碳纳米管作为骨修复材料的优势和挑战

2.1    CNTs 的形态结构

CNTs 呈无缝圆柱形，具有纳米级直径以及较大的长径比（100～100 000）和比表面积。CNTs 的纳米结构单元是六边形蜂窝晶格混合碳原子棒状结构，与天然骨的长棒形三螺旋大分子形成的超分子胶原纤维相似，使其具备模拟骨胶原纤维的可能。根据 CNTs 层数可分成单壁 CNTs（single-walled CNTs，SWCNT）和多壁 CNTs（multi-walled CNTs，MWCNT）。目前可以制备与细胞外基质纤维层次结构相似的随机定向 CNTs，或通过三维成型等技术制备具有特定多孔结构的复合材料。研究显示这种具有多孔结构的支架植入大鼠体内4 周后明显促进缺损部位的血管再生[17]，而血管的生成对骨修复具有重要作用。此外，这种多孔结构还有利于干细胞及成骨细胞的有效附着，从而促进骨再生[18-19]。

2.2    CNTs 的化学特性

CNTs 的碳原子是 sp2 杂化碳原子，其形成的平面键十分稳定，键能高达 614 kJ/mol[20]，所以具有非常稳定的化学性质。CNTs 的外表面还有高度非定域化的 π 键，因此对蛋白质有着较强的吸附性能。然而 CNTs 具有高度疏水性，几乎不能溶解于任何溶剂，所以大量研究拟通过表面改性，例如用羟基、羧基、氨基等修饰[21-23]，以改善 CNTs 在体内的分散性、生物相容性，以及与各类生物分子（如生长因子、胶原蛋白、蛋白多糖、糖蛋白等）、生物活性材料（如羟基磷灰石、钙磷酸盐、高分子材料等）的结合能力。不同的修饰基团会产生不同效果，Wang 等[24]研究了羧基、氨基以及不同多肽修饰后的 CNTs 对于 MC3T3-E1 细胞的影响，发现氨基修饰的 CNTs 性能最佳。

此外，CNTs 对大多数有机化合物具有强吸附性[25-26]。研究表明，氨基酸、Ⅰ型胶原蛋白及 BMP可以在 CNTs 表面良好吸附[13, 27-29]。在 Li 等[16]的研究中，体外实验表明吸收了 BMP 的 MWCNT 对ALP 的产生以及脂肪干细胞的矿化都有积极影响；体内实验也发现了 MWCNT 对骨生成的促进作用。由各种官能团功能化后的 CNTs 可以作为药物、生长因子、蛋白质、核酸的运输载体，在骨修复过程中控制成骨细胞、破骨细胞等细胞的行为以及分化，从而促进骨修复进程[30-34]。

2.3    CNTs 的力学特性

CNTs 用于骨组织工程领域的一个重要性能是其高机械强度。CNTs 的密度为 1.3～2.0 g/cm3、抗拉强度为 11～52 GPa、抗弯强度为（14.2 ±8）GPa、杨氏模量为 32～1 470 GPa。与传统金属或陶瓷材料相比，CNTs 柔性更佳、强度更高、密度更低[35-38]，强度大约是骨的 3 倍。虽然 CNTs 在复合材料中的分散性和附着力较差，会使材料局部应力增加，但是仍可以使材料的刚度和韧性提高几倍到十倍。例如，Qian 等[39]在聚苯乙烯中加入1wt% CNTs 后，复合材料的断裂应力提升了 25%，弹性模量提升了 42%。此外，还有研究发现在羟基磷灰石中加入 CNTs 后，材料的杨氏模量得到了极大提升，抗压强度也得到了一定提升[40]。这种特性可能使含有 CNTs 的复合材料力学性能接近天然骨，以及使 CNTs 成为骨修复领域中高分子聚合材料或陶瓷基体的结构材料或者增强材料的最佳选择。

2.4    CNTs 的电磁特性

根据不同结构，CNTs 可以呈现金属特性、半导体性或超导性[41-43]。通过改变 CNTs 的层数、直径、长径比和手性等参数，可以在很大程度上有效控制其导电性。在骨组织修复方面，CNTs 可以改善相关生物分子和蛋白质之间的电化学以及电子传导联系，进而加速成骨细胞增殖和骨形成[44-46]。此外，基于 CNTs 的复合材料被认为是最好的电活性纳米纤维，可以诱导细胞沿着材料取向的电荷排列进行生长，还能表现较好的抗菌性能[47-48]。

虽然 CNTs 本身是非磁性的，但可以通过一定方式使其包裹上纳米磁性粒子后具有磁性[49-50]。还有研究发现，Fe3O4 修饰的 CNTs 与未修饰的 CNTs相比表现出更好的生物相容性，修饰后的材料暴露在外磁场中可以显著促进 BMSCs 增殖[49-51]。以上研究说明，含有 CNTs 的磁性复合纳米粒子有望与磁靶向技术和生物疗法实现有效结合，为骨缺损的靶向治疗奠定了理论基础。

2.5    CNTs 的生物安全性

CNTs 的物理化学性质非常稳定，在体内难以降解[52]，有利于维持骨修复材料的长期性能。此外，有研究还发现 MWCNT 具有相对较低的致癌性[53]；在大鼠膝关节内注射 CNTs 后未见长期炎症反应[54]；静脉注射 CNTs 未表现致癌性[55]；大鼠静脉注射 SWCNT 后未表现嗜睡、厌食、体质量下降等症状[56]。在 Murakami 等[57]的研究中，静脉注射较高剂量 MWCNT 的小鼠存活率明显高于低剂量组和对照组的小鼠，而且在一定时间内小鼠的平均体质量也有所增加。上述研究提示经过适当分散或官能化处理后，CNTs 具有较高生物安全性。