由创伤、感染和肿瘤导致的难愈合性骨缺损的治疗一直是临床上所面临的一个难题。自体骨移植是相关骨缺损治疗的黄金方案。不过,有限的供体来源制约了其广泛应用。以聚合物材料为基体的多种骨组织工程支架在常规骨缺损的移植治疗中已经取得了良好的效果。但是,在一些创伤和疾病的胁迫下,缺损骨组织的微环境被扰乱,常规支架材料的治疗效果往往很有限。生物材料和再生医学的快速发展为以上问题的解决提供了新的视角。石墨烯作为一种经典的二维材料,由于其良好的成骨活性,在骨组织修复领域引起了极大的关注。特别的,石墨烯基材料易于组装和修饰,是一种良好的功能化平台。本课题采用石墨烯材料为本体单元,针对不同类型难愈合骨缺损的病理特点,构建了一系列功能化的仿生矿化三维多孔支架,并对其理化性质和体内外成骨活性进行了表征,为相关类型的骨损伤提供了一个新的治疗途径。本课题研究内容概括为以下3个部分:(1)以大面积急性骨缺损的治疗为目标。利用氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)和纳米羟基磷灰石(Nano-hydroxyapatite,HA)为反应物,通过水热法诱导GO在还原过程中发生自组装,构建了还原氧化石墨烯/纳米羟基磷灰石(nHA@RGO)三维多孔支架。通过检测反应前后溶液的丁达尔效应,发现在还原过程中,nHA被完全负载到所形成的支架中。使用场发射扫描电镜(Field emission scanning electron microscope,FESEM)观察了支架表面的形貌,结果显示纳米羟基磷灰石的掺杂量对支架的形貌有较大的影响。随着nHA的掺杂量从20%逐渐升高到80%,原本清晰的多孔的结构逐渐变得模糊。同步的表面元素分析不仅定性的揭示了nHA在支架上的均匀分布而且还定量的确证了支架多孔结构的变化与nHA负载量的关系。透射电镜(Transmission electron microscope,TEM)的检测结果表明nHA在反应前就有可能与GO形成了复合物,而且nHA投料量与nHA在GO上的负载密度呈正相关,这为研究这一类型的自组装原理提供了一定的数据支撑。进一步的傅里叶红外光谱(Fourier infrared spectroscopy,FTIR)和X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)从组成和结构上研究了所制备支架的物理化学性质,最终证明了nHA@RGO支架的成功制备。以大鼠的骨髓基质细胞(Rat bone marrow stromal cells,rBMSC)为模型细胞,通过体外的粘附、增值和诱导分化实验,发现当nHA的掺杂量为20%时,所制备的nHA@RGO多孔支架具有最好的促细胞扩增能力和成骨活性。在接下来的体内组织包埋中,各种组织学和血液学指标表明所制备的支架不仅在细胞层面上具有优异的相容性,而且体内的植入也不会引起坏死和炎症,具有良好的组织相容性。最后,利用兔原位颅骨缺损模型,对nHA@RGO支架的原位再生能力进行了详细的研究。不同时间点的组织学和影像学数据均表明,相对于纯RGO支架,20%nHA@RGO能显著的加速胶原沉积,缩短类骨质成熟时间,促进缺损创面愈合,是一种潜在的治疗大面积急性骨缺损的组织工程支架。(2)以多药耐药性细菌引起的感染性骨缺损为治疗目标,在第一章的研究基础上,改进自组装的方法,以抗坏血酸为还原剂,在较低的温度下诱发了GO的自组装。同时,除了nHA,还在自组装体系中添加银离子,使其与GO同步还原,最终在所制备的三维多孔支架(A)中负载了具有极强抗菌能力的纳米银颗粒(Nano silver particles,AgNPs),成功的制备了负载纳米银颗粒的石墨烯三维多孔支架(AgNPs-nHA@RGO,AHRG)。通过扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)观察了材料的表面形貌,发现所形成AgNPs呈颗粒状均匀的分布在支架孔道表面。元素面扫描图谱分析显示,在支架表面分散着钙(Ca)、磷(P)、银(Ag)和碳(C)等元素。X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)以及选区电子衍射(Selected area electron diffraction,SAED)的实验结果中发现了复合物中Ag单质存在的证据,在结构和电子能态上证明了复合体中AgNPs的形成。以临床上收集的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus,MRSA)为模型细菌,采用平板抑菌圈法和细菌动态培养法系统的研究了AHRG的抗菌性能,结果发现当支架中的AgNPs负载量为4%时,支架具有较好的生物相容性和抗菌能力。这种抗菌作用在细菌生物膜抑制试验中亦得到了进一步的证实。此外,与RGO的结合还使得制备的AHRG支架表现出较强的持续抗菌效果。即使在中性磷酸盐缓冲盐(PBS,pH=7.0)中连续洗脱2周以后,复合支架仍然具有一定的抗菌活性。将材料的浸提液与rBMSCs共培养,通过对细胞呼吸链活性(CCK-8)和细胞乳酸脱氢酶(Lactate dehydrogenase,LDH)的检测,证明了所制备复合支架良好的细胞相容性。采用兔桡骨骨髓炎模型研究了4%AHRG的体内的抗菌和成骨活性。以不同时间点的超敏C反应蛋白(C-reactive protein,CRP)和白细胞(White blood cell,WBC)的变化为指标,探讨了复合材料植入后体内感染的抑制情况。同时利用高精度的显微计算机断层扫描技术(Micro-computed tomography,Micro-CT)对损伤部位的骨修复情况进行三维评价和比较。最后结合组织学分析结果,证实了所制备的4%AHRG多孔支架具有良好的体内抗菌和促进感染性骨缺损愈合的作用。而且在治疗结束3个月以内,并未观察到感染的复发,显示了其对定殖于体内的多药耐药细菌的根除作用。(3)以骨肿瘤引发的骨缺损为治疗目标,受前两章中石墨烯复合材料方面成功应用的启发,设计了一种具有较强光热转化效率的石墨烯复合支架,以期通过材料的光热效应和成骨活性来协同治疗肿瘤性骨缺损。具体的,以镍(Ni)泡沫为模板,通过化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD),制备了孔径大小均一的石墨烯多孔支架(G),并通过改进的半干式电化学沉积方法,在支架的表面和内部均匀的负载上了羟基磷灰石涂层,得到了石墨烯/羟基磷灰石支架(HA@G)。与前面两章使用的自组装方法得到复合材料不同,本章中制备的支架是由没有任何结构缺陷的石墨烯层层生长而成,其导电性和光热转换效率相对于RGO均有明显的提高。此外,利用所制备支架良好的导电特性,以改进的半干式电化学沉积法,使电流全层穿过吸附有电解液的多孔石墨烯支架,在加速矿化速度的同时还改善了沉积物在支架中的分布,克服了以往沉积层在电极/电解液界面过度生长导致的分布不均问题。通过SEM和XRD分析了材料的形貌和物相结构,发现电沉积的时间和加载在石墨烯支架两侧的电压对沉积物的结构有很大的影响,当电压为10伏特(V),沉积时间为4分钟(min)时,可以得到孔道结构清晰,表面矿化物均匀的HA@G支架。体外细胞实验表明,矿化后的石墨烯能够有效的提高rBMSC在其上的扩增和成骨分化能力。特别的,HA@G支架在体外980 nm波长0.6 W/cm~2光密度功率的近红外光的照射下可以在10 min内上升到50 ~oC,显示了其优异的光热转化能力。体内的热成像确证了体外的实验的结果,并且还发现在该光源参数下小鼠身体其他部位的温度始终没有明显的波动,揭示了该支架在体内应用的安全性。最后,分别通过小鼠的肿瘤和大鼠的颅骨缺损模型验证了HA@G的体内抗肿瘤和促成骨的治疗效果。综上所述,本论文主要针对各种难愈合骨缺损的治疗难点,利用石墨烯基材料为基础单元,通过各种组装和修饰制备了特定功能的仿生矿化三维多孔支架,研究了支架的植入对损伤部位病理环境的影响,考察了所制备支架的体内外成骨活性。本论文为临床上难愈合性骨缺损的治疗提供了若干新的途径和研究视角,也为理解石墨烯基材料在各种成骨微环境中的作用机制提供了初步的体内实验依据。