compuestos de HA / grafeno se prepararon mediante sinterización por plasma de chispa (SPS), que otorgó al HA una resistencia aceptable [89]. Raucci y col. HA combinado con GO en dos enfoques diferentes:enfoque de sol-gel in situ y enfoque biomimético. El HA-GO obtenido mediante el método de sol-gel in situ mejoró la viabilidad celular de las hMSC e indujo la diferenciación osteoblástica sin utilizar factores osteogénicos. El HA-GO formado a través de un enfoque biomimético mantuvo la viabilidad y la proliferación celular [90]. Además, el óxido de grafeno reducido (rGO) también se puede utilizar como material de refuerzo para HA. La tenacidad a la fractura de los compuestos HA-rGO alcanzó 3,94 MPa m ^1/2 , un aumento del 203% en comparación con el HA puro. El HA-rGO mejoró la proliferación celular y la diferenciación osteoblástica, que se evaluó mediante la actividad de la fosfatasa alcalina (ALP) de las células osteoblásticas humanas [91]. Además, Nie et al. sintetizó con éxito el andamio de compuestos porosos 3D de rGO y nanohidroxiapatita (nHA) (nHA @ rGO) mediante el autoensamblaje. La solución de GO se mezcló con una suspensión de agua de nHA que se calentó para inducir el proceso de autoensamblaje. Por último, los productos de reacción se liofilizaron para obtener el armazón poroso 3D. El andamio nHA @ rGO puede facilitar significativamente la proliferación celular, la actividad ALP y la expresión génica osteogénica de las células madre mesenquimales de hueso de rata (rBMSC). Y un experimento in vivo aclaró que el andamio poroso de rGO (nHA @ rGO) incorporado al 20% de nHA puede acelerar la curación de los defectos circulares de la calota en conejos [92]. Además, no solo los componentes dobles, sino también los tricomponentes tuvieron excelentes rendimientos con buena citocompatibilidad y propiedades hidrófilas y mecánicas mejoradas [93,94,95].

El fosfato tricálcico, análogo del fosfato cálcico, es un fosfato cálcico terciario también conocido como ceniza ósea [Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ ]. Sirve como fuente abundante de calcio y fósforo, que se pueden absorber fácilmente. El fosfato beta-tricálcico (β-TCP) es altamente biocompatible y crea una red entrelazada reabsorbible dentro del sitio del defecto para promover la curación [96]. Wu y col. sintetizó con éxito discos 2D β-TCP-GO y andamios 3D β-TCP-GO. En comparación con el β-TCP y el control en blanco, los discos 2D β-TCP-GO mejoraron significativamente la proliferación, la actividad ALP y la expresión génica osteogénica de las hBMSC activando la vía de señalización relacionada con Wnt, lo que indica la excelente propiedad de osteestimulación in vitro de GO- β-TCP modificado [85]. Se sabe que la vía de señalización canónica Wnt juega un papel no trivial en la regulación de actividades celulares como la proliferación, diferenciación y morfogénesis celular [97, 98]. El estudio in vivo mostró que los andamios 3D β-TCP-GO tenían una mayor formación de hueso nuevo en los defectos calvariales que los andamios de TCP puro (Fig. 3) [85]. Un nuevo andamio, el cemento de fosfato de calcio incorporó andamios de nanocompuestos GO-Cu (CPC / GO-Cu) que facilitó la adhesión y la diferenciación osteogénica de rBMSC, que se confirmó que pueden regular positivamente la expresión de Hif-1α en rBMSC activando el Erk1 / 2 vía de señalización e indujo la secreción de factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) y proteína BMP-2. Además, los andamios CPC / GO-Cu se trasplantaron a ratas con defectos calvariales de tamaño crítico y los resultados mostraron que los andamios (CPC / GO-Cu) promovieron significativamente la angiogénesis y la osteogénesis en las áreas del defecto [99].

La ilustración del esquema para los armazones de β-TCP y β-TCP-GO estimuló la osteogénesis in vivo. Análisis micro-CT y análisis histológico de la capacidad de formación ósea in vivo para los andamios β-TCP y β-TCP-GO después de implantados en los defectos óseos craneales de conejos durante 8 semanas. Reproducido de ref. [85] con permiso del Journal of Carbon

Familia de grafeno con quitosano

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.

un 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.

un 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 y col. 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].

un 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 y col. 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.

Conclusiones

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.

Abreviaturas

ALP:: Alkaline phosphatase
BMP-2:: Bone morphogenetic protein-2
BMSC:: Bone mesenchymal stem cells
CPC:: Calcium phosphate cements
CVD:: Deposición 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:: Puntos cuánticos de grafeno
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:: Polietilenglicol
PET:: Tereftalato de polietileno
PLA:: Poly-lactic acid
PLGA:: Poly-glycolic acid
PPY:: Polipirrol
rGO:: Óxido de grafeno reducido
ROS:: Especies reactivas de oxígeno
SIM:: Simvastatin
SP:: Substance P
SPS:: Spark plasma sintering
Ti:: Titanio
Van:: Vancomycin
VEGF:: Vascular endothelial growth factor
β-TCP:: β-Tricalcium phosphate

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