背景:因外伤、骨折不愈合、骨肿瘤切除术、脊柱畸形和感染引起的骨缺损严重威胁患者的健康,较小的骨损伤具备自行愈合的能力,不需进行手术干预,但超出临界尺寸的骨缺损需要进行手术干预。临床上目前治疗骨缺损的“金标准”是自体骨移植,但是有来源受限和供骨区易出现并发症等问题。此外,同种异体骨移植也是临床常用的治疗骨缺损的方法,但是存在容易感染疾病、引起免疫排斥反应等缺点。鉴于以上原因,用各类材料用于治疗骨缺损是国内外骨修复重建领域的热点和难点问题。纳米材料因其独特的理化特性被应用于骨缺损修复的研究中,其中纳米碳材料因具备较好的机械强度、独特的物理化学性能,是骨修复研究的热点材料。目前对纳米碳材料的研究主要集中在零维（纳米碳点、富勒烯）、一维（碳纳米管）、二维（石墨烯及其氧化物）等的研究,对三维纳米碳材料的研究较少,其中新研发的纳米西瓜多孔碳是一类新型的三维纳米碳材料,目前国内外无该材料在生物相容性、与干细胞相互作用、对骨缺损的修复能力等方面的研究,因此对该材料的制备、生物相容性及与干细胞相互作用、对骨缺损的修复进行研究,为骨缺损的治疗提供一种新型纳米碳材料。方法:西瓜切成合适大小再放入到不锈钢高压釜,按照一步水热法放于180℃的烘箱中12小时后得到黑色碳质水凝胶,将其放置于水和乙醇中浸泡数天,再冷冻干燥后得到碳质气凝胶。通过场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射仪对纳米西瓜多孔碳的物理化学性能进行研究。结果:场发射扫描电子显微镜证实此次实验得到的碳碳质气凝胶是三维（3D）多孔样碳结构。透射电子显微镜证实纳米西瓜多孔碳是由纳米球或纳米颗粒形成的带状或者分支样结构的碳材料,孔径大小平均值为45.8nm。X射线衍射图证实纳米多孔碳材料的结晶度良好。傅里叶变换红外光谱证实研究得到的纳米西瓜多孔碳具备O-H、C-H、C=O、C-O-C等多种化学键,推测表面存在大量的羟基、羰基、羧基、芳香基等官能团。X射线光电子能谱结果分别归因于C 1s、O 1s、N 1s。结论:（1）本实验选择了一种绿色、价格低廉、方便易得的生物材料西瓜作为纳米碳材料的来源,通过选用绿色、不用添加任何化学试剂的方法制作出纳米西瓜多孔碳。（2）通过X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射等手段检测,证实纳米西瓜多孔碳成功制备。（3）纳米西瓜多孔碳具备大量的孔隙结构、具备亲水性能、强大的机械性能、丰富的表面官能团,具备成为新型生物工程材料的潜力。背景:纳米材料在医学中的应用是热点问题,其生物安全性分析是纳米材料应用于动物或人体前的必要研究。不同暴露途径的纳米材料进入生物机体的方式不一,有研究发现植入动物体内的纳米材料可被巨噬细胞吞噬,从而进入循环系统内分散至不同的器官。因此无论是静脉使用纳米材料,还是局部应用纳米材料,都要对全身各器官和脏器功能的变化进行研究。纳米碳材料种类繁多,虽国内外尚无对三维纳米碳材料纳米西瓜多孔碳的生物安全性研究,但从众多零维、一维、二维的纳米碳材料的研究中发现纳米碳材料可以引起炎症反应、纤维化、癌症、免疫抑制及心血管及神经系统不良反应,可以通过多种途径对动物体内的氧化应激反应进行影响。此外,目前国内外研究集中在骨缺损部位应用纳米碳材料后血常规、肝肾功能变化,以及肝肾病理切片的HE染色变化,而尚无纳米碳局部骨缺损处应用后脑、肝、肾脏、胸腺、脾脏、血液等脏器或系统中超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、脂质氧化、一氧化氮等氧化应激反应的评价含量的变化研究。基于以上原因,本实验的目的是进行新研制的纳米西瓜多孔碳在骨缺损部位应用后的上述生物安全性研究。方法:将大鼠颅骨进行骨缺损造模后,按三组进行实验:A组（骨缺损处不充填）、B组（骨缺损处充填明胶海绵）、C组（骨缺损处充填浸泡10 μ g/ml纳米西瓜多孔碳悬浮液的明胶海绵）,按规范缝合切口及进行术后处理。比较大鼠造模后C组与A组、B组以下指标:第4周的体重变化、内脏指数以了解纳米西瓜多孔碳骨缺损部位应用后对大鼠整个机体的一般性影响;通过对脑、肝脏、肾脏、胸腺、脾脏的总谷胱甘肽（GSH）、一氧化氮（NO）、超氧化物歧化酶（SOD）、丙二醛（MDA）的测定,评估纳米西瓜多孔碳骨缺损部位应用后对全身氧化应激反应影响;通过血常规内主要指标的测定,评估纳米西瓜多孔碳骨缺损部位应用后对大鼠血细胞的影响;通过脑、肝脏、肾脏、胸腺、脾脏病理切片的观测,评估纳米西瓜多孔碳骨缺损部位应用后对大鼠多脏器器官的形态学影响。结果:C组与A组、B组比较:大鼠体重变化、内脏指数无显著差别（p＞0.05）;脑、肝脏、肾脏、胸腺、脾脏的总谷胱甘肽（GSH）、一氧化氮（NO）、超氧化物歧化酶（SOD）、丙二醛（MDA）的蛋白水平无显著差别（p＞0.05）;脑、肝脏、肾脏、胸腺、脾脏切片HE染色未见病理变化。结论:纳米西瓜多孔碳在骨缺损部位进行局部应用时,不会对大鼠的整体营养状态,脑、肝脏、肾脏、胸腺、脾脏、血液的氧化应激水平,血细胞,脑、肝脏、肾脏、胸腺、脾脏的形态学产生影响,具备较好的生物安全性。背景:骨缺损是临床治疗的难题,临床中目前主要应用同种异体骨、自体骨、陶瓷、羟基磷灰石等材料进行骨缺损的修复,但骨缺损的治疗仍是非常困难,因此需要发现一些新的促进成骨的材料来辅助骨缺损的治疗。近年来随着纳米材料学的不断发展,尤其是纳米碳材料的不断发展,零维（富勒烯、碳点）、一维（纳米碳管）、二维（石墨烯）等纳米碳材料被引进生物医学领域进行研究,因纳米碳材料具备良好的机械性能、较大的表面积等被用于骨缺损领域的研究,发现这些纳米碳材料具备一定的促进成骨的能力。此次实验新制备了一种西瓜来源的纳米西瓜多孔碳,通过扫描电镜及透射电镜证实具有三维多孔样结构,在国内外尚无该材料与干细胞相互作用及促进成骨分化的研究,因此本次实验是国内外首次对纳米西瓜多孔碳对骨髓间充质干细胞的粘附、增殖、凋亡、成骨分化等方面的研究,也是首次对纳米西瓜多孔碳促骨髓间充质干细胞成骨分化的机制进行研究。方法:通过细胞活力检测,来评估纳米西瓜多孔碳对骨髓间充质干细胞增殖的影响;通过观察细胞形态观测,评估纳米西瓜多孔碳对细胞粘附能力和外观的影响;通过碱性磷酸酶染色及定量,评估纳米西瓜多孔碳对骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化时早期成骨能力的影响;通过蛋白质免疫印迹、实时荧光定量聚合酶链式反应检测纳米西瓜多孔碳对骨髓间充质干细胞的成骨信号蛋白及基因表达水平的影响;通过茜素红染色、茜素红定量实验,评估纳米西瓜多孔碳对骨髓间充质干细胞向成骨细胞转化后细胞基质矿化能力的影响。结果:在低浓度时（2.5μg/ml、5μg/ml、10μg/ml）,纳米西瓜多孔碳悬浮液对骨髓间充质干细胞的增殖无影响（p＞0.05）;在高浓度时（20μg/ml、50μg/ml）,纳米西瓜多孔碳悬浮液抑制骨髓间充质干细胞的增殖（p＜0.05）。10μg/ml的纳米西瓜多孔碳诱导成骨培养液悬浮液能显著提高骨髓间充质干细胞碱性磷酸酶的活性（p＜0.05）,2.5μg/ml、5μg/ml、20μg/ml的纳米西瓜多孔碳诱导成骨培养液悬浮液也可以提高骨髓间充质干细胞碱性磷酸酶的活性（p＞0.05）,50μg/ml的纳米西瓜多孔碳诱导成骨培养液悬浮液抑制骨髓间充质干细胞碱性磷酸酶的活性（p＞0.05）。多浓度的纳米西瓜多孔碳悬浮液（2.5μg/ml、5μg/ml、10μg/ml、20μg/ml）均能显著提高BMSCs向成骨细胞转化后的成骨钙化能力（p＜0.05）,其中10μg/ml的纳米西瓜多孔碳悬浮液提高骨髓间充质干细胞的成骨钙化能力最佳（p＜0.05）,高浓度的纳米西瓜多孔碳悬浮液（50μg/ml）抑制骨髓间充质干细胞的成骨钙化能力（p＞0.05）。10μg/ml的纳米西瓜多孔碳成骨诱导培养液悬浮液能显著提高骨髓间充质干细胞的 Runx-2 表达（p＜0.05）,其余浓度（2.5μg/ml、5μg/ml、20μg/ml、50μg/ml）也能在一定程度上提高骨髓间充质干细胞的Runx-2表达（p＞0.05）。浓度为2.5μg/ml、5μg/ml、10μg/ml、20μg/ml时的纳米西瓜多孔碳悬浮液显著提高骨髓间充质干细胞β-catenin、BMP-2的表达（p＜0.05）,其中10μg/ml是上调骨髓间充质干细胞β-catenin、BMP-2表达的最佳浓度。10μg/ml和20μg/ml纳米西瓜多孔碳悬浮液显著提高骨髓间充质干细胞OCN的表达（p＜0.05）,其中10μg/ml是上调骨髓间充质干细胞OCN表达的最佳浓度。结论:在低浓度时（≤10μg/ml）,纳米西瓜多孔碳悬浮液对骨髓间充质干细胞的增殖无明显影响,对细胞早、晚期凋亡率及形态也无明显改变,具有较好的生物相容性。在较高浓度时（≥20μg/ml）,纳米西瓜多孔碳悬浮液对骨髓间充质干细胞的增殖有抑制作用。纳米西瓜多孔碳悬浮液在浓度为10μg/ml时可以显著上调骨髓间充质干细胞的β-catenin、Runx2、BMP-2、OCN等成骨相关基因和显著提高β-catenin、Runx2、OCN等成骨相关的蛋白表达,具有良好的促骨髓间充质干细胞早、晚期成骨分化作用。10μg/ml是促进骨髓间充质干细胞成骨分化的最佳浓度。纳米西瓜多孔碳促进骨髓间充质干细胞成骨分化的机制可能是通过Wnt/β-catenin信号通路促进下游靶蛋白Runx2的表达及成骨相关蛋白OCN的表达,最终促进骨基质的矿化。综上,纳米西瓜多孔碳有望成为骨组织工程修复材料的潜力材料。背景:骨缺损是临床治疗的一大难题,也是国内外研究的热点和难点。而作为骨缺损修复材料之一的纳米碳材料因具备特殊的机械性能、强大的表面积更被视为是有希望应用于临床骨缺损治疗的一种材料。纳米西瓜多孔碳是三维纳米碳材料,目前在国内外尚无该材料用于动物体内骨缺损部位后骨缺损修复情况的研究,鉴于该材料在细胞水平表现出良好的促成骨作用,现进一步评估纳米西瓜多孔碳在动物体内骨缺损部位的成骨性能。方法:将大鼠颅骨进行骨缺损造模后,按三组进行实验:A组（骨缺损处不充填）、B组（骨缺损处充填明胶海绵）、C组（骨缺损处充填浸泡10μg/ml纳米西瓜多孔碳悬浮液的明胶海绵）,按规范缝合切口及进行术后处理。比较大鼠造模后C组与A组、B组以下指标:颅骨缺损区域第1周进行Micro-CT检测,第4周再次进行Micro-CT检测,比较新生骨面积、体积及其在骨缺损体积、面积中的占比;颅骨缺损处在4%多聚甲醛内固定后脱钙,石蜡固定后进行HE染色、Goldner染色,评估缺损部位的形态学变化。结果:纳米西瓜多孔碳组新生骨体积百分比显著多于与空白组、阴性对照组（p＜0.05）。纳米西瓜多孔碳组HE染色中新生骨面积、Goldner染色中矿化骨面积多于空白组、阴性对照组。结论:纳米西瓜多孔碳可以促进大鼠颅骨缺损的修复,具有良好的生物相容性。选择浓度为10μg/ml的纳米西瓜多孔碳悬浮液用于颅骨缺损研究,能保证间充质干细胞及成骨细胞的正常增殖,又具有最佳的促成骨效果,又不会引起大鼠的毒性反应,通过纳米西瓜多孔碳对骨缺损的修复,证明该材料具有成为组织工程修复材料的潜力。