由圣保罗大学和阿尔伯特·爱因斯坦医学院团队研发的结构，在与有机聚合物结合后，能够修复骨质缺损或畸形。
作者：雷纳尔多·何塞·洛佩斯 | 圣保罗研究基金会通讯社（Agência FAPESP）——巴西利用实验室大鼠进行的实验表明，基于石墨烯的结构可成为骨再生领域的强力助力。这些结构由仅有一个原子厚度的碳元素薄片构成，有助于治愈骨折或修复骨缺损。在测试中，含有石墨烯的生物相容性基质使实验对象在实验室诱导骨折一个月后，受损部位的修复率接近90%——这一表现优于研究中使用的其他材料。
该生物材料的性能分析结果已发表于《Scientific Reports》期刊。阿尔伯特·爱因斯坦以色列健康科学学院的Daniela Franco Bueno与圣保罗大学工程学院（POLI-USP）的Guilherme Lenz e Silva共同主持了这项研究。
Bueno表示，这些结果有力地表明，该方法很快将应用于人类患者。“该技术已处于临床前研发的后期阶段，”她总结道，“下一步向临床试验应用的道路已十分清晰。”
研究团队将黑液——一种含有溶解木质残渣及其他有机分子的造纸工业副产品——作为实验原料。黑液是一种深色溶液，故得此名。
从黑液处理中提取的碳已被与多种纳米级材料（尺寸约为十亿分之一米）结合，包括石墨烯本身、氧化石墨烯和纳米石墨。最新加入的是壳聚糖-黄原胶基聚合物，它们分别是源自甲壳类动物和细菌的复杂有机分子。
Bueno指出，此类生物材料的行为特性不同于金属等惰性、永久性假体。然而，它们也不会像某些可降解聚合物那样被人体简单地吸收。
“在组织工程领域，这些材料主要充当生物活性支架，”她说，“它们是引导、刺激并加速骨组织再生的临时结构。从中长期来看，发生的过程并非材料的被动永久存在，而是与人体的动态交互。”
碳结构的具体形状、颗粒大小以及与其他材料的组合，都是影响这种相互作用的因素。这些因素影响着生物材料与体内细胞（如巨噬细胞（防御细胞）、破骨细胞（负责吸收骨骼结构）和干细胞（能产生各种细胞结构））之间的关系。根据具体情况，该材料可能降解或重塑，并逐渐被新形成的骨组织所取代。或者，它可能以微量残留的形式存在，既不引发炎症，又能起到结构加固的作用。
“生物材料的成功恰恰在于退居二线，为再生组织让路，”这位研究人员表示。遵循这一逻辑，将壳聚糖与石墨烯结合具有战略意义，因为这两种材料分别影响受损骨骼再生过程的不同方面。
壳聚糖更具可塑性，能在体内以可控方式降解，且生物相容性更强（即不会被机体排斥）。另一方面，石墨烯则能促进细胞粘附、血管生成（新血管的形成）以及成骨分化——即不同类型的骨细胞通过这一过程获得专门功能。
“这种协同作用形成了一种三维结构，它不仅仅是一个物理支架，更是一个具有生物活性的环境，能够刺激细胞以更有序、更具功能性的方式更快地形成骨组织，”Bueno说。
为了实现这一过程，必须调控生物材料的微观结构，使其孔隙大小和连接方式能够让血管和细胞进入，并促进营养物质的交换。同时还必须考虑刚度和强度等特性，以确保与骨组织的相容性。实验室制备方法和3D打印技术能够控制所有这些因素。
在该研究中描述的实验（由FAPESP资助，项目编号20/12954-2和18/18890-6）中，研究团队使用了不同配方的生物材料，以促进16只雄性大鼠胫骨的骨折再生。所有类型的支架均显示出显著的骨再生率，其中石墨烯的表现最佳。
研究人员预计该方法将有助于治疗骨折，以及修复骨缺损或先天性骨畸形。为此，他们计划将生物材料与干细胞（如源自乳牙牙髓的干细胞）相结合。研究团队目前正在对此方法进行测试。
“将干细胞与生物材料结合，通过协调血管生成和组织整合来加速骨形成，使该过程更高效且更具生物智能。我们并非在替换组织，而是教导身体如何再生组织，”该研究的作者解释道。
论文《Structural and biological characterization of carbon–graphene biomaterials derived from black liquor with functional properties for bone tissue engineering》可于 nature.com/articles/s41598-025-29606-x 查阅。
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