在有效的功能性组织工程和再生医学中，干细胞需要被转化为形态特征和生理功能与体内类似的细胞和组织，这样的转化很大程度上依赖于细胞-细胞外基质的相互作用，而这种相互作用又是极其多样和复杂的。在组织工程中，需要从人为可控的角度去模拟体内细胞外微环境。基于材料科学和工程方法，可以将复杂的体内生理系统简化为简单模型，从纳米尺度到宏观尺度模拟体内细胞外基质的物理化学性质，从而尽可能实现对干细胞命运的精准控制。
聚合物材料（如水凝胶）通常被用于模拟干细胞的生理微环境。无论是由胶原蛋白、丝蛋白或壳聚糖组成的天然材料水凝胶，还是由聚乳酸等组成的合成材料水凝胶，都在促进干细胞分化和干细胞有序排列等方面表现出了显著作用。也有许多研究报道了其他聚合物材料在模拟干细胞微环境、控制干细胞命运方面的应用。但是，聚合物材料并不能在纳米尺度和微观作用力方面模拟天然细胞微环境。[5]
近年来，纳米材料的发展为模拟干细胞生理微环境提供了新的契机。类似于引导细胞生长形成更高级生物组织的再生组织工程，纳米材料也可以从1～100nm的基础尺度堆叠成高级结构。事实上，人们已经合成了范围广泛的具有不同维度的纳米材料来模拟天然细胞环境，包括零维纳米颗粒[7]、一维纳米管和纤维[8]、二维纳米片[9]和三维纳米泡沫[10]，以实现干细胞命运控制的最终目标[图6-2（a）][6]。基于这些纳米材料，很多类型的纳米结构支架已被设计出来，用以影响细胞黏附，并诱导细胞形状和排列的变化。有趣的是，除了用于形成类似于在体细胞外基质的微观结构之外，纳米材料也可用于形成或辅助形成组织工程的宏观支架。越来越多的研究表明纳米级材料的确有助于干细胞治疗和组织工程，因此，理解干细胞和纳米材料相互作用的机制将为操纵这些相互作用并用于控制干细胞命运提供坚实的基础。
石墨烯基材料是近几年被广泛研究的用于干细胞命运调控的碳纳米材料。大量研究表明，石墨烯基材料具有独特的表面化学性质和优异的力学性质，能够促进间充质干细胞、神经干细胞和诱导多能干细胞的生长、增殖和分化成不同的功能性细胞谱系[图6-2（b）]。另外，由于石墨烯表面的可修饰性，可以通过操纵石墨烯基材料的表面性质来影响干细胞的特定行为。因此，人们对石墨烯基材料在控制干细胞命运和助力组织工程方面充满了期待。(www.xing528.com)
图6-2 特异性控制干细胞生长和分化的纳米材料
（a）不同类型的控制干细胞生长和分化的纳米材料；（b）石墨烯基材料作为干细胞培养支架[6]
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