Matériaux de la famille du graphène dans la régénération des tissus osseux :perspectives et défis

Introduction

Les victimes d'infections maxillo-faciales sévères, de traumatismes, de tumeurs et de malformations congénitales souffrant de malformations osseuses de la mâchoire nécessitent généralement une convalescence prolongée. Contrairement à de nombreux autres tissus, l'os a une capacité exceptionnelle à se régénérer lorsqu'il est endommagé [1, 2]. Cependant, la capacité d'auto-régénération limitée du squelette humain fait de la reconstruction d'un défaut osseux suffisamment grand ou de taille critique un défi important pour la thérapie clinique [3]. Dans certains cas, les patients sévères ont même besoin de chirurgies d'augmentation osseuse étendues. Les thérapies actuelles pour la régénération osseuse consistent en l'autogreffe, l'allogreffe et la xénogreffe [4]. L'os autologue est considéré comme le matériau de greffe osseuse de référence, avec des capacités d'ostéoconduction, d'ostéoinduction et d'ostéogenèse, sans immunogénicité également. Mais les raisons pour lesquelles l'autogreffe est encore limitée à l'utilisation en clinique sont le risque d'infection du donneur et le long temps de récupération [5]. L'allogreffe, obtenue d'un autre individu, est souvent considérée comme la meilleure option suivante. Mais l'utilisation d'une allogreffe présente des risques potentiels, tels qu'un risque considérablement accru d'infection et de rejet immunitaire [4, 6]. Les matériaux de xénogreffe, tels que la matrice osseuse déminéralisée digérée à l'acide et le collagène bovin, sont facilement obtenus et fabriqués. Aujourd'hui, la xénogreffe est une approche principale dans la pratique clinique. Mais il a de faibles capacités ostéoinductives [7]. A l'heure actuelle, par rapport à l'os, il n'existe pas de substitut osseux hétérologue ou synthétique ayant des propriétés biologiques ou mécaniques supérieures voire les mêmes [5]. Bien que ces thérapies se soient avérées utiles, elles souffrent de défis inhérents. Par conséquent, une thérapie de régénération osseuse adéquate doit encore être recherchée et développée. Certes, l'ingénierie du tissu osseux et la recherche en médecine régénérative ouvrent des voies pour améliorer les résultats et accélérer la récupération des patients présentant une anomalie osseuse [8]. Les constructions osseuses par ingénierie tissulaire ont le potentiel d'atténuer la demande résultant de la pénurie de matériaux d'autogreffe et d'allogreffe appropriés pour augmenter la cicatrisation osseuse [9]. Pour augmenter le volume osseux dans les zones de défauts osseux, diverses méthodes de régénération osseuse ont été développées, notamment des échafaudages [1, 6], des revêtements [10] et des membranes barrières pour la régénération osseuse guidée (GBR) [11, 12].

Actuellement, le potentiel des matériaux de la famille du graphène a attiré une attention considérable en tant que revêtement planaire 2D ou échafaudages poreux 3D pour la différenciation de divers types de cellules souches vers neurogène [13,14,15], chondrogénique [16, 17], myogène [18] , adipogènes [19] et ostéogéniques [20, 21]. Ainsi, les matériaux de la famille du graphène sont plus susceptibles d'être un candidat de choix pour les prochains matériaux de régénération osseuse. Graphène, défini comme une ou plusieurs couches de sp ² -atomes de carbone hybridés, a d'abord été isolé du graphite par Novoselov et Geim en 2004 [22]. Avec les intérêts de recherche croissants, les matériaux de la famille du graphène, y compris l'oxyde de graphène (GO), le carboxyle graphène (CXYG), l'oxyde de graphène réduit (rGO) et les points quantiques de graphène (GQD), sont largement étudiés. Le graphène possède des propriétés exceptionnellement mécaniques, conductrices, thermiques et optiques [23,24,25], qui ont été largement appliquées dans l'électronique, la biotechnologie et la science des polymères [26]. Il est reconnu que les matériaux conducteurs avec une conductivité prometteuse améliorent les activités cellulaires et stimulent la réparation du tissu osseux [27, 28], présentant également une bonne activité antibactérienne [29]. L'oxyde de graphène (GO) et le carboxyle graphène (CXYG) sont tous deux des dérivés du graphène. En raison de la présence de groupes fonctionnels oxygénés (groupes époxyde, carboxyle et hydroxyle), GO et CXYG ont une meilleure dispersion dans les solvants hydrophiles, ce qui est essentiel pour les applications biomédicales [30, 31]. L'oxyde de graphène réduit (rGO) peut être synthétisé par réduction de GO avec des agents réducteurs spécifiques dans certaines conditions. Grâce à la réduction de certaines interactions chimiques spéciales π-π, rGO possède certaines propriétés physiques et chimiques meilleures que le graphène et GO [32, 33]. La matière première des points quantiques de graphène (GQD) est le GO. Les GQD ont de forts confinements quantiques et des propriétés de photoluminescence [34]. La forte fluorescence des GQD les rend utiles en imagerie cellulaire. En raison des excellentes propriétés des matériaux de la famille du graphène, ils possèdent un énorme potentiel pour l'administration de médicaments/gènes, les applications de détection/imagerie biologiques et l'ingénierie tissulaire [35,36,37,38,39]. Cependant, des défis subsistent quant à la sécurité biologique à long terme et à la capacité d'induire la différenciation ostéogénique des cellules des matériaux de la famille du graphène. Ici, nous passons en revue de manière exhaustive les progrès et réalisations récents dans le graphène et ses dérivés. Simultanément, nous analysons de manière critique la biosécurité in vitro et in vivo et discutons de la faisabilité de diverses applications biomédicales des matériaux de la famille du graphène pour la régénération du tissu osseux.

Défis dans la détermination de la biosécurité des matériaux de la famille du graphène

Défis dans la détermination de la biosécurité in vitro

Avant que les matériaux de la famille du graphène soient considérés pour des essais cliniques, ils doivent être évalués rigoureusement par leur cytotoxicité et leur biocompatibilité [38]. « Le graphène est-il un matériau biocompatible ? » La réponse est encore controversée. Le graphène brut sans aucune fonctionnalisation est hydrophobe et s'agglomère facilement en milieu aqueux [34, 40]. Sur les surfaces hydrophobes, une couche dense de protéines non spécifiques peut déplacer l'eau de la surface et s'accumuler immédiatement sur les matériaux, entraînant une reconnaissance immunologique des nanoparticules [41]. Ainsi, la fonctionnalisation chimique, y compris l'oxydation, la réduction et l'introduction de groupes fonctionnels, est une condition préalable pour le graphène utilisé dans des applications biomédicales, qui augmentent l'hydrophilie du graphène. Les matériaux de la famille du graphène avec des fonctionnalités différentes, ayant des propriétés chimiques différentes, exercent des toxicités différentes [13]. Soumen et al. ont constaté que rGO était moins toxique que GO. Il était intéressant de voir que le stress oxydatif augmentait avec une augmentation de la densité des groupes fonctionnels de l'oxygène sur la surface rGO. Ils ont conclu que la densité de groupes fonctionnels sur la feuille GO était l'un des facteurs clés dans la médiation de la cytotoxicité cellulaire [31]. Outre la fonctionnalisation de surface, la cytotoxicité des matériaux de la famille du graphène a été influencée par de nombreux facteurs, notamment leur concentration, leur taille et leur forme [42].

Premièrement, certaines recherches ont démontré que les matériaux de la famille du graphène présentaient une cytotoxicité dépendante de la dose avec ou sans cytotoxicité dépendante du temps. Par exemple, Chang et al. ont rapporté qu'une légère perte de viabilité cellulaire a été observée à une concentration élevée de GO (≥ 50 μg/mL) et que la GO peut induire une accumulation intracellulaire et provoquer un stress oxydatif dose-dépendant dans une lignée cellulaire épithéliale de carcinome pulmonaire (A549) [43]. Wei et al. ont démontré que le GO vierge inhibait la prolifération des cellules souches mésenchymateuses osseuses (BMSC) à une concentration élevée de 10 μg/mL, tout en améliorant la prolifération des BMSC à une faible concentration de 0,1 μg/mL [44]. De même, une diminution du nombre de cellules a été clairement observée avec 200 μg/mL de GO et un effet de cytotoxicité plus important a été rapporté avec 300 μg/mL de GO [45]. De plus, Kim et al. ont constaté que les viabilités des préostéoblastes (MC3T3-E1) étaient légèrement affectées par la rGO à des concentrations < 62,5 μg/mL, mais étaient significativement (p < 0,05) diminuait à des concentrations plus élevées (≥ 100 μg/mL) [23]. De plus, les CXYG et les GQD ont tous deux montré un faible potentiel cytotoxique lorsqu'ils étaient appliqués à de faibles concentrations [34, 46]. En termes simples, les matériaux de la famille du graphène sont cytocompatibles à faible concentration avec peu d'influence négative sur la morphologie, la viabilité et la prolifération cellulaires, mais la concentration n'est pas le seul facteur pertinent.

Deuxièmement, il est indiqué que les diverses formes, telles que la couche, les nanofeuillets et les flocons, les rubans et les points, contribuent également à la complexité de la cytotoxicité de la famille du graphène [40]. Talukdar et al. ont évalué la cytotoxicité des nano-oignons de graphène (GNO), des nanorubans GO (GONR) et des nanoplaquettes GO (GONP). Le CD₅₀ les valeurs suivaient la tendance GNOs> GONRs> GONPs, indiquant que les GONRs étaient plus cytotoxiques que les GONPs [47]. Ainsi, la forme des nanomatériaux de la famille du graphène est également un élément clé dans la médiation de la cytotoxicité. Par exemple, le graphène et les nanotubes de carbone à parois multiples (MWNT) ont des formes différentes (feuilles atomiques plates pour le graphène et tubulaires pour les nanotubes), mais leur composition chimique et leur structure cristalline sont similaires. GO n'a pas montré l'activité inhibitrice de la croissance cellulaire des cellules SK-N-SH jusqu'à 50 μg/mL. En comparaison, les MWCNT ont inhibé la prolifération de la cellule à faible concentration (6,7 μg/mL), indiquant sa cytotoxicité aiguë. Pour les cellules HeLa, GO présentait une activité inhibitrice de croissance mineure même à des concentrations allant jusqu'à 50 μg/mL, alors que les MWCNT présentaient une cytotoxicité modérée sur les cellules HeLa [48]. Ils dépendaient de ce phénomène de leur forme différente et de leurs manières physico-chimiques variées. Les matériaux de la famille du graphène devaient avoir une interaction mineure avec les membranes cellulaires en raison des formes plates. La forme tubulaire des MWCNT favorisait la pénétration des membranes, entraînant la cytotoxicité [48,49,50]. Une autre information importante est que la cytotoxicité des dérivés de graphène nanostructurés dépend également du type cellulaire en plus de la dépendance de la fonctionnalisation, de la concentration, de la taille et de la forme. En tant que lignée cellulaire neurale, les cellules SK-N-SH présentaient une plus grande sensibilité que les cellules HeLa aux effets néfastes des dérivés nanostructurés du graphène [48].

Troisièmement, la taille joue également un rôle important sur la biosécurité des matériaux de la famille du graphène. Yoon et al. ont évalué que l'effet cytotoxique dépendant de la taille des nanoflocons de graphène via un biocapteur d'impédance électrochimique cellulaire. Ils ont découvert que les nanoflocons de graphène plus petits (30,9 ± 5,4 nm) induisaient l'apoptose en raison d'une absorption plus élevée par les cellules, tandis que les nanoflocons de graphène plus gros (80,9 ± 5,5 nm) qui s'agglutinaient principalement sur les membranes cellulaires provoquaient moins de toxicité [51]. Il est bien connu que les propriétés d'absorption cellulaire des nanomatériaux peuvent influencer la prolifération, la différenciation et l'excrétion des nanoparticules cellulaires [52]. Mu et al. ont élaboré les mécanismes d'absorption probablement dépendants de la taille des nanofeuillets GO recouverts de protéines et ont observé que des nanofeuillets plus grands (860 ± 370 nm) se sont d'abord attachés à la surface cellulaire, suivis par 420 ± 260 nm) ont pénétré les cellules principalement par endocytose médiée par la clathrine [33]. Das et al. ensemencer des cellules endothéliales de veine ombilicale humaine (HUVEC) dans 10 μg/mL de GO et rGO avec des feuilles de tailles différentes (800 nm et 400 nm). Les résultats ont montré que les feuilles de plus petite taille étaient plus toxiques que les plus grandes dans le test MTT. Et puis, les GO et rGO de plus grande taille (800 nm) ont été soumis à des ultrasons afin d'être divisés en plus petites tailles (70 nm). Une cytotoxicité accrue a été observée après ultrasonication, indiquant que les GO et rGO de plus petite taille présentaient plus de toxicité [31]. De même, les cellules MCF7 ont été exposées à quatre échantillons de GO (744 ± 178 nm, 323 ± 50 nm, 201 ± 28 nm et 100 ± 10 nm). Par rapport aux cellules non traitées, aucune cytotoxicité n'a été observée in vitro même après 72 h d'exposition aux dispersions de GO de plus grande taille (744 ± 178 nm), tandis que le traitement avec des dispersions de GO de 100 ± 10 nm a entraîné une diminution de la prolifération cellulaire à environ 50 % des cellules non traitées [53]. À partir des résultats ci-dessus, une large gamme de tailles de matériaux de la famille du graphène a été recherchée, de 30 à 860 nm. Et nous semblons arriver à la conclusion que les matériaux de la famille du graphène de plus petite taille sont plus toxiques que ceux de plus grande taille. Mais une équipe différente a une norme différente pour définir l'échelle de taille du graphène et de ses dérivés. Ainsi, cette conclusion peut être discutable. Pendant ce temps, il a été rapporté que les matériaux de la famille du graphène de taille nanométrique étaient beaucoup plus sûrs pour les applications biomédicales [54]. La synthèse de contrôle de la taille des matériaux de la famille du graphène doit être considérée avec prudence dans les recherches ultérieures.

Il est conclu que la cytotoxicité du graphène est étroitement liée à la variété de la famille du graphène, à la fonctionnalisation chimique, à la concentration, à la forme et à la taille. À l'avenir, nous visons à fabriquer des dispositifs biocompatibles avec de meilleures interactions avec les cellules, les tissus ou les organismes par un meilleur contrôle de la concentration et de la taille, en modifiant la famille du graphène avec divers types de groupes fonctionnels.

Défis dans la détermination de la biosécurité et de la biodistribution in vivo

Afin de détecter davantage si les matériaux de la famille du graphène sont des matériaux biocompatibles et d'améliorer l'utilisation proposée dans des applications généralisées, l'expérimentation in vivo est une méthode indispensable. De nombreuses recherches sur la biocompatibilité et la biodistribution des matériaux de la famille du graphène in vivo sont presque cohérentes avec leurs études cellulaires. Chowdhury et al. appliqué l'embryon de poisson zèbre à des dispersions GO de plus grande taille et n'a trouvé aucune augmentation de la mortalité des embryons par rapport au groupe témoin, tandis qu'une viabilité embryonnaire réduite a été observée dans les dispersions GO de plus petite taille [53]. GO n'a pas conduit à une augmentation significative de l'apoptose dans l'embryon tandis que les MWCNT ont entraîné de graves défauts morphologiques dans les embryons en développement, même à une concentration relativement faible de 25 mg/L [48]. Ces études ont en outre indiqué que la toxicité in vivo dépend en grande partie des tailles, des concentrations et des formes du graphène et de ses dérivés. De plus, les matériaux de la famille du graphène sont généralement exposés à des modèles animaux par injection intraveineuse, inhalation ou implantation sous-cutanée. Ainsi, les changements de toxicité, d'histologie générale et de biodistribution varient. Li et al. ont évalué la toxicologie du GO à l'échelle nanométrique chez la souris par injection intraveineuse et ont découvert que le GO était principalement retenu dans le foie, les poumons et la rate et les dommages induits, l'hépatite chronique et la fibrose pulmonaire. Un revêtement de polyéthylène glycol (PEG) de GO (GO-PEG) pourrait réduire la rétention de GO dans le foie, les poumons et la rate et soulager les lésions tissulaires aiguës [55]. Duch et al. ont exploré des stratégies pour réduire l'effet toxique des nanomatériaux de graphène dans les poumons, car ils ont découvert que le GO avait une toxicité plus élevée que le graphène agrégé et le graphène dispersé par Pluronic lorsqu'il était administré directement dans les poumons de souris, induisant des lésions pulmonaires graves et persistantes. La toxicité a été significativement modérée par la fabrication de graphène vierge par exfoliation en phase liquide et a été encore minimisée lorsqu'elle est dispersée avec le copolymère séquencé Pluronic [56]. Zha et al. ont identifié la toxicité et les performances in vivo à court terme (2 premières semaines après l'implantation) et à long terme (7 mois) des mousses de graphène 3D (GF) ou des mousses d'oxyde de graphène (GOF) dans un modèle d'implantation sous-cutanée chez le rat. L'analyse sanguine a montré que les GF et les GOF n'induisaient pas de toxicité hématologique, hépatique ou rénale appréciable après l'implantation et aucune dégradation significative n'a été observée après au moins 7 mois d'implantation. Seuls des granulomes existaient depuis longtemps dans le site d'implantation ont été observés. Les images colorées à l'HE ont montré une meilleure biocompatibilité in vivo (Fig. 1) [40]. La raison pour laquelle Zha et al. obtenu des résultats plus positifs que d'autres études, comme mentionné ci-dessus, ce sont probablement les différentes voies d'administration. L'expérimentation sous-cutanée était le moyen très direct et efficace d'évaluer la biocompatibilité in vivo des matériaux implantés [57], qui peut exercer un effet sur les motifs de contact, les emplacements de dépôt, voire les voies de dégradation des nanomatériaux de la famille du graphène in vivo [58]. Le contrôle de la dégradation des composites est d'une importance vitale en ingénierie tissulaire,

Images colorées à l'HE représentatives des principaux organes (région d'implantation, foie et rein prélevés sur les rats) implantés avec des mousses de graphène, des mousses GO ou rien au jour 14 après l'implantation. Aucun dommage ou lésion d'organe évident n'a été observé. Reproduit de la réf. [40] avec la permission du Journal of Nanoparticle Research

Généralement, les recherches cellulaires sont remarquables pour une analyse préliminaire de cytotoxicité, la compréhension du mécanisme probable d'interaction avec les cellules. Mais c'est un microenvironnement beaucoup plus compliqué in vivo. Comprendre comment les matériaux de la famille du graphène se comportent dans des microenvironnements corrosifs humides est également essentiel. La biocompatibilité des matériaux de la famille du graphène n'est pas liée de manière triviale à la concentration, aux variétés de groupes fonctionnels, aux types de famille de graphène, aux tailles et aux formes. Mais le mécanisme doit encore être étudié plus en détail et en profondeur. Cependant, l'évaluation de la biosécurité in vivo est comparable à peu de choses, en particulier la biocompatibilité et la biodistribution à long terme, qui nécessitent une plus grande attention. Bien que certains articles soulèvent des inquiétudes concernant la biosécurité, la polyvalence potentielle que la famille du graphène offre de manière unique en a fait un candidat compétitif pour les applications biomédicales.

Activité antibactérienne des matériaux de la famille du graphène

Le remodelage osseux et la nouvelle formation osseuse ne peuvent pas être complètement réussis sans un microenvironnement stérile du défaut osseux. En effet, le traitement des défauts osseux infectieux reste un défi majeur [59]. En raison de l'important défaut osseux et du problème infectieux, le traitement est difficile et les patients ont besoin d'une période de récupération à long terme. Ainsi, la capacité d'inhibition bactérienne des matériaux de la famille du graphène aide beaucoup. On pense que les matériaux de la famille du graphène possèdent la capacité d'être antibactérien (tableau 1). Liu et al. ont proposé un mécanisme antimicrobien en trois étapes, comprenant (1) le dépôt cellulaire initial sur des matériaux à base de graphène, (2) le stress membranaire causé par le contact direct avec des nanofeuillets tranchants, et (3) l'oxydation indépendante des anions superoxyde qui s'ensuit [60]. Cependant, Mangadlao et al. pensaient que la surface du graphène était principalement responsable de l'activité antimicrobienne et non les bords. Lorsqu'il est en contact avec des bactéries, le graphène a servi d'accepteur d'électrons qui a pompé l'électron loin de la membrane de la bactérie, créant un stress oxydatif indépendant [61]. Pendant ce temps, Li et al. a fourni de nouvelles informations pour une meilleure compréhension des actions antibactériennes du film de graphène. Ils sont d'avis que l'activité antibactérienne des matériaux de la famille du graphène ne provient pas des dommages induits par les espèces réactives de l'oxygène (ROS), mais via l'interaction de transfert d'électrons de la membrane microbienne au graphène [62], alors que Panda et al. ont prouvé qu'une influence synergique du mécanisme de transfert d'électrons non oxydant et du stress oxydatif induit par les ROS pour les bactéries induisait une activité antimicrobienne accrue des films de GO-métal d'origine naturelle [63].

Bien qu'il reste incertain de savoir comment les propriétés physico-chimiques des feuilles à base de graphène influencent leur activité antimicrobienne, la capacité des antibactériens du matériau de la famille du graphène mérite d'être étudiée et exploitée davantage.

Les matériaux de la famille du graphène médient les cellules dans la différenciation ostéogénique et favorisent la régénération osseuse in vivo

De nombreux chercheurs ont souligné que le graphène peut non seulement permettre la fixation et la prolifération des cellules (par exemple, les cellules souches de la pulpe dentaire [64, 65], les cellules souches de la moelle osseuse [8, 20, 66, 67], les cellules souches du ligament parodontal [68 ], ostéoblastes humains [69], cellules fibroblastiques [70], cellules tumorales [43]) sans signes de cytotoxicité apparente, mais peuvent également induire une différenciation ostéoblastique précoce des cellules et produire des degrés élevés de minéralisation [20, 64, 65, 66, 67, 68]. À l'heure actuelle, de nombreuses équipes ont minutieusement mené de nombreuses études pour concevoir de nouvelles stratégies d'application de nanomatériaux de la famille du graphène en tant qu'échafaudage ou additif à l'échafaudage, en tant que revêtement sur la surface du substrat, en tant que membrane de régénération osseuse de guidage et en tant que véhicule d'administration de médicaments. (Fig. 2). Ils ont essayé d'utiliser des matériaux de la famille du graphène pour améliorer encore certaines propriétés du matériau du substrat et conférer un caractère bioactif aux composites à base de substrat.

A. Matériaux de la famille du graphène comme échafaudage ou matériau de renforcement dans l'échafaudage pour la régénération osseuse. B. Matériaux de la famille du graphène en tant que revêtement transféré sur le substrat pour la régénération osseuse. C. Famille du graphène en tant qu'additif dans la membrane osseuse guidée. D. Les matériaux de la famille du graphène en tant que système d'administration de médicaments facilitent la régénération osseuse

Matériaux de la famille du graphène comme échafaudage ou matériau de renforcement dans l'échafaudage

La stratégie la plus courante pour l'ingénierie tissulaire osseuse consiste à simuler le processus naturel de remodelage et de régénération osseuse. La stratégie peut être satisfaite par un échafaudage tridimensionnel (3D) biocompatible, biodégradable et ostéoconducteur ou ostéoinducteur [3]. Ce type d'échafaudage peut offrir un microenvironnement idéal pour imiter la matrice extracellulaire (MEC) pour la fixation, la migration, la prolifération et la différenciation des cellules ostéogéniques ainsi que pour les porteurs de facteurs de croissance [6]. Le graphène en tant qu'échafaudage biocompatible prometteur peut rendre la grande surface disponible pour la propagation cellulaire et même la différenciation ostéogénique dans le substrat [20]. Par exemple, les mousses de graphène 3D utilisées comme substrats de culture pour les cellules souches mésenchymateuses humaines (hMSC) ont prouvé qu'elles étaient capables de maintenir la viabilité des cellules souches et de favoriser la différenciation ostéogénique [66]. De plus, l'échafaudage de graphène 3D (3DGp) ainsi que le revêtement de graphène 2D (2DGp) se sont avérés capables d'induire la différenciation des cellules souches du ligament parodontal (PDLSC) en ostéoblastes matures par les niveaux plus élevés de minéralisation et de gène lié à l'os et régulé à la hausse. protéines sur graphène, avec ou sans l'utilisation d'inducteurs chimiques [68].

De nos jours, les divers biomatériaux servant d'échafaudages poussent comme des champignons. Les échafaudages synthétiques potentiellement appropriés pour une utilisation dans la régénération osseuse comprennent le phosphate de calcium, tel que l'hydroxyapatite (HA) [71]; phosphate β-tricalcique (β-TCP) [72]; synthétiques ou bio-polymères, tels que l'acide poly-lactique (PLA) [73], l'acide poly-glycolique (PLGA) [74], la polycaprolactone (PCL) [75], le chitosane (CS) [1] et le collagène [76 ] ; et les composites des matériaux mentionnés en haut [77, 78]. Mais maintenant, l'une des préoccupations les plus importantes concerne les propriétés mécaniques des échafaudages. Étant donné que l'os naturel présente des propriétés biomécaniques super-élastiques avec une valeur de module de Young comprise entre 7 et 27 GPa [79], les échafaudages idéaux doivent imiter la résistance, la rigidité et le comportement mécanique de l'os naturel. Les matériaux de la famille du graphène peuvent être ajoutés en tant que matériau renforcé dans les échafaudages visant à renforcer les propriétés mécaniques et à améliorer la caractérisation physico-chimique. Par exemple, l'échafaudage PCL pur avait une résistance à la traction de 1,61 MPa, un allongement de 122 % et un module de Young de 7,01 MPa. L'ajout de GO (2 %) a entraîné une augmentation considérable de la résistance à la traction à 3,50 MPa, un allongement à 131 % et un module de Young à 15,15 MPa [80].

Stimulées par le succès de l'utilisation des matériaux de la famille du graphène comme matériau de renfort, de nombreuses équipes ont combiné la biocompatibilité apportée par des polymères synthétiques ou bio-polymères avec des propriétés physiques remarquables des matériaux de la famille du graphène. Ils s'attendaient à obtenir un échafaudage composite idéal avec des propriétés mécaniques améliorées, une porosité appropriée, des conceptions structurelles et une excellente biocompatibilité, pour soutenir et induire une nouvelle formation osseuse.

Famille de graphène avec des matériaux à base de phosphate de calcium

L'os humain se compose de 30 % de matière organique, principalement de collagène, et de 70 % de matière inorganique, principalement d'hydroxyapatite (HA ; Ca₁₀ (PO₄ )₆ (OH)₂ ) [81, 82]. Les matériaux synthétiques à base de phosphate de calcium tels que le HA, le phosphate tricalcique (β-TCP) et les ciments au phosphate de calcium (CPC) sont des matériaux d'échafaudage populaires en raison de leurs compositions et structures similaires à celles de la phase minérale naturelle de l'os et de leur bonne formation osseuse. capacités [83,84,85]. En particulier, en raison de la bonne capacité d'ostéoconduction et d'ostéoinduction de l'AH [86], il a été largement utilisé pendant longtemps comme greffe osseuse artificielle en chirurgie orthopédique ou maxillo-faciale pour réparer les zones de défauts osseux [11, 71]. Cependant, les inconvénients inhérents au matériau HA devraient être améliorés, tels que la difficulté de mise en forme, la fragilité particulière et la faible ténacité à la rupture [87, 88]. Il a été rapporté que des composites HA renforcés de matériaux de la famille du graphène ont été développés et ont considérablement amélioré la ténacité à la fracture et les performances biologiques. Par exemple, les composites HA/graphène ont été préparés par frittage par plasma étincelant (SPS), qui confère à l'HA une résistance acceptable [89]. Raucci et al. HA combiné avec GO dans deux approches différentes :l'approche sol-gel in situ et l'approche biomimétique. Le HA-GO obtenu par approche sol-gel in situ a amélioré la viabilité cellulaire des hMSCs et induit la différenciation ostéoblastique sans utiliser de facteurs ostéogéniques. Le HA-GO formé via une approche biomimétique a soutenu la viabilité et la prolifération cellulaires [90]. De plus, l'oxyde de graphène réduit (rGO) peut également être utilisé comme matériau de renforcement pour HA. La ténacité à la rupture des composites HA-rGO a atteint 3,94 MPa m ^1/2 , une augmentation de 203% par rapport à l'HA pur. Le HA-rGO a amélioré la prolifération cellulaire et la différenciation ostéoblastique, qui a été évaluée par l'activité de la phosphatase alcaline (ALP) des cellules ostéoblastiques humaines [91]. De plus, Nie et al. échafaudage composites poreux 3D synthétisé avec succès rGO et nano-hydroxyapatite (nHA) (nHA@rGO) via l'auto-assemblage. La solution GO s'est mélangée à une suspension aqueuse de nHA qui a été chauffée pour induire le processus d'auto-assemblage. Enfin, les produits de réaction ont été lyophilisés pour obtenir l'échafaudage poreux 3D. L'échafaudage nHA@rGO peut faciliter de manière significative la prolifération cellulaire, l'activité ALP et l'expression génique ostéogénique des cellules souches mésenchymateuses osseuses de rat (rBMSC). Et une expérience in vivo a permis d'élucider qu'un échafaudage poreux rGO (nHA@rGO) incorporé à 20 % de nHA peut accélérer la guérison des défauts circulaires de la calotte crânienne chez le lapin [92]. En outre, non seulement les composants doubles, mais également les composants tricomposants présentaient d'excellentes performances avec une bonne cytocompatibilité et des propriétés hydrophiles et mécaniques améliorées [93,94,95].

Le phosphate tricalcique, analogue du phosphate de calcium, est un phosphate de calcium tertiaire également connu sous le nom de cendre osseuse [Ca₃ (PO₄ )₂ ]. Il sert d'origine abondante pour le calcium et le phosphore, qui peuvent être facilement absorbés. Le phosphate bêta-tricalcique (β-TCP) est hautement biocompatible et crée un réseau de verrouillage résorbable au sein du site du défaut pour favoriser la guérison [96]. Wu et al. synthétisé avec succès des disques β-TCP-GO 2D et des échafaudages 3D β-TCP-GO. Par rapport au β-TCP et au contrôle à blanc, les disques 2D β-TCP-GO ont amélioré de manière significative la prolifération, l'activité ALP et l'expression des gènes ostéogéniques des hBMSC en activant la voie de signalisation liée à Wnt, indiquant l'excellente propriété d'ostéostimulation in vitro de GO- β-TCP modifié [85]. Il est connu que la voie de signalisation canonique Wnt joue un rôle non négligeable dans la régulation des activités cellulaires telles que la prolifération, la différenciation et la morphogenèse cellulaires [97, 98]. Une étude in vivo a montré que les échafaudages 3D β-TCP-GO présentaient une plus grande formation d'os nouveau dans les défauts calvariaux que les échafaudages TCP purs (Fig. 3) [85]. Un nouvel échafaudage, le ciment de phosphate de calcium incorporant des échafaudages de nanocomposites GO-Cu (CPC/GO-Cu) a facilité l'adhésion et la différenciation ostéogénique des rBMSC, ce qui a confirmé qu'ils peuvent réguler positivement l'expression de Hif-1α dans les rBMSC en activant l'Erk1/2 voie de signalisation et induit la sécrétion du facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF) et de la protéine BMP-2. De plus, les échafaudages CPC/GO-Cu ont été transplantés chez des rats présentant des défauts calvariaux de taille critique et les résultats ont montré que les échafaudages (CPC/GO-Cu) favorisaient de manière significative l'angiogenèse et l'ostéogenèse dans les zones de défaut [99].

L'illustration du schéma pour les échafaudages β-TCP et β-TCP-GO a stimulé l'ostéogenèse in vivo. Analyse micro-CT et analyse histologique de la capacité de formation osseuse in vivo pour les échafaudages β-TCP et β-TCP-GO après implantation dans les défauts osseux crâniens de lapins pendant 8 semaines. Reproduit de la réf. [85] avec la permission du Journal of Carbon

Famille graphène avec chitosan

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 et al. 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 et al. 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.

Conclusions

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.

Abréviations

ALP:

Alkaline phosphatase

BMP-2:

Bone morphogenetic protein-2

BMSC:

Bone mesenchymal stem cells

CPC:

Calcium phosphate cements

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

CXYG:

Carboxyl graphene

DEX:

Dexamethasone

ECM :

Matrice extracellulaire

GBR:

Guided bone regeneration

GelMS:

Gelatin microspheres

GNOs:

Graphene nano-onions

GO :

Oxyde de graphène

GONPs:

Graphene oxide nanoplatelets

GONRs:

Graphene oxide nanoribbons

GQDs:

Graphene quantum dots

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 :

Polyéthylène glycol

PET:

Polyethylene terephthalate

PLA:

Poly-lactic acid

PLGA:

Poly-glycolic acid

PPY:

Polypyrrole

rGO :

Oxyde de graphène réduit

ROS:

Espèces réactives de l'oxygène

SIM:

Simvastatin

SP:

Substance P

SPS:

Spark plasma sintering

Ti:

Titanium

Van:

Vancomycin

VEGF:

Vascular endothelial growth factor

β-TCP:

β-Tricalcium phosphate