隨著對骨修復過程研究的深入，以及骨修復材料制備、表征等技術的進步，各種人工骨替代材料在骨相關疾病（如骨缺損等）治療中得到充分應用。然而，目前臨床應用的各種天然或者合成生物材料無法完全復制天然骨結構和性能。碳納米管（carbon nanotubes，CNTs）因具有優異的結構穩定性、力學性能和官能團可修飾性，為骨修復領域發展新型材料提供了新的方向。CNTs 及其復合材料在骨修復材料設計及用作藥物載體等方面也具有廣闊前景。本文從形態結構、化學特性、力學特性、電磁特性和生物安全性等方面，總結 CNTs 與骨組織再生相關的優勢性質，以及 CNTs 在藥物運輸載體和支架材料的增強組分方面的應用，分析 CNTs 在骨再生醫學方面的潛在問題和后續研究方向。
引用本文： 任義行, 黃若愚, 王存陽, 馬亞潔, 李曉明. 碳納米管作為骨修復材料的優勢和挑戰. 中國修復重建外科雜志, 2021, 35(3): 271-277. doi: 10.7507/1002-1892.202009073 復制
目前，骨移植是臨床修復大面積骨損傷的傳統方法，主要包括自體骨移植、同種異體骨移植和異種骨移植[1-4]。其中，自體骨移植修復效果較好，但存在來源不足和二次損傷的問題；同種異體骨移植存在免疫排斥反應及感染風險；天然異種骨移植存在吸收率低和不易塑形的缺點。近年來，隨著材料和組織工程等學科的進步，人工合成骨修復材料有望克服傳統骨移植的不足，在骨修復領域得到廣泛應用[5-7]。碳納米管（carbon nanotubes，CNTs）作為一種新型一維納米材料，應用于骨修復領域具有以下優勢：一是 CNTs 力學性能優異；二是 CNTs 的大比表面積和優異導電性，更有利于蛋白質吸收和細胞黏附生長[8-9]；三是 CNTs 作為增強材料引入到基體材料后，可使材料獲得納米網絡結構和適當的多孔性，更有利于骨組織中細胞外基質的物質交換，這也是目前研究熱點之一[10]。現對 CNTs 與骨修復相關的特性、在骨修復領域的應用以及目前存在的問題進行綜述，為進一步深入研究 CNTs 在骨修復中的應用潛力提供參考。
1 CNTs 可能參與的骨再生過程
骨組織損傷后進入血腫機化期，這一時期血小板被激活聚集在損傷部位，多種凝血因子、趨化因子等被釋放到血液中引發凝血反應，形成血腫。同時巨噬細胞、中性粒細胞等炎性細胞會浸潤血腫，破骨細胞也會被募集以清除壞死骨組織。各種免疫細胞間的相互作用還會引導單核/巨噬細胞的極化[11]，Du 等[12]研究發現 CNTs 可以促進 M2 型巨噬細胞極化，提示其可能在這一過程發揮作用。被募集到損傷部位的各類細胞會分泌 BMP、PDGF、TGF-β 等促進骨折愈合的物質，引發一系列促進骨組織再生的細胞反應，諸如 MSCs 增殖分化、成骨細胞增殖等，使血腫機化為纖維組織。上述提到的生長因子中，BMP 可以在 CNTs 表面良好吸附[13]，且有研究發現含有 CNTs 的材料對成骨細胞的附著和增殖有促進作用[14-15]，還可以促進 MSCs 分化[16]。
2 CNTs 與骨修復相關的特性
2.1 CNTs 的形態結構
CNTs 呈無縫圓柱形，具有納米級直徑以及較大的長徑比（100～100 000）和比表面積。CNTs 的納米結構單元是六邊形蜂窩晶格混合碳原子棒狀結構，與天然骨的長棒形三螺旋大分子形成的超分子膠原纖維相似，使其具備模擬骨膠原纖維的可能。根據 CNTs 層數可分成單壁 CNTs（single-walled CNTs，SWCNT）和多壁 CNTs（multi-walled CNTs，MWCNT）。目前可以制備與細胞外基質纖維層次結構相似的隨機定向 CNTs，或通過三維成型等技術制備具有特定多孔結構的復合材料。研究顯示這種具有多孔結構的支架植入大鼠體內 4 周后明顯促進缺損部位的血管再生[17]，而血管的生成對骨修復具有重要作用。此外，這種多孔結構還有利于干細胞及成骨細胞的有效附著，從而促進骨再生[18-19]。
2.2 CNTs 的化學特性
CNTs 的碳原子是 sp2 雜化碳原子，其形成的平面鍵十分穩定，鍵能高達 614 kJ/mol[20]，所以具有非常穩定的化學性質。CNTs 的外表面還有高度非定域化的 π 鍵，因此對蛋白質有著較強的吸附性能。然而 CNTs 具有高度疏水性，幾乎不能溶解于任何溶劑，所以大量研究擬通過表面改性，例如用羥基、羧基、氨基等修飾[21-23]，以改善 CNTs 在體內的分散性、生物相容性，以及與各類生物分子（如生長因子、膠原蛋白、蛋白多糖、糖蛋白等）、生物活性材料（如羥基磷灰石、鈣磷酸鹽、高分子材料等）的結合能力。不同的修飾基團會產生不同效果，Wang 等[24]研究了羧基、氨基以及不同多肽修飾后的 CNTs 對于 MC3T3-E1 細胞的影響，發現氨基修飾的 CNTs 性能最佳。
此外，CNTs 對大多數有機化合物具有強吸附性[25-26]。研究表明，氨基酸、Ⅰ型膠原蛋白及 BMP 可以在 CNTs 表面良好吸附[13, 27-29]。在 Li 等[16]的研究中，體外實驗表明吸收了 BMP 的 MWCNT 對 ALP 的產生以及脂肪干細胞的礦化都有積極影響；體內實驗也發現了 MWCNT 對骨生成的促進作用。由各種官能團功能化后的 CNTs 可以作為藥物、生長因子、蛋白質、核酸的運輸載體，在骨修復過程中控制成骨細胞、破骨細胞等細胞的行為以及分化，從而促進骨修復進程[30-34]。
2.3 CNTs 的力學特性
CNTs 用于骨組織工程領域的一個重要性能是其高機械強度。CNTs 的密度為 1.3～2.0 g/cm3、抗拉強度為 11～52 GPa、抗彎強度為（14.2±8）GPa、楊氏模量為 32～1470 GPa。與傳統金屬或陶瓷材料相比，CNTs 柔性更佳、強度更高、密度更低[35-38]，強度大約是骨的 3 倍。雖然 CNTs 在復合材料中的分散性和附著力較差，會使材料局部應力增加，但是仍可以使材料的剛度和韌性提高幾倍到十倍。例如，Qian 等[39]在聚苯乙烯中加入 1wt% CNTs 后，復合材料的斷裂應力提升了 25%，彈性模量提升了 42%。此外，還有研究發現在羥基磷灰石中加入 CNTs 后，材料的楊氏模量得到了極大提升，抗壓強度也得到了一定提升[40]。這種特性可能使含有 CNTs 的復合材料力學性能接近天然骨，以及使 CNTs 成為骨修復領域中高分子聚合材料或陶瓷基體的結構材料或者增強材料的最佳選擇。
2.4 CNTs 的電磁特性
根據不同結構，CNTs 可以呈現金屬特性、半導體性或超導性[41-43]。通過改變 CNTs 的層數、直徑、長徑比和手性等參數，可以在很大程度上有效控制其導電性。在骨組織修復方面，CNTs 可以改善相關生物分子和蛋白質之間的電化學以及電子傳導聯系，進而加速成骨細胞增殖和骨形成[44-46]。此外，基于 CNTs 的復合材料被認為是最好的電活性納米纖維，可以誘導細胞沿著材料取向的電荷排列進行生長，還能表現較好的抗菌性能[47-48]。
雖然 CNTs 本身是非磁性的，但可以通過一定方式使其包裹上納米磁性粒子后具有磁性[49-50]。還有研究發現，Fe3O4 修飾的 CNTs 與未修飾的 CNTs 相比表現出更好的生物相容性，修飾后的材料暴露在外磁場中可以顯著促進 BMSCs 增殖[49-51]。以上研究說明，含有 CNTs 的磁性復合納米粒子有望與磁靶向技術和生物療法實現有效結合，為骨缺損的靶向治療奠定了理論基礎。
2.5 CNTs 的生物安全性
CNTs 的物理化學性質非常穩定，在體內難以降解[52]，有利于維持骨修復材料的長期性能。此外，有研究還發現 MWCNT 具有相對較低的致癌性[53]；在大鼠膝關節內注射 CNTs 后未見長期炎癥反應[54]；靜脈注射 CNTs 未表現致癌性[55]；大鼠靜脈注射 SWCNT 后未表現嗜睡、厭食、體質量下降等癥狀[56]。在 Murakami 等[57]的研究中，靜脈注射較高劑量 MWCNT 的小鼠存活率明顯高于低劑量組和對照組的小鼠，而且在一定時間內小鼠的平均體質量也有所增加。上述研究提示經過適當分散或官能化處理后，CNTs 具有較高生物安全性。
3 CNTs 在骨修復中的應用
3.1 CNTs 作為藥物載體應用于骨修復
CNTs 的大比表面積及空心結構使其具有較強的藥物攜帶能力，并可調節藥物釋放行為，從而改善藥物的滲透性以及藥物滯留。一方面，CNTs 表面的分子結構以及一些修飾基團，使其可以通過 π-π 堆積、氫鍵、靜電相互作用、疏水相互作用等方式搭載藥物或生物分子（如核酸、肽鏈等）。例如，Bianco 等[58]發現具有大比表面積的 CNTs 可以吸收大量地塞米松，而且在 37℃ 磷酸鹽溶液中可以持續釋放地塞米松。Sukhodub 等[59]使用含有 CNTs 的復合材料搭載地塞米松，發現其具有誘導骨生成的效應。除此之外，Bhirde 等[60]制備了一種可搭載洗必泰的含 MWCNT 復合材料，發現材料中洗必泰釋放時間顯著延長。另一方面，還可以對 CNTs 進行適配體修飾，使其能將藥物靶向運輸至相應細胞，這對于靶向藥物運輸十分有利[61]。有文獻還報道了用 Cy3 標記的單鏈 DNA 修飾 SWCNT 后，加入到 Hela 細胞中，利用 CNTs 在近紅外區的強吸收性，用 808 nm 激光照射 2 min 后細胞死亡[62]。CNTs 的上述特性可能使其在用作骨再生支架的增強材料時，還具有釋放骨生成藥物、抗炎藥物、生長因子等功能。因此，CNTs 作為運輸藥物載體在骨修復領域應用潛力巨大[63]。
3.2 CNTs 作為其他支架材料的增強組分
CNTs 可以作為很多材料的增強材料，例如羥基磷灰石、磷酸三鈣、殼聚糖、膠原、聚己內酯（polycaprolactone，PCL）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）等。CNTs 除了可以改善基體材料的力學性能外，還能加強材料其他性能。例如，將 CNTs 和羥基磷灰石制成復合材料后，可以更好地促進成骨細胞附著、擴散以及增殖[14, 64]；磷酸三鈣與 CNTs 的復合材料置于模擬體液中浸泡 7 d 后，表面可以自發形成磷灰石層，說明 CNTs 具有促進礦化的能力[65-66]；CNTs 與殼聚糖的復合材料可以促進成骨前體細胞的生長、增殖以及分化[67]，還會增強殼聚糖基體的熱穩定性[68]；膠原和 CNTs 的復合材料相對于單純膠原支架，可以使大鼠原代成骨細胞加速分化，體內實驗發現有更多的骨組織在復合材料支架上生成并附著[69]；PCL 和 CNTs 的復合材料與單純 PCL 相比，展現出了更好的生物相容性和細胞附著[70-72]；CNTs 與 PLA 的復合材料具有更好的抗菌性和熱穩定性[73-74]。
4 CNTs 用于骨修復中面臨的問題
4.1 毒性
CNTs 在進入血液循環后可能分布于心臟、肺、肝臟、脾、腎等器官，最終經腎臟排出體外[75-76]。在排出過程中 CNTs 可能會在器官中積累，研究顯示不同直徑的 CNTs 其主要積累器官均為肺、肝臟、脾臟[76]。除此之外，研究發現 CNTs 在器官中積累量與其本身結構性質有關：更短、更獨立（分散更好）、經過表面修飾的 CNTs 更不容易在體內積累[77-79]。而積累在器官中的 CNTs 可能會對器官產生危害，例如 MWCNT 對人支氣管上皮細胞生長有抑制作用，且濃度越高抑制效果越強[80]。有研究發現，體外實驗中 0.2 μg/mL MWCNT 和 24～96 μg/cm2 SWCNT 表現細胞毒性和遺傳毒性[81-83]。還有一些研究發現未經修飾的 CNTs 引發了小鼠間皮瘤樣病變，與石棉引起的間皮瘤類似[84-86]。目前研究認為這可能是因納米粒子產生活性氧，進而傷害細胞[87]；也可能是制備純化過程中遺留的金屬雜質等產生了毒性[88]。還有研究發現 CNTs 的長度、直徑均對其毒性有一定影響[89]，不同的分散劑也會對其毒性產生影響（明膠>羧甲基纖維素>二棕櫚酰磷脂酰膽堿）[90]。針對這些特點，可以通過表面修飾、改進制備純化工藝、調整長度及直徑的方法，最大限度降低 CNTs 毒性，能否達到真正無毒還需進一步研究。基于 CNTs 的優異性能，如果可以將毒性降低到可接受范圍，或在預期使用時間內毒性產生的危害完全可控，那它仍然是一種優秀的骨修復材料。但目前 CNTs 的具體毒性以及產生毒性的原理尚不明確，亟待進一步研究。
4.2 分散性
CNTs 具有高度疏水性，由于疏水表面之間會產生相互作用，在范德華力和棒狀結構的影響下會成簇聚集，進而顯著影響 CNTs 性質。因此，如何防止 CNTs 聚集，使之能較理想地分布在高分子聚合物材料（尤其是親水的高分子聚合物）的基體中，是 CNTs 在骨組織再生中面臨的主要挑戰之一。例如，Nazeri 等[91]將 CNTs 附著在 PLA-羥基乙酸共聚物纖維上，但掃描電鏡圖像顯示 CNTs 的分布并不均勻，纖維上的很多部分都沒有 CNTs 附著。目前，很多研究顯示在強酸環境下，對 CNTs 表面進行共價或非共價修飾是比較有效的方法[92-93]。但是表面修飾可能達不到完全理想效果，例如在 Li 等[14]的研究中，經氧化修飾后的 CNTs 在膠原和羥基磷灰石體系中雖然有一定分散，但是分散明顯不均勻。另外一種方法是使用氯仿、二甲基乙酰胺、乙醇、四氫呋喃等極性溶劑和表面活性劑等來分散 CNTs，這種方法的效果同樣有限。Rezvova 等[94]通過氯仿分散 CNTs 并與聚苯乙烯-異丁烯共聚物復合，但在其實驗的最低濃度（1%）時 CNTs 就出現了明顯成簇聚集現象。因此更有效分散 CNTs 的方法仍需進一步研究。
5 總結與展望
CNTs 因具有力學性能高、導電性好、比表面積大、結構穩定等優點，成為一種備受關注的骨修復材料。國內外學者們對 CNTs 在骨修復和骨組織工程方面的應用進行了很多嘗試，結果表明含有 CNTs 的支架材料在骨修復過程中表現出良好的生物相容性、物理化學特性，從而能夠提高相關細胞的成骨功能、促進巨噬細胞向 M2 型極化以及增加對特定蛋白的吸附等，進而促進了骨組織再生。另外，可以通過對 CNTs 進行不同功能化，以及進一步共價結合不同成骨相關活性因子來調控其成骨性能；通過特定加工技術（如 3D 打印技術），在保證 CNTs 骨修復支架力學強度的基礎上，加快成骨細胞沿特定方向聚集，從而加速骨修復進程。總之，目前研究表明 CNTs 有望成為用于骨修復的高性能材料。
盡管 CNTs 具有良好的發展前景，但用于臨床仍面臨諸多挑戰，今后有望從以下幾方面取得突破：① 對于 CNTs 的高力學性能，仍然需要從以下兩方面進行深入、系統研究，包括 CNTs 本身優異的力學性能對成骨相關性能影響的研究，以及 CNTs 自身參數（如長度、直徑、含量等）對其與基體材料復合后力學性能改善的系統研究；② 對于 CNTs 的導電性，需要進一步體內外系統地研究施加/不施加外部電刺激條件下，CNTs 及其復合材料對成骨功能和骨組織再生行為的影響規律；③ 盡管已有研究表明 CNTs 的分散性會影響其骨修復性能，但是仍然缺乏影響規律的系統研究；④ CNTs 官能團化不僅可以顯著改善 CNTs 的自身功能，還有利于進一步結合活性物質，從而增強其骨修復性能，然而對官能團、電荷等功能化相關因素的影響規律需要深入探討；⑤ CNTs 成骨機制還有待進一步研究，包括直徑、長度等參數以及復合材料制備工藝等因素，對成骨相關信號通路以及免疫調節機制等的影響規律；⑥ 為了減少 CNTs 潛在毒性，可通過功能化方法在一定程度上提高 CNTs 分散性，也可通過與可降解材料復合使其隨著其他材料降解產物排出，以及通過生物包裹固定于植入部位，但這方面研究還有待加強。以上研究的深入開展和突破有望使 CNTs 的特性得到充分利用，并合理調控其成為一類高性能骨修復材料。
作者貢獻：任義行與黃若愚負責資料收集和撰寫文稿；王存陽負責文稿修改；馬亞潔與李曉明負責內容構思、觀點形成、結構設計以及提出文章修改意見。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。經費支持沒有影響文章觀點。
目前，骨移植是臨床修復大面積骨損傷的傳統方法，主要包括自體骨移植、同種異體骨移植和異種骨移植[1-4]。其中，自體骨移植修復效果較好，但存在來源不足和二次損傷的問題；同種異體骨移植存在免疫排斥反應及感染風險；天然異種骨移植存在吸收率低和不易塑形的缺點。近年來，隨著材料和組織工程等學科的進步，人工合成骨修復材料有望克服傳統骨移植的不足，在骨修復領域得到廣泛應用[5-7]。碳納米管（carbon nanotubes，CNTs）作為一種新型一維納米材料，應用于骨修復領域具有以下優勢：一是 CNTs 力學性能優異；二是 CNTs 的大比表面積和優異導電性，更有利于蛋白質吸收和細胞黏附生長[8-9]；三是 CNTs 作為增強材料引入到基體材料后，可使材料獲得納米網絡結構和適當的多孔性，更有利于骨組織中細胞外基質的物質交換，這也是目前研究熱點之一[10]。現對 CNTs 與骨修復相關的特性、在骨修復領域的應用以及目前存在的問題進行綜述，為進一步深入研究 CNTs 在骨修復中的應用潛力提供參考。
1 CNTs 可能參與的骨再生過程
骨組織損傷后進入血腫機化期，這一時期血小板被激活聚集在損傷部位，多種凝血因子、趨化因子等被釋放到血液中引發凝血反應，形成血腫。同時巨噬細胞、中性粒細胞等炎性細胞會浸潤血腫，破骨細胞也會被募集以清除壞死骨組織。各種免疫細胞間的相互作用還會引導單核/巨噬細胞的極化[11]，Du 等[12]研究發現 CNTs 可以促進 M2 型巨噬細胞極化，提示其可能在這一過程發揮作用。被募集到損傷部位的各類細胞會分泌 BMP、PDGF、TGF-β 等促進骨折愈合的物質，引發一系列促進骨組織再生的細胞反應，諸如 MSCs 增殖分化、成骨細胞增殖等，使血腫機化為纖維組織。上述提到的生長因子中，BMP 可以在 CNTs 表面良好吸附[13]，且有研究發現含有 CNTs 的材料對成骨細胞的附著和增殖有促進作用[14-15]，還可以促進 MSCs 分化[16]。
2 CNTs 與骨修復相關的特性
2.1 CNTs 的形態結構
CNTs 呈無縫圓柱形，具有納米級直徑以及較大的長徑比（100～100 000）和比表面積。CNTs 的納米結構單元是六邊形蜂窩晶格混合碳原子棒狀結構，與天然骨的長棒形三螺旋大分子形成的超分子膠原纖維相似，使其具備模擬骨膠原纖維的可能。根據 CNTs 層數可分成單壁 CNTs（single-walled CNTs，SWCNT）和多壁 CNTs（multi-walled CNTs，MWCNT）。目前可以制備與細胞外基質纖維層次結構相似的隨機定向 CNTs，或通過三維成型等技術制備具有特定多孔結構的復合材料。研究顯示這種具有多孔結構的支架植入大鼠體內 4 周后明顯促進缺損部位的血管再生[17]，而血管的生成對骨修復具有重要作用。此外，這種多孔結構還有利于干細胞及成骨細胞的有效附著，從而促進骨再生[18-19]。
2.2 CNTs 的化學特性
CNTs 的碳原子是 sp2 雜化碳原子，其形成的平面鍵十分穩定，鍵能高達 614 kJ/mol[20]，所以具有非常穩定的化學性質。CNTs 的外表面還有高度非定域化的 π 鍵，因此對蛋白質有著較強的吸附性能。然而 CNTs 具有高度疏水性，幾乎不能溶解于任何溶劑，所以大量研究擬通過表面改性，例如用羥基、羧基、氨基等修飾[21-23]，以改善 CNTs 在體內的分散性、生物相容性，以及與各類生物分子（如生長因子、膠原蛋白、蛋白多糖、糖蛋白等）、生物活性材料（如羥基磷灰石、鈣磷酸鹽、高分子材料等）的結合能力。不同的修飾基團會產生不同效果，Wang 等[24]研究了羧基、氨基以及不同多肽修飾后的 CNTs 對于 MC3T3-E1 細胞的影響，發現氨基修飾的 CNTs 性能最佳。
此外，CNTs 對大多數有機化合物具有強吸附性[25-26]。研究表明，氨基酸、Ⅰ型膠原蛋白及 BMP 可以在 CNTs 表面良好吸附[13, 27-29]。在 Li 等[16]的研究中，體外實驗表明吸收了 BMP 的 MWCNT 對 ALP 的產生以及脂肪干細胞的礦化都有積極影響；體內實驗也發現了 MWCNT 對骨生成的促進作用。由各種官能團功能化后的 CNTs 可以作為藥物、生長因子、蛋白質、核酸的運輸載體，在骨修復過程中控制成骨細胞、破骨細胞等細胞的行為以及分化，從而促進骨修復進程[30-34]。
2.3 CNTs 的力學特性
CNTs 用于骨組織工程領域的一個重要性能是其高機械強度。CNTs 的密度為 1.3～2.0 g/cm3、抗拉強度為 11～52 GPa、抗彎強度為（14.2±8）GPa、楊氏模量為 32～1470 GPa。與傳統金屬或陶瓷材料相比，CNTs 柔性更佳、強度更高、密度更低[35-38]，強度大約是骨的 3 倍。雖然 CNTs 在復合材料中的分散性和附著力較差，會使材料局部應力增加，但是仍可以使材料的剛度和韌性提高幾倍到十倍。例如，Qian 等[39]在聚苯乙烯中加入 1wt% CNTs 后，復合材料的斷裂應力提升了 25%，彈性模量提升了 42%。此外，還有研究發現在羥基磷灰石中加入 CNTs 后，材料的楊氏模量得到了極大提升，抗壓強度也得到了一定提升[40]。這種特性可能使含有 CNTs 的復合材料力學性能接近天然骨，以及使 CNTs 成為骨修復領域中高分子聚合材料或陶瓷基體的結構材料或者增強材料的最佳選擇。
2.4 CNTs 的電磁特性
根據不同結構，CNTs 可以呈現金屬特性、半導體性或超導性[41-43]。通過改變 CNTs 的層數、直徑、長徑比和手性等參數，可以在很大程度上有效控制其導電性。在骨組織修復方面，CNTs 可以改善相關生物分子和蛋白質之間的電化學以及電子傳導聯系，進而加速成骨細胞增殖和骨形成[44-46]。此外，基于 CNTs 的復合材料被認為是最好的電活性納米纖維，可以誘導細胞沿著材料取向的電荷排列進行生長，還能表現較好的抗菌性能[47-48]。
雖然 CNTs 本身是非磁性的，但可以通過一定方式使其包裹上納米磁性粒子后具有磁性[49-50]。還有研究發現，Fe3O4 修飾的 CNTs 與未修飾的 CNTs 相比表現出更好的生物相容性，修飾后的材料暴露在外磁場中可以顯著促進 BMSCs 增殖[49-51]。以上研究說明，含有 CNTs 的磁性復合納米粒子有望與磁靶向技術和生物療法實現有效結合，為骨缺損的靶向治療奠定了理論基礎。
2.5 CNTs 的生物安全性
CNTs 的物理化學性質非常穩定，在體內難以降解[52]，有利于維持骨修復材料的長期性能。此外，有研究還發現 MWCNT 具有相對較低的致癌性[53]；在大鼠膝關節內注射 CNTs 后未見長期炎癥反應[54]；靜脈注射 CNTs 未表現致癌性[55]；大鼠靜脈注射 SWCNT 后未表現嗜睡、厭食、體質量下降等癥狀[56]。在 Murakami 等[57]的研究中，靜脈注射較高劑量 MWCNT 的小鼠存活率明顯高于低劑量組和對照組的小鼠，而且在一定時間內小鼠的平均體質量也有所增加。上述研究提示經過適當分散或官能化處理后，CNTs 具有較高生物安全性。
3 CNTs 在骨修復中的應用
3.1 CNTs 作為藥物載體應用于骨修復
CNTs 的大比表面積及空心結構使其具有較強的藥物攜帶能力，并可調節藥物釋放行為，從而改善藥物的滲透性以及藥物滯留。一方面，CNTs 表面的分子結構以及一些修飾基團，使其可以通過 π-π 堆積、氫鍵、靜電相互作用、疏水相互作用等方式搭載藥物或生物分子（如核酸、肽鏈等）。例如，Bianco 等[58]發現具有大比表面積的 CNTs 可以吸收大量地塞米松，而且在 37℃ 磷酸鹽溶液中可以持續釋放地塞米松。Sukhodub 等[59]使用含有 CNTs 的復合材料搭載地塞米松，發現其具有誘導骨生成的效應。除此之外，Bhirde 等[60]制備了一種可搭載洗必泰的含 MWCNT 復合材料，發現材料中洗必泰釋放時間顯著延長。另一方面，還可以對 CNTs 進行適配體修飾，使其能將藥物靶向運輸至相應細胞，這對于靶向藥物運輸十分有利[61]。有文獻還報道了用 Cy3 標記的單鏈 DNA 修飾 SWCNT 后，加入到 Hela 細胞中，利用 CNTs 在近紅外區的強吸收性，用 808 nm 激光照射 2 min 后細胞死亡[62]。CNTs 的上述特性可能使其在用作骨再生支架的增強材料時，還具有釋放骨生成藥物、抗炎藥物、生長因子等功能。因此，CNTs 作為運輸藥物載體在骨修復領域應用潛力巨大[63]。
3.2 CNTs 作為其他支架材料的增強組分
CNTs 可以作為很多材料的增強材料，例如羥基磷灰石、磷酸三鈣、殼聚糖、膠原、聚己內酯（polycaprolactone，PCL）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）等。CNTs 除了可以改善基體材料的力學性能外，還能加強材料其他性能。例如，將 CNTs 和羥基磷灰石制成復合材料后，可以更好地促進成骨細胞附著、擴散以及增殖[14, 64]；磷酸三鈣與 CNTs 的復合材料置于模擬體液中浸泡 7 d 后，表面可以自發形成磷灰石層，說明 CNTs 具有促進礦化的能力[65-66]；CNTs 與殼聚糖的復合材料可以促進成骨前體細胞的生長、增殖以及分化[67]，還會增強殼聚糖基體的熱穩定性[68]；膠原和 CNTs 的復合材料相對于單純膠原支架，可以使大鼠原代成骨細胞加速分化，體內實驗發現有更多的骨組織在復合材料支架上生成并附著[69]；PCL 和 CNTs 的復合材料與單純 PCL 相比，展現出了更好的生物相容性和細胞附著[70-72]；CNTs 與 PLA 的復合材料具有更好的抗菌性和熱穩定性[73-74]。
4 CNTs 用于骨修復中面臨的問題
4.1 毒性
CNTs 在進入血液循環后可能分布于心臟、肺、肝臟、脾、腎等器官，最終經腎臟排出體外[75-76]。在排出過程中 CNTs 可能會在器官中積累，研究顯示不同直徑的 CNTs 其主要積累器官均為肺、肝臟、脾臟[76]。除此之外，研究發現 CNTs 在器官中積累量與其本身結構性質有關：更短、更獨立（分散更好）、經過表面修飾的 CNTs 更不容易在體內積累[77-79]。而積累在器官中的 CNTs 可能會對器官產生危害，例如 MWCNT 對人支氣管上皮細胞生長有抑制作用，且濃度越高抑制效果越強[80]。有研究發現，體外實驗中 0.2 μg/mL MWCNT 和 24～96 μg/cm2 SWCNT 表現細胞毒性和遺傳毒性[81-83]。還有一些研究發現未經修飾的 CNTs 引發了小鼠間皮瘤樣病變，與石棉引起的間皮瘤類似[84-86]。目前研究認為這可能是因納米粒子產生活性氧，進而傷害細胞[87]；也可能是制備純化過程中遺留的金屬雜質等產生了毒性[88]。還有研究發現 CNTs 的長度、直徑均對其毒性有一定影響[89]，不同的分散劑也會對其毒性產生影響（明膠>羧甲基纖維素>二棕櫚酰磷脂酰膽堿）[90]。針對這些特點，可以通過表面修飾、改進制備純化工藝、調整長度及直徑的方法，最大限度降低 CNTs 毒性，能否達到真正無毒還需進一步研究。基于 CNTs 的優異性能，如果可以將毒性降低到可接受范圍，或在預期使用時間內毒性產生的危害完全可控，那它仍然是一種優秀的骨修復材料。但目前 CNTs 的具體毒性以及產生毒性的原理尚不明確，亟待進一步研究。
4.2 分散性
CNTs 具有高度疏水性，由于疏水表面之間會產生相互作用，在范德華力和棒狀結構的影響下會成簇聚集，進而顯著影響 CNTs 性質。因此，如何防止 CNTs 聚集，使之能較理想地分布在高分子聚合物材料（尤其是親水的高分子聚合物）的基體中，是 CNTs 在骨組織再生中面臨的主要挑戰之一。例如，Nazeri 等[91]將 CNTs 附著在 PLA-羥基乙酸共聚物纖維上，但掃描電鏡圖像顯示 CNTs 的分布并不均勻，纖維上的很多部分都沒有 CNTs 附著。目前，很多研究顯示在強酸環境下，對 CNTs 表面進行共價或非共價修飾是比較有效的方法[92-93]。但是表面修飾可能達不到完全理想效果，例如在 Li 等[14]的研究中，經氧化修飾后的 CNTs 在膠原和羥基磷灰石體系中雖然有一定分散，但是分散明顯不均勻。另外一種方法是使用氯仿、二甲基乙酰胺、乙醇、四氫呋喃等極性溶劑和表面活性劑等來分散 CNTs，這種方法的效果同樣有限。Rezvova 等[94]通過氯仿分散 CNTs 并與聚苯乙烯-異丁烯共聚物復合，但在其實驗的最低濃度（1%）時 CNTs 就出現了明顯成簇聚集現象。因此更有效分散 CNTs 的方法仍需進一步研究。
5 總結與展望
CNTs 因具有力學性能高、導電性好、比表面積大、結構穩定等優點，成為一種備受關注的骨修復材料。國內外學者們對 CNTs 在骨修復和骨組織工程方面的應用進行了很多嘗試，結果表明含有 CNTs 的支架材料在骨修復過程中表現出良好的生物相容性、物理化學特性，從而能夠提高相關細胞的成骨功能、促進巨噬細胞向 M2 型極化以及增加對特定蛋白的吸附等，進而促進了骨組織再生。另外，可以通過對 CNTs 進行不同功能化，以及進一步共價結合不同成骨相關活性因子來調控其成骨性能；通過特定加工技術（如 3D 打印技術），在保證 CNTs 骨修復支架力學強度的基礎上，加快成骨細胞沿特定方向聚集，從而加速骨修復進程。總之，目前研究表明 CNTs 有望成為用于骨修復的高性能材料。
盡管 CNTs 具有良好的發展前景，但用于臨床仍面臨諸多挑戰，今后有望從以下幾方面取得突破：① 對于 CNTs 的高力學性能，仍然需要從以下兩方面進行深入、系統研究，包括 CNTs 本身優異的力學性能對成骨相關性能影響的研究，以及 CNTs 自身參數（如長度、直徑、含量等）對其與基體材料復合后力學性能改善的系統研究；② 對于 CNTs 的導電性，需要進一步體內外系統地研究施加/不施加外部電刺激條件下，CNTs 及其復合材料對成骨功能和骨組織再生行為的影響規律；③ 盡管已有研究表明 CNTs 的分散性會影響其骨修復性能，但是仍然缺乏影響規律的系統研究；④ CNTs 官能團化不僅可以顯著改善 CNTs 的自身功能，還有利于進一步結合活性物質，從而增強其骨修復性能，然而對官能團、電荷等功能化相關因素的影響規律需要深入探討；⑤ CNTs 成骨機制還有待進一步研究，包括直徑、長度等參數以及復合材料制備工藝等因素，對成骨相關信號通路以及免疫調節機制等的影響規律；⑥ 為了減少 CNTs 潛在毒性，可通過功能化方法在一定程度上提高 CNTs 分散性，也可通過與可降解材料復合使其隨著其他材料降解產物排出，以及通過生物包裹固定于植入部位，但這方面研究還有待加強。以上研究的深入開展和突破有望使 CNTs 的特性得到充分利用，并合理調控其成為一類高性能骨修復材料。
作者貢獻：任義行與黃若愚負責資料收集和撰寫文稿；王存陽負責文稿修改；馬亞潔與李曉明負責內容構思、觀點形成、結構設計以及提出文章修改意見。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。經費支持沒有影響文章觀點。