二维细胞培养并不能满足组织工程中对三维组织再生和修复的需求，也同样无法提供完美的细胞生长的空间环境。所以，想要将石墨烯材料更好地应用于组织工程，三维石墨烯细胞支架的探索与开发必不可少。
基于泡沫镍模板，可以合成多孔的三维石墨烯结构。研究发现这样的三维石墨烯结构可以促进神经干细胞向神经细胞和星形胶质细胞分化[图6-5（a）]。三维石墨烯结构具有复杂的微观表面结构和丰富的孔隙结构，能够很好地进行营养物质和细胞信号分子的交换，同时这种导电三维石墨烯泡沫也是对神经干细胞进行电刺激的优质平台。这些理化性质，都是潜在促进神经干细胞特异性分化的因素。除了促进神经干细胞的特异性分化之外，这种三维石墨烯泡沫也被证实能够促进间充质干细胞的成骨分化。三维石墨烯泡沫能够引导干细胞分化，其具有的三维连续多孔结构能够提供与在体相似的细胞生长微环境，同时具备优异的导电性能，使其在组织工程尤其是神经修复组织工程中，有非常大的应用潜力[10]。
另外一种构建石墨烯基三维细胞支架的策略也被提出来，并被用以促进MSC向软骨细胞分化，这种方法是用不同浓度的石墨烯、GO和多孔GO（pGO）形成混合石墨烯基纳米薄片，含有该薄片悬浮液的溶液首先在血清和软骨诱导物中进行孵育，然后引入MSC，附着于石墨烯基纳米薄片上的细胞能够通过薄片的自组装形成团粒状的细胞生物复合材料[图6-5（b）]。结果表明，GO的减少和pGO的增加都会促进MSC向软骨细胞分化，而GO的增加则会抑制MSC向软骨细胞分化，这归因于pGO介导的扩散交换比较充分。该工作为利用组织工程促进软骨再生提供了一种可行性方案。[24]
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图6-5 三维石墨烯基结构上干细胞的生长、增殖和分化
（a）三维石墨烯泡沫促进神经干细胞向神经细胞和星形胶质细胞分化；（b）三维石墨烯-细胞复合物促进MSC向软骨细胞分化[10，24]
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