随着对骨修复过程研究的深入，以及骨修复材料制备、表征等技术的进步，各种人工骨替代材料在骨相关疾病（如骨缺损等）治疗中得到充分应用。然而，目前临床应用的各种天然或者合成生物材料无法完全复制天然骨结构和性能。碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）因具有优异的结构稳定性、力学性能和官能团可修饰性，为骨修复领域发展新型材料提供了新的方向。CNTs 及其复合材料在骨修复材料设计及用作药物载体等方面也具有广阔前景。本文从形态结构、化学特性、力学特性、电磁特性和生物安全性等方面，总结 CNTs 与骨组织再生相关的优势性质，以及 CNTs 在药物运输载体和支架材料的增强组分方面的应用，讨论分析 CNTs 在骨再生医学方面的潜在问题和展望。
目前，骨移植是临床修复大面积骨损伤的传统方法，主要包括自体骨移植、同种异体骨移植和异种骨移植[1-4]。其中，自体骨移植修复效果较好，但存在来源不足和二次损伤的问题；同种异体骨移植存在免疫排斥反应及感染的风险；天然异种骨移植存在吸收率低和不易塑形的缺点。近年来，随着材料和组织工程等学科的进步，人工合成骨修复材料有望克服传统骨移植的不足，在骨修复领域得到广泛应用[5-7]。碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）作为一种新型一维纳米材料，应用于骨修复领域具有以下优势：一是 CNTs 力学性能优异；二是 CNTs 的大比表面积和优异的导电性，更有利于蛋白质吸收和细胞黏附生长[8-9]；三是 CNTs 作为增强材料引入到基体材料后，可使材料获得纳米网络结构和适当的多孔性，更有利于骨组织中细胞外基质的物质交换，这也是目前研究热点之一[10]。现对 CNTs 与骨修复相关的特性、在骨修复领域的应用以及目前存在的问题进行综述，为进一步深入研究 CNTs 在骨修复中的应用潜力提供参考。
1 CNTs 可能参与的骨再生过程
骨组织损伤后进入血肿机化期，这一时期血小板被激活聚集在损伤部位，多种凝血因子、趋化因子等被释放到血液中引发凝血反应，形成血肿。同时巨噬细胞、中性粒细胞等炎性细胞会浸润血肿，破骨细胞也会被募集以清除坏死骨组织。各种免疫细胞间的相互作用还会引导单核/巨噬细胞的极化[11]，Du 等[12]研究发现 CNTs 可以促进 M2 型巨噬细胞极化，提示其可能在这一过程发挥作用。被募集到损伤部位的各类细胞会分泌 BMP、PDGF、TGF-β 等促进骨折愈合的物质，引发一系列促进骨组织再生的细胞反应，诸如 MSCs 增殖分化、成骨细胞增殖等，使血肿机化为纤维组织。上述提到的生长因子中，BMP 可以在 CNTs 表面良好吸附[13]，且有研究发现含有 CNTs 的材料对成骨细胞的附着和增殖有促进作用[14-15]，还可以促进 MSCs 分化[16]。
2 CNTs 与骨修复相关的特性
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它的高机械强度。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 32～1470 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 的复合材料的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，而且在一定时间内小鼠平均体质量增加。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。
3 CNTs 在骨修复中的应用
3.1 CNTs 作为药物载体应用于骨修复
CNTs 的大比表面积及空心结构使其具有较强的药物携带能力，并可调节药物释放行为，从而改善药物的渗透性以及药物滞留。一方面，CNTs 表面的分子结构以及一些修饰基团，使其可以通过 π-π 堆积、氢键、静电相互作用、疏水相互作用等方式搭载药物或生物分子（如核酸、肽链等）。例如，Bianco 等[58]发现具有大比表面积的 CNTs 可以吸收大量地塞米松，而且在 37℃ 磷酸盐溶液中可以持续释放地塞米松。Sukhodub 等[59]使用含有 CNTs 的复合材料搭载地塞米松，发现其具有诱导骨生成的效应。除此之外，Bhirde 等[60]制备了一种可搭载洗必泰的含 MWCNT 复合材料，发现材料中洗必泰释放时间显著延长。另一方面，还可以对 CNTs 进行适配体修饰，使其能将药物靶向运输至相应细胞，这对于靶向药物运输十分有利[61]。有文献还报道了用 Cy3 标记的单链 DNA 修饰 SWCNT 后，加入到 Hela 细胞中，利用 CNTs 在近红外区的强吸收性，用 808 nm 激光照射 2 min 后细胞死亡[62]。CNTs 的上述特性可能使其在用作骨再生支架的增强材料时，还具有释放骨生成药物、抗炎药物、生长因子等功能。因此，CNTs 作为运输药物载体在骨修复领域应用潜力巨大[63]。
3.2 CNTs 作为其他支架材料的增强组分
CNTs 可以作为很多材料的增强材料，例如羟基磷灰石、磷酸三钙、壳聚糖、胶原、聚己内酯（polycaprolactone，PCL）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）等。CNTs 除了可以改善基体材料的力学性能外，还能加强材料其他性能。例如，将 CNTs 和羟基磷灰石制成复合材料后，可以更好地促进成骨细胞附着、扩散以及增殖[14, 64]；磷酸三钙与 CNTs 的复合材料置于模拟体液中浸泡 7 d 后，表面可以自发形成磷灰石层，说明 CNTs 具有促进矿化的能力[65-66]；CNTs 与壳聚糖的复合材料可以促进成骨前体细胞的生长、增殖以及分化[67]，还会增强壳聚糖基体的热稳定性[68]；胶原和 CNTs 的复合材料相对于单纯胶原支架，可以使大鼠原代成骨细胞加速分化，体内实验发现有更多的骨组织在复合材料支架上生成并附着[69]；PCL 和 CNTs 的复合材料与单纯 PCL 相比，展现出了更好的生物相容性和细胞附着[70-72]；CNTs 与 PLA 的复合材料具有更好的抗菌性和热稳定性[73-74]。
4 CNTs 用于骨修复中面临的问题
4.1 毒性
CNTs 在进入血液循环后可能分布于心脏、肺、肝脏、脾、肾等器官，最终经肾脏排出体外[75-76]。在排出过程中 CNTs 可能会在器官中积累，研究显示不同直径的 CNTs 其主要积累器官均为肺、肝脏、脾脏[76]。除此之外，研究发现 CNTs 在器官中积累量与本身结构性质有关：更短、更独立（分散更好）、经过表面修饰的 CNTs 更不容易在体内积累[77-79]。而积累在器官中的 CNTs 可能会对器官产生危害，例如 MWCNT 对人支气管上皮细胞生长有抑制作用，且浓度越高抑制效果越强[80]。有研究发现，体外实验中 0.2 μg/mL MWCNT 和 24～96 μg/cm2 SWCNT 表现细胞毒性和遗传毒性[81-83]。还有一些研究发现未经修饰的 CNTs 引发了小鼠间皮瘤样病变，与石棉引起的间皮瘤类似[84-86]。目前研究认为这可能是纳米粒子产生活性氧，进而伤害细胞[87]；也可能是制备纯化过程中遗留的金属杂质等产生了毒性[88]。还有研究发现 CNTs 的长度、直径均对其毒性有一定影响[89]，不同的分散剂也会对其毒性产生影响（明胶>羧甲基纤维素>二棕榈酰磷脂酰胆碱）[90]。针对这些特点，可以通过表面修饰、改进制备纯化工艺、调整长度及直径的方法，最大限度地降低 CNTs 毒性，能否达到真正无毒还需进一步研究。基于 CNTs 的优异性能，如果可以将毒性降低到一个可以接受范围，或在预期使用时间内毒性产生的危害完全可控，那它仍然是一种优秀的骨修复材料。但目前 CNTs 的具体毒性以及产生毒性的原理尚不明确，亟待进一步研究。
4.2 分散性
CNTs 具有高度疏水性，由于疏水表面之间会产生相互作用，在范德华力和棒状结构的影响下会成簇聚集，进而显著影响 CNTs 性质。因此，如何防止 CNTs 聚集，使之能较理想地分布在高分子聚合物材料（尤其是亲水的高分子聚合物）的基体中，是 CNTs 在骨组织再生中面临的主要挑战之一。例如，Nazeri 等[91]将 CNTs 附着在 PLA-羟基乙酸共聚物纤维上，但扫描电镜图像显示 CNTs 的分布并不均匀，纤维上的很多部分都没有 CNTs 附着。目前，很多研究显示在强酸环境下，对 CNTs 表面进行共价或非共价修饰是比较有效的方法[92-93]。但是表面修饰可能不能达到完全理想效果，例如在 Li 等[14]的研究中，经氧化修饰后的 CNTs 在胶原和羟基磷灰石体系中虽然有一定分散，但是分散明显不均匀。另外一种方法是使用氯仿、二甲基乙酰胺、乙醇、四氢呋喃等极性溶剂和表面活性剂等来分散 CNTs，这种方法的效果同样是有限的。Rezvova 等[94]通过氯仿分散 CNTs 并与聚苯乙烯-异丁烯共聚物复合，但在其实验的最低浓度（1%）时 CNTs 就出现了明显成簇聚集现象。因此更有效地分散 CNTs 的方法仍需进一步研究。
5 总结与展望
CNTs 因具有力学性能高、导电性好、比表面积大、结构稳定等优点，成为一种备受关注的骨修复材料。国内外学者们对 CNTs 在骨修复和骨组织工程方面的应用进行了很多尝试，结果表明含有 CNTs 的支架材料在骨修复过程中表现出良好的生物相容性、物理化学特性，从而能够提高相关细胞的成骨功能、促进巨噬细胞向 M2 型极化以及增加对特定蛋白的吸附等，进而促进了骨组织再生。另外，可以通过对 CNTs 进行不同功能化，以及进一步共价结合不同成骨相关活性因子来调控其成骨性能；通过特定加工技术（如 3D 打印技术），在保证 CNTs 骨修复支架力学强度的基础上，加快成骨细胞沿特定方向聚集，从而加速骨修复进程。总之，目前研究表明 CNTs 有望成为用于骨修复的高性能材料。
尽管 CNTs 具有良好的发展前景，但用于临床仍面临诸多挑战，今后有望从以下几方面取得突破：① 对于 CNTs 的高力学性质，仍然需要从以下两方面进行深入、系统研究，包括 CNTs 本身优异的力学性质对成骨相关性能影响的研究，以及 CNTs 自身参数（如长度、直径、含量等）对其与基体材料复合后力学性能改善的系统研究；② 对于 CNTs 的导电性，需要进一步体内外系统地研究施加/不施加外部电刺激条件下，CNTs 及其复合材料对成骨功能和骨组织再生行为的影响规律；③ 尽管已有研究表明 CNTs 的分散性会影响其骨修复性能，但是仍然缺乏影响规律的系统研究；④ CNTs 官能团化不仅可以显著改善 CNTs 的自身功能，还有利于进一步结合活性物质，从而增强其骨修复性能，然而对官能团、电荷等功能化相关因素的影响规律需要深入探讨；⑤ CNTs 成骨机制还有待进一步研究，包括直径、长度等参数以及复合材料制备工艺等因素，对成骨相关信号通路以及免疫调节机制等的影响规律；⑥ 为了减少 CNTs 潜在毒性，可通过功能化方法在一定程度上提高 CNTs 分散性，也可通过与可降解材料复合使其随着其他材料降解产物排出，以及通过生物包裹固定于植入部位，但这方面研究还有待加强。以上研究的深入开展和突破有望使 CNTs 的特性得到充分利用，并合理调控其成为一类高性能骨修复材料。
作者贡献：任义行与黄若愚负责资料收集和撰写文稿；王存阳负责文稿修改；马亚洁负责内容构思和观点形成；李晓明负责结构设计、观点补充及文章修改意见的提出。
利益冲突：所有作者声明，在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突。经费支持没有影响文章观点。
目前，骨移植是临床修复大面积骨损伤的传统方法，主要包括自体骨移植、同种异体骨移植和异种骨移植[1-4]。其中，自体骨移植修复效果较好，但存在来源不足和二次损伤的问题；同种异体骨移植存在免疫排斥反应及感染的风险；天然异种骨移植存在吸收率低和不易塑形的缺点。近年来，随着材料和组织工程等学科的进步，人工合成骨修复材料有望克服传统骨移植的不足，在骨修复领域得到广泛应用[5-7]。碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）作为一种新型一维纳米材料，应用于骨修复领域具有以下优势：一是 CNTs 力学性能优异；二是 CNTs 的大比表面积和优异的导电性，更有利于蛋白质吸收和细胞黏附生长[8-9]；三是 CNTs 作为增强材料引入到基体材料后，可使材料获得纳米网络结构和适当的多孔性，更有利于骨组织中细胞外基质的物质交换，这也是目前研究热点之一[10]。现对 CNTs 与骨修复相关的特性、在骨修复领域的应用以及目前存在的问题进行综述，为进一步深入研究 CNTs 在骨修复中的应用潜力提供参考。
1 CNTs 可能参与的骨再生过程
骨组织损伤后进入血肿机化期，这一时期血小板被激活聚集在损伤部位，多种凝血因子、趋化因子等被释放到血液中引发凝血反应，形成血肿。同时巨噬细胞、中性粒细胞等炎性细胞会浸润血肿，破骨细胞也会被募集以清除坏死骨组织。各种免疫细胞间的相互作用还会引导单核/巨噬细胞的极化[11]，Du 等[12]研究发现 CNTs 可以促进 M2 型巨噬细胞极化，提示其可能在这一过程发挥作用。被募集到损伤部位的各类细胞会分泌 BMP、PDGF、TGF-β 等促进骨折愈合的物质，引发一系列促进骨组织再生的细胞反应，诸如 MSCs 增殖分化、成骨细胞增殖等，使血肿机化为纤维组织。上述提到的生长因子中，BMP 可以在 CNTs 表面良好吸附[13]，且有研究发现含有 CNTs 的材料对成骨细胞的附着和增殖有促进作用[14-15]，还可以促进 MSCs 分化[16]。
2 CNTs 与骨修复相关的特性
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它的高机械强度。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 32～1470 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 的复合材料的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，而且在一定时间内小鼠平均体质量增加。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。
3 CNTs 在骨修复中的应用
3.1 CNTs 作为药物载体应用于骨修复
CNTs 的大比表面积及空心结构使其具有较强的药物携带能力，并可调节药物释放行为，从而改善药物的渗透性以及药物滞留。一方面，CNTs 表面的分子结构以及一些修饰基团，使其可以通过 π-π 堆积、氢键、静电相互作用、疏水相互作用等方式搭载药物或生物分子（如核酸、肽链等）。例如，Bianco 等[58]发现具有大比表面积的 CNTs 可以吸收大量地塞米松，而且在 37℃ 磷酸盐溶液中可以持续释放地塞米松。Sukhodub 等[59]使用含有 CNTs 的复合材料搭载地塞米松，发现其具有诱导骨生成的效应。除此之外，Bhirde 等[60]制备了一种可搭载洗必泰的含 MWCNT 复合材料，发现材料中洗必泰释放时间显著延长。另一方面，还可以对 CNTs 进行适配体修饰，使其能将药物靶向运输至相应细胞，这对于靶向药物运输十分有利[61]。有文献还报道了用 Cy3 标记的单链 DNA 修饰 SWCNT 后，加入到 Hela 细胞中，利用 CNTs 在近红外区的强吸收性，用 808 nm 激光照射 2 min 后细胞死亡[62]。CNTs 的上述特性可能使其在用作骨再生支架的增强材料时，还具有释放骨生成药物、抗炎药物、生长因子等功能。因此，CNTs 作为运输药物载体在骨修复领域应用潜力巨大[63]。
3.2 CNTs 作为其他支架材料的增强组分
CNTs 可以作为很多材料的增强材料，例如羟基磷灰石、磷酸三钙、壳聚糖、胶原、聚己内酯（polycaprolactone，PCL）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）等。CNTs 除了可以改善基体材料的力学性能外，还能加强材料其他性能。例如，将 CNTs 和羟基磷灰石制成复合材料后，可以更好地促进成骨细胞附着、扩散以及增殖[14, 64]；磷酸三钙与 CNTs 的复合材料置于模拟体液中浸泡 7 d 后，表面可以自发形成磷灰石层，说明 CNTs 具有促进矿化的能力[65-66]；CNTs 与壳聚糖的复合材料可以促进成骨前体细胞的生长、增殖以及分化[67]，还会增强壳聚糖基体的热稳定性[68]；胶原和 CNTs 的复合材料相对于单纯胶原支架，可以使大鼠原代成骨细胞加速分化，体内实验发现有更多的骨组织在复合材料支架上生成并附着[69]；PCL 和 CNTs 的复合材料与单纯 PCL 相比，展现出了更好的生物相容性和细胞附着[70-72]；CNTs 与 PLA 的复合材料具有更好的抗菌性和热稳定性[73-74]。
4 CNTs 用于骨修复中面临的问题
4.1 毒性
CNTs 在进入血液循环后可能分布于心脏、肺、肝脏、脾、肾等器官，最终经肾脏排出体外[75-76]。在排出过程中 CNTs 可能会在器官中积累，研究显示不同直径的 CNTs 其主要积累器官均为肺、肝脏、脾脏[76]。除此之外，研究发现 CNTs 在器官中积累量与本身结构性质有关：更短、更独立（分散更好）、经过表面修饰的 CNTs 更不容易在体内积累[77-79]。而积累在器官中的 CNTs 可能会对器官产生危害，例如 MWCNT 对人支气管上皮细胞生长有抑制作用，且浓度越高抑制效果越强[80]。有研究发现，体外实验中 0.2 μg/mL MWCNT 和 24～96 μg/cm2 SWCNT 表现细胞毒性和遗传毒性[81-83]。还有一些研究发现未经修饰的 CNTs 引发了小鼠间皮瘤样病变，与石棉引起的间皮瘤类似[84-86]。目前研究认为这可能是纳米粒子产生活性氧，进而伤害细胞[87]；也可能是制备纯化过程中遗留的金属杂质等产生了毒性[88]。还有研究发现 CNTs 的长度、直径均对其毒性有一定影响[89]，不同的分散剂也会对其毒性产生影响（明胶>羧甲基纤维素>二棕榈酰磷脂酰胆碱）[90]。针对这些特点，可以通过表面修饰、改进制备纯化工艺、调整长度及直径的方法，最大限度地降低 CNTs 毒性，能否达到真正无毒还需进一步研究。基于 CNTs 的优异性能，如果可以将毒性降低到一个可以接受范围，或在预期使用时间内毒性产生的危害完全可控，那它仍然是一种优秀的骨修复材料。但目前 CNTs 的具体毒性以及产生毒性的原理尚不明确，亟待进一步研究。
4.2 分散性
CNTs 具有高度疏水性，由于疏水表面之间会产生相互作用，在范德华力和棒状结构的影响下会成簇聚集，进而显著影响 CNTs 性质。因此，如何防止 CNTs 聚集，使之能较理想地分布在高分子聚合物材料（尤其是亲水的高分子聚合物）的基体中，是 CNTs 在骨组织再生中面临的主要挑战之一。例如，Nazeri 等[91]将 CNTs 附着在 PLA-羟基乙酸共聚物纤维上，但扫描电镜图像显示 CNTs 的分布并不均匀，纤维上的很多部分都没有 CNTs 附着。目前，很多研究显示在强酸环境下，对 CNTs 表面进行共价或非共价修饰是比较有效的方法[92-93]。但是表面修饰可能不能达到完全理想效果，例如在 Li 等[14]的研究中，经氧化修饰后的 CNTs 在胶原和羟基磷灰石体系中虽然有一定分散，但是分散明显不均匀。另外一种方法是使用氯仿、二甲基乙酰胺、乙醇、四氢呋喃等极性溶剂和表面活性剂等来分散 CNTs，这种方法的效果同样是有限的。Rezvova 等[94]通过氯仿分散 CNTs 并与聚苯乙烯-异丁烯共聚物复合，但在其实验的最低浓度（1%）时 CNTs 就出现了明显成簇聚集现象。因此更有效地分散 CNTs 的方法仍需进一步研究。
5 总结与展望
CNTs 因具有力学性能高、导电性好、比表面积大、结构稳定等优点，成为一种备受关注的骨修复材料。国内外学者们对 CNTs 在骨修复和骨组织工程方面的应用进行了很多尝试，结果表明含有 CNTs 的支架材料在骨修复过程中表现出良好的生物相容性、物理化学特性，从而能够提高相关细胞的成骨功能、促进巨噬细胞向 M2 型极化以及增加对特定蛋白的吸附等，进而促进了骨组织再生。另外，可以通过对 CNTs 进行不同功能化，以及进一步共价结合不同成骨相关活性因子来调控其成骨性能；通过特定加工技术（如 3D 打印技术），在保证 CNTs 骨修复支架力学强度的基础上，加快成骨细胞沿特定方向聚集，从而加速骨修复进程。总之，目前研究表明 CNTs 有望成为用于骨修复的高性能材料。
尽管 CNTs 具有良好的发展前景，但用于临床仍面临诸多挑战，今后有望从以下几方面取得突破：① 对于 CNTs 的高力学性质，仍然需要从以下两方面进行深入、系统研究，包括 CNTs 本身优异的力学性质对成骨相关性能影响的研究，以及 CNTs 自身参数（如长度、直径、含量等）对其与基体材料复合后力学性能改善的系统研究；② 对于 CNTs 的导电性，需要进一步体内外系统地研究施加/不施加外部电刺激条件下，CNTs 及其复合材料对成骨功能和骨组织再生行为的影响规律；③ 尽管已有研究表明 CNTs 的分散性会影响其骨修复性能，但是仍然缺乏影响规律的系统研究；④ CNTs 官能团化不仅可以显著改善 CNTs 的自身功能，还有利于进一步结合活性物质，从而增强其骨修复性能，然而对官能团、电荷等功能化相关因素的影响规律需要深入探讨；⑤ CNTs 成骨机制还有待进一步研究，包括直径、长度等参数以及复合材料制备工艺等因素，对成骨相关信号通路以及免疫调节机制等的影响规律；⑥ 为了减少 CNTs 潜在毒性，可通过功能化方法在一定程度上提高 CNTs 分散性，也可通过与可降解材料复合使其随着其他材料降解产物排出，以及通过生物包裹固定于植入部位，但这方面研究还有待加强。以上研究的深入开展和突破有望使 CNTs 的特性得到充分利用，并合理调控其成为一类高性能骨修复材料。
作者贡献：任义行与黄若愚负责资料收集和撰写文稿；王存阳负责文稿修改；马亚洁负责内容构思和观点形成；李晓明负责结构设计、观点补充及文章修改意见的提出。
利益冲突：所有作者声明，在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突。经费支持没有影响文章观点。