石墨烯基材料（特别是氧化石墨烯）的二维薄膜已越来越多地用作干细胞支架来介导干细胞的生长和分化。石墨烯纳米片和氧化石墨烯纳米片具有很高的面内刚度，[11]由于同时具有高强度和柔韧性，石墨烯薄膜可以很容易地转移并涂覆到不同的基材上，所得到的产品可以简单成型为任何所需形状。[12]研究表明，石墨烯作为细胞培养支架，表现出了高度的生物相容性，能够维持细胞的活力、正常黏附和迁移特性，同时能够改善成纤维细胞和哺乳动物直肠腺肿瘤细胞的生长和增殖。[13，14]这些基础研究预示了石墨烯基支架以其高机械稳定性和生物相容性，在干细胞命运调控和组织工程应用中具有巨大潜力。
目前，石墨烯已经被认为是人骨髓间充质干细胞（human Mesenchymal Stem Cell，hMSC）增殖和分化中最有前景的生物支架之一。hMSC通过诱导可以分化为成骨细胞、脂肪细胞和软骨细胞等。研究表明，石墨烯不仅支持hMSC的生长和增殖，同时也加速了其向成骨细胞的特异性分化[图6-3（a）]。更重要的是，即使在没有特定的生长因子诱导分化的情况下，石墨烯基底上生长的hMSC也能加速成骨，并且加速成骨的效率与使用生长因子诱导的结果接近[11]。石墨烯基底促进hMSC向成骨细胞特异性分化的分子机制，被认为是因为胰岛素与石墨烯的强π键结合而发生变性，抑制了胰岛素对hMSC向脂肪细胞的诱导作用。而对氧化石墨烯来说，因为其sp2以及强π键被含氧官能团破坏，不仅不会使胰岛素失活，而且由于氧化石墨烯与胰岛素的高亲和力，hMSC会向脂肪细胞的分化增强。另外，有研究证实，石墨烯也可以使hMSC向心肌细胞的分化得到增强，而这种增强是通过石墨烯介导的胞外基质蛋白表达水平和细胞信号分子的上调实现的。[6，9，11，16，17]
石墨烯基材料的特殊表面特性和化学性质对干细胞分化的控制作用在神经干细胞的培养分化中进一步被证实。与培养在玻璃基底的神经干细胞相比，培养在石墨烯薄膜上的神经干细胞不仅分化更快，而且分化的神经细胞在形态特征上有更伸长的神经突起，更容易形成明显的神经网络[图6-3（b）]。[16]石墨烯薄膜上培养的神经干细胞在成熟的过程中表现出了增强的动作电位发放和整体突触活性。
石墨烯薄膜和氧化石墨烯薄膜也被证实能够促进诱导多能干细胞（induced Pluripotent Stem Cell，iPSC）的生长和分化[图6-3（c）][17]。由于表面含氧官能团的存在，亲水的氧化石墨烯能够引起诱导多能干细胞的更强黏附和更快增殖。石墨烯和氧化石墨烯均促进诱导多能干细胞向中胚层和外胚层细胞分化。不同的是，石墨烯抑制其向内胚层细胞分化，而氧化石墨烯因表面富羟基化促进其向内胚层细胞的分化。
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图6-3 石墨烯薄膜基底上干细胞的生长、增殖和分化
（a）hMSC在PDMS基底、石墨烯薄膜基底、GO薄膜基底上培养不同时间的肌动蛋白荧光图像；（b）层粘连蛋白（laminin）包被的石墨烯薄膜和玻璃表面生长的神经干细胞分化后的SEM图（GFAP标记星形胶质细胞、TUJ1标记神经元、DAPI标记细胞核）；（c）在玻璃基底、石墨烯薄膜基底、GO薄膜基底上培养iPSC的结果[11，16，17]
除了石墨烯薄膜和氧化石墨烯薄膜作为独立的细胞载体，一些石墨烯复合材料由于石墨烯基纳米材料的联合作用，也对干细胞命运起到一定的调控作用。如还原氧化石墨烯-壳聚糖纳米复合材料能够促进间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cell，MSC）向成骨细胞和神经细胞分化；石墨烯-聚己内酯复合纳米材料则对神经干细胞的特异性分化起到重要的调控作用。[18-20]
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