通过模拟天然骨组织的电生理特性，在缺损部位重建局部电微环境被认为是促进骨再生的有效策略。近年来，纳米压电材料由于其在外部应力下产生电场的能力而引起了人们的极大关注。因此，在细胞运动期间通过压电和生物可降解纳米材料的变形来创造电微环境是相当令人感兴趣的。
山东大学刘宏、刘超与济南大学王树萍、任娜等研究人员把石墨烯（Gr）掺入聚（L – 乳酸）（PLLA）中，借助静电纺丝技术开发出了PLLA/Gr压电纳米纤维支架。该纳米纤维支架具备出色的压电性能和生物相容性，无需生长因子辅助，加速骨髓间充质干细胞的成骨分化。在体内实验中，PLLA/Gr 纳米纤维支架展现出组织相容性，有效的加速了骨缺损的修复。此项研究凸显了自供电压电纳米纤维支架作为修复复杂骨缺损的有潜力的治疗平台的价值。
研究人员利用使用静电纺丝制备了PLLA/Gr纳米纤维支架。该支架表现出丰富的多孔网络结构，有助于营养物质和氧气的运输，为细胞增殖和分化提供保障。石墨烯的均匀分散增强了纤维在微观尺度上的拉伸取向，促进了PLLA分子链沿纤维轴向的排列。此外，石墨烯的高电导率促进了纤维内电场的均匀分布，有助于增强分子链的取向，提升支架的压电性能和信号输出。
通过 XRD 表征，在 2θ=16.6° 和 21.2° 处分别观察到对应于PLLA晶体110 晶面与205晶面的衍射峰。拉曼光谱检测到了Gr特有的D峰与G峰，证实了 Gr的成功掺杂。XPS 能谱检测到 284.8 eV、286.8 eV 和 288.9 eV 三处特征峰，分别归属于 PLLA 分子中的 C-C/C-H、C-O 和 O-C=O 键。而PLLA/Gr 纳米纤维支架中 C-C 键对应的峰强度显著增强，1213 cm⁻¹处峰值升高、1360 cm⁻¹ 处峰值降低，表明 Gr 的掺杂有效促进了PLLA中α相含量的提升。PFM 测试发现，PLLA/Gr 纳米纤维支架的相图滞后环呈现出更为明显的电滞回线特征，证实了支架的压电性能由于Gr的参杂而显著增强。
用氧等离子体处理后，纳米纤维支架的接触角降低，亲水性显著提高。CCK-8检测和细胞活/死荧光染色显示，细胞的增殖能力随时间逐渐增加，表明良好的细胞相容性。其中，纳米纤维支架上的细胞增殖相对于对照组较低，可能暗示了细胞更倾向于分化。细胞骨架染色和SEM检测显示，纳米纤维支架上的细胞表现出典型成骨细胞的多边形结构，这表明纳米纤维支架具有促进干细胞成骨分化的潜能。
细胞运动诱导的纳米纤维支架压电信号输出，可通过生物电刺激调控骨髓间充质干细胞的成骨分化。研究团队从基因转录与蛋白表达方面评估了 PLLA/Gr 纳米纤维支架对 BMSCs 成骨分化的影响。与对照组相比，支架培养体系中的成骨分化标志性基因（Runx2、OPN、OCN）的mRNA 转录水平显著上调；而成骨分化标志性蛋白(OPN、OCN、COL-1以及BMP2)的表达量同样呈现升高趋势。此外，作为成骨细胞功能表征的关键酶，碱性磷酸酶（ALP）可催化磷脂水解生成游离无机磷酸盐，其活性水平直接反映成骨分化程度；而矿化结节形成是成骨分化的终末标志，通过茜素红（ARS）染色可特异性检测钙盐沉积。实验结果表明，PLLA/Gr 纳米纤维支架的表面表现出更为强烈的 ALP 活性染色阳性反应，同时 ARS 染色显示出面积更大、染色更深的矿化结节区域。
为了进一步证实，PLLA/Gr纳米纤维支架促进骨缺损修复的潜能。研究人员在大鼠股骨干中部制造直径3mm的圆形缺损，建立大鼠骨缺损模型。使用适当尺寸的纳米纤维支架覆盖缺损区域。植入后四周，在PLLA/Gr纳米纤维支架包覆的骨缺损处呈现处大量的新生骨（NB），且无明显的炎性细胞，缺损区域得到了实质性修复。骨体积/总体积（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）和骨矿物质密度（BMD）都得到显著提升。而对照组的骨缺损仍较大并且伴有炎性纤维组织（FT）包裹。这充分证实了PLLA/Gr纳米纤维支架在促进骨缺损修复中的治疗潜能，提供了一种无需外部生长因子或细胞即可加速骨缺损修复的有效手段，从而为临床应用提供了一种有前途的方法。
论文信息：
Dispersed Graphene Nanosheets Enhance Piezoelectricity of Poly (L-lactic acid) Nanofibrous Scaffold to Promote Bone Defect Repair
Zhichao Feng, Shengming Zhang, Na Ren*, Shuang Hu, Ailing Yin, Mengwei Dong, Li Chang, Aizhu Wang, Jingang Wang, Chunhui Sun, Shuping Wang*, Chao Liu*, Hong Liu*
Advanced Healthcare Materials
DOI: 10.1002/adhm.202404490
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