黑液衍生碳-石墨烯生物材料的结构与生物学特性及其在骨组织工程中的功能应用研究

《Scientific Reports》：Structural and biological characterization of carbon–graphene biomaterials derived from black liquor with functional properties for bone tissue engineering

本研究针对骨组织工程中现有生物材料成本高、降解速率与骨再生不匹配等问题，开发了一种基于造纸黑液衍生的碳-石墨烯复合支架（CA/CAG/CAGO/CANG）。通过系统表征材料结构并植入大鼠胫骨缺损模型，发现含0.1%石墨烯的CAG组在30天内促成89%的新骨形成，显著优于其他组。该材料兼具可持续性、生物相容性与成骨活性，为唇腭裂等骨缺损修复提供了低成本、高效的新策略。

　　

在骨组织工程领域，理想的生物支架需具备三维多孔结构、可控降解性及生物活性，以支持细胞迁移、血管生成和骨组织再生。然而，现有材料如胶原-羟基磷灰石复合材料存在成本高、降解缓慢等问题，尤其在唇腭裂（Cleft Lip and Palate, CLP）患者的牙槽骨修复中，易导致邻近牙齿萌出受阻，增加治疗复杂度与费用。据统计，CLP占先天性面部畸形的25%，临床亟需开发兼具可控吸收性、骨诱导性且经济可行的新型骨修复材料。

为此，来自巴西圣保罗大学、加州大学洛杉矶分校等多机构的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项创新研究，利用造纸工业副产物黑液（Black Liquor）制备碳基支架，并通过结合石墨烯（Graphene, CAG）、氧化石墨烯（Graphene Oxide, CAGO）及纳米石墨（Nanographite, CANG）等纳米材料，构建了四种复合支架。研究旨在评估这些材料的结构特性、生物相容性及成骨能力，为骨组织工程提供可持续的解决方案。

关键技术方法概述

研究通过化学聚合黑液与树脂单体合成碳基质，添加0.1%纳米材料后经高温碳化（900°C）、索氏提取纯化，再与壳聚糖-黄原胶（Chitosan-Xanthan, QXA）聚合物以1:1复合，经冷冻干燥形成三维多孔支架。通过扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱表征材料结构；以人间充质干细胞（hBMSCs）进行细胞毒性测试（WST-1法）；最后将支架植入16只Wistar大鼠双侧胫骨非临界缺损模型，30天后通过组织形态计量学分析新骨形成面积。

研究结果

1. 支架微观结构表征

SEM与EDS分析显示，所有支架均呈现均匀多孔结构，碳（C）和氧（O）为主要元素，CAGO组氧含量最高（33.99%），表明其表面富含羧基和羟基。比表面积（S_BET）分析显示CANG组最高（17.32 m2/g），但聚合物复合可能导致部分孔道阻塞。FTIR检测到羟基（3260 cm^-1）、酰胺基（1574 cm^-1）等官能团，增强材料亲水性与细胞粘附性。XRD与拉曼光谱（D/G强度比0.84–0.86）证实材料为无序碳结构，适合功能化修饰。

2. 生物相容性与细胞活性

WST-1实验表明，所有支架在培养7天后均显著促进hBMSCs增殖（p>0.05），无细胞毒性。其中CAG组吸光度增加值最高，提示石墨烯的加入可能优化细胞微环境。

3. 体内骨修复效能

组织学显示，所有组别均出现成骨细胞、血管通道及未吸收碳颗粒，但CAG组新骨结构最成熟。组织形态计量学表明，CAG组新骨面积占比达89%，显著高于CA（72%）、CAGO（69%）和CANG（80%）（p<0.01）。统计学分析（ANOVA与Dunnett检验）证实CAG组成骨优势具有显著性。

结论与意义

本研究成功利用黑液这一工业废料开发出低成本、生物相容性优异的碳-石墨烯支架。CAG（含0.1%石墨烯）在短期内促成高效骨再生，其机制可能与石墨烯增强表面能、细胞粘附及营养扩散有关。该材料不仅为CLP等骨缺损疾病提供了降解可控的替代方案，更通过废物资源化降低了生产成本，契合可持续发展目标。未来需进一步探索材料孔隙优化、干细胞负载及基因表达调控机制，以推动临床转化。