聚己内酯/壳聚糖/石墨烯量子点纳米复合支架的制备与表征：其在神经组织工程中的潜在应用

《Carbon Trends》：Fabrication and Characterization of Polycaprolactone/Chitosan/Graphene Quantum Dots Nanocomposite Scaffolds with Potential Application in Neural Tissue Engineering

神经组织工程中，基于聚碳酸酯（PCL）和壳聚糖的纳米复合材料支架被开发，通过电纺技术制备五种不同石墨烯量子点（GQDs）含量的支架，并系统评估其结构、机械性能、电导率和生物相容性。研究表明，0.5-1 wt% GQDs的S2和S3支架在降低纤维直径（约226 nm）、增强电导率（133 Ω）、提升机械强度（弹性模量84.33 MPa）和促进PC12细胞增殖（97.5%存活率）方面表现最佳，而更高浓度导致降解加速和细胞毒性。该成果为神经再生支架的优化设计提供了理论依据。

　　神经组织工程是现代生物医学领域中的一个重要研究方向，旨在通过人工构建的支架材料促进神经组织的修复与再生。在这一领域中，支架材料不仅需要具备良好的生物相容性，还应能够提供适宜的机械性能，同时模拟神经细胞的自然微环境，以支持其生长、分化和功能恢复。近年来，随着纳米材料的发展，特别是具有优异导电性能的石墨烯量子点（GQDs），其在神经组织工程中的应用引起了广泛关注。GQDs由于其纳米尺寸、高导电性、可表面功能化以及良好的生物相容性，被认为是增强神经网络形成和改善细胞-支架界面的关键材料之一。

本研究通过电纺技术制备了五种基于聚己内酯（PCL）和壳聚糖（CH）的纳米复合支架，并分别添加了不同浓度的GQDs（0%、0.5%、1%、2%、4%）。电纺技术能够产生细长且均匀排列的纤维，为支架的结构设计提供了高度的灵活性。研究团队对这些支架进行了结构、机械、电学和生物学性能的系统评估，以确定最优的GQDs含量，从而实现导电性、生物相容性和结构稳定性的最佳平衡。结果表明，随着GQDs含量的增加，支架的电导率显著提高，同时其降解速率也相应加快。然而，过高的GQDs含量会导致机械性能下降，甚至引起细胞毒性。因此，研究发现0.5%至1%的GQDs含量在支架性能的综合优化方面表现最为理想。

从结构表征的角度来看，X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，GQDs的引入对PCL和CH的晶体结构产生了显著影响。具体而言，GQDs的加入降低了PCL的结晶度，增加了其非晶区域的比例，从而加速了降解过程。同时，GQDs的表面羟基、羧基和环氧基团与PCL和CH之间的氢键作用，进一步影响了支架的微观结构和物理性能。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，随着GQDs含量的增加，纤维直径显著减小，达到约70%的降幅。这种纤维尺寸的减小不仅增加了支架的比表面积，还为细胞提供了更多的附着位点，有助于细胞的黏附和增殖。然而，当GQDs含量超过一定阈值（如2%和4%）时，纤维出现明显的聚集现象，导致支架结构的不均匀性和导电性能的下降。

在电学性能方面，通过电化学阻抗谱（EIS）测试发现，GQDs含量的增加显著降低了支架的电阻。例如，当GQDs含量从0.5%增加到1%时，支架的电阻从约1883 Ω降至133 Ω，表明其导电性得到了显著提升。然而，当GQDs含量进一步增加至2%和4%时，支架的电阻反而有所上升，这可能是由于GQDs的聚集导致导电路径受阻所致。因此，研究指出在0.5%至1%的GQDs含量范围内，支架能够实现最优的导电性，而过高的含量则可能对支架的导电性能产生不利影响。

在生物学评估方面，使用PC12细胞模型进行细胞活性测试，结果显示在0.5%至2%的GQDs含量范围内，细胞活性有所提高，而4%的GQDs含量则导致细胞活性下降，表明过量的GQDs可能对细胞产生毒性作用。具体而言，0.5%的GQDs含量能够显著促进细胞增殖，使得细胞活性从93.9%提升至97.5%。然而，当GQDs含量增加到4%时，细胞活性从76.45%下降至70.6%，这可能与GQDs的聚集和氧化应激有关。这些结果表明，GQDs的含量对支架的生物相容性具有显著影响，因此在实际应用中需要严格控制其添加比例。

从机械性能来看，随着GQDs含量的增加，支架的弹性模量和拉伸强度也呈现出先增强后下降的趋势。例如，当GQDs含量为0.5%时，支架的弹性模量从32.8 MPa显著提升至84.33 MPa，表明其机械性能得到了有效改善。然而，当GQDs含量进一步增加至2%和4%时，支架的机械性能明显下降，尤其是拉伸强度的减少更为显著。这可能与纤维直径的减小和GQDs的聚集有关，导致支架的结构稳定性受到影响。因此，研究建议在0.5%至1%的GQDs含量范围内，支架能够实现机械性能与导电性之间的最佳平衡。

此外，支架的表面润湿性也是影响细胞-支架相互作用的重要因素。通过测量静态水接触角发现，随着GQDs含量的增加，支架的水接触角显著降低，表明其表面亲水性得到了改善。亲水性的提高有助于促进细胞的黏附和生长，为神经细胞提供更加适宜的微环境。然而，当GQDs含量超过一定范围时，接触角的变化趋于平缓，表明此时表面润湿性的提升受到限制。因此，研究认为GQDs的添加在一定程度上能够增强支架的亲水性，从而改善其生物相容性。

综上所述，本研究通过系统评估不同GQDs含量对PCL-CH纳米复合支架性能的影响，发现0.5%至1%的GQDs含量能够实现支架在导电性、生物相容性和机械性能方面的综合优化。这一结果为开发用于周围神经修复的电导性生物相容性支架提供了重要的理论依据和实验支持。未来的研究可以进一步探索这些支架在体内的实际应用效果，并结合生物活性分子的引入，以提升其在神经组织修复中的整体性能。