碳纳米管的生物医学应用(原创)

碳纳米管的生物医学应用摘要：碳纳米管的发现以及其优异的物理化学性能，使得它在生物和医学领域的具有很大的应用潜力。

碳纳米管（CNTs）是碳纳米结构的同素异形体，长度与直径之比大于1,000,000甚至更大。

这些圆柱形的碳分子使它们在许多应用纳米技术可能有新的性能，其独特的表面面积，刚度，强度和弹性，导致在制药领域是研究热门。

碳纳米管属于富勒烯家族的卷成管状的形式的石墨薄片组成。

可为单个或多壁碳纳米管。

分子和离子迁移通过碳纳米管，为分子电子传感器和核酸测序制造提供可能。

这篇文章提供了有关药物载体系统，生物传感器等应用，其毒性以及生物相容性的概述。

关键字：碳纳米管，生物医学，应用1 前沿以碳纳米管为载体的药物为治疗癌症提供了很大的希望[1]。

碳纳米管的功能化可产生新的化学和生物应用[2]。

这种药物有许多优点，主要提高了安全性和有针对性的提供药品，提高生物利用度，延长药物或基因药物对组织的作用、提高化学药物治疗稳定性、酶降解药物的效率等[3]。

与其他材料，如聚合物，碳纳米管的兼容性，也可望提高。

此外，一旦功能化，碳纳米管可作为溶剂，他们的性质值得进行研究。

许多功能化碳纳米管在材料科学和技术，包括光电领域有有效的应用。

碳纳米管在药物化学还发挥了重要作用。

他们已被使用在药物支架和疫苗基板。

CNT的官能基与生物活性特别适合用于靶向给药。

然而，碳纳米管有机改性还不是一个完善的领域。

碳纳米管的内在化学反应活性低，反应相结合的比较困难。

2 碳纳米管的生物医学应用2.1 药物载体系统及生物传感器碳纳米管的一个重要特性是可以跨越细胞膜和生物体内的多种屏障，进入到细胞和生物体内多种器官内。

研究结果显示，碳纳米管可以穿过多种细胞的细胞膜，包括小鼠成纤维细胞、人宫颈癌细胞、人乳腺癌细胞、和人T-细胞淋巴瘤细胞、Jurkat细胞等。

碳纳米管可以作为生物分子的载体，这一现象引起了众多研究者广泛的研究兴趣，从而将碳纳米管用于DNA、蛋白质和药物的输运，如图1所示，DNA可以通过共价和非共价作用连接到碳纳米管的表面。

图1 DNA通过共价和非共价作用连接到碳纳米管的表面2.1.1 碳纳米管作为核酸类物质转运载体近年来许多实验室致力于利用碳纳米管作为载体进行基因和RNAi 治疗，在抗肿瘤治疗方面的研究尤其突出。

图2为碳纳米管与核酸分子的相互作用示意图。

图2 碳纳米管与核酸分子的相互作用示意图(A)核酸分子通过π-叠加和疏水作用缠绕于原位合成碳纳米管上；(B)核酸分子通过静电相互作用吸附于带有正电荷的碳纳米管表面；(C)核酸分子嵌入碳纳米管内腔；(D)核酸分子通过共价键与碳纳米管连接碳纳米管作为基因载体：Kostarelos等率先报道了碳纳米管可以将β-gal基因转入动物细胞[4]。

随后，他们发现以不同正电基团修饰的碳纳米管作为基因载体时，报告基因的表达水平取决于DNA与碳纳米管的复合强度，而复合强度与DNA 和碳纳米管的正、负电荷比相关[5]。

Narain等人[6]发现以表面带有阳离子多糖的SWNTs 作为载体，基因的转染效率可与商业化lipofectamin相当。

为检测碳纳米管-核酸复合物的细胞毒性，Prakash等人[7]以sw480 细胞作为模型，发现碳纳米管-核酸复合物的转染效率虽然较脂质体低，但其细胞毒性却比脂质体小很多。

碳纳米管作为RNAi载体：碳纳米管作为RNAi 载体已经成功将siRNA 序列或反义寡核苷酸序列（asODN）转运进入多种细胞，并在细胞水平和动物水平上实现对特定基因表达的沉默。

Zhang 等人[8]将myc asODN通过酰胺键连接到碳纳米管，这种复合物有效地沉默了HL-60细胞内的myc蛋白表达，导致细胞发生凋亡。

Dai等[9]将siRNA通过二硫键与PEG化的磷脂分子连接，磷脂分子的尾部通过非特异性吸附结合于碳纳米管表面。

McCarroll [10]用SWNTs-ApoB siRNA 复合物有效地下调了小鼠肝脏ApoB 表达和血浆中的胆固醇水平，且静脉注射siRNA 用量少于1 mg/kg，这个剂量是临床应用中的一个可行剂量。

碳纳米管作为其它类型核酸的转运载体：碳纳米管能够运载核酸的性质还有一些特殊的应用研究。

例如，由于带负电荷，具有佐剂性质的CpG序列很难进入细胞。

Bianco等[11]用正电修饰的碳纳米管与CpG序列复合，有效地将CpG 带入目的细胞而增强了其免疫激活功能。

另一个特殊应用是通过互补寡核苷酸片段的相互结合作用，使碳纳米管在肿瘤组织中发生自组装。

Gmeiner等人[12]在对荷瘤小鼠进行热疗时，发现DNA修饰的碳纳米管的热疗效果比未修饰的碳纳米管更好，这是由于DNA 的修饰增加了碳纳米管的水分散性，使其获得了更高的热效应。

碳纳米管作为核酸转运载体的靶向性：除了载体之外，基因传递的靶向性也是基因治疗与RNAi干扰中急需解决的重要问题。

迄今，在体外条件下尚少见在碳纳米管-核酸复合物上连接靶向分子进行转染的文献报道，在动物水平的转染实验中，绝大多数研究采用了瘤内注射的方式。

2.1.2碳纳米管在生物传感器中的应用生物传感器的工作原理是将待测物质经扩散作用进入生物活性材料,经分子识别发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出,便可知道待测物浓度。

杨钰等[13]以MWNTs为导电介质和酶的固定物质, 利用层层累积技术固定葡萄糖氧化酶(GOx)的多层累积(MWNTs/GOx)n复合薄膜修饰石墨电极制备出了新型基于MWNTs的葡萄糖生物传感器。

Yeo Heung Yun等[14]利用CNTs列阵电极制成Labe l- free免疫传感器。

将Anti- mouseIg G共价固定到电极上，利用循环伏安和交流阻抗电化学的方法表征了抗原与抗体的结合。

由于非标记型免疫传感器检测时无需加入其它试剂，非常适合在线检测。

2.2 促进骨组织修复生长CNTs用于生物支架材料主要有三个显而易见的优势：（1）比强度高。

CNTs 具有极高的强度、韧性和弹性模量，同时密度很小，它是人类目前可制备出的具有最高比强度的材料。

（2）特殊的一维纳米结构。

CNTs特殊的纳米纤维结构，较适合于构建细胞生长的环境。

（3）化学性质稳定，同时易于进行表面修饰。

要考虑如何利用CNTs构建理想生物支架，首先需要了解细胞生长的细胞外环境。

以骨细胞为例，如图3所示[15]，组成一根大腿骨的最基本单元是骨细胞（Osteocytes）和软骨细胞(Chondrocyte)，骨细胞生长的环境是由羟基磷灰石（Hydroxyapatite）结晶和I型胶原（Collegen I）纤维组成的，而软骨细胞则是生长在II型胶原（Collegen II）纤维组成的环境中，这说明从微观上观察一个组织中最基本的单元——细胞都是生长在充满了纳米纤维所构成的环境中，通常将这个环境称为细胞外基质（Extracellular matrix），细胞所处的具有三维结构的ECM在影响细胞的行为（Cellular behavior）时起到关键作用。

图3 软骨和骨所处的具有不同尺度范围的分级结构。

（A）覆盖在骨关节处的软骨构成了一个耐磨、负重的表层。

软骨内部（B）分为几个不同的区域，这些区域主题由不同结构的胶原组织（C）构成。

软骨细胞被胞外基质包裹（D），胞外基质为聚集蛋白聚糖和透明质酸以及胶原构成的网状结构（E）。

骨头矿化后呈现圆柱形的骨单元（F）。

骨细胞被细胞外基质纳米网络结构所包围，细胞外基质主要成分为整齐排列的I型胶原纤维，可以为羟基磷灰石的结晶提供模板（H）。

从微米至纳米的分级结构在人体内处处可见。

2.3 促进神经再生，减少神经组织瘢痕产生美国的研究人员开发出了一种自组装液体, 注射到体内即可凝固，形成一种类似于“脚手架” 的结构，能向细胞发出有序的生物学信号，引导组织重建。

Webs ter 等报道碳纳米纤维不仅可刺激神经元的轴突再生, 也可以减少瘢痕组织的产生[16]。

研究者将碳纳米纤维与聚氟乙烯的混合物压缩成平板, 用来培养与瘢痕产生有关的星细胞, 发现随着碳纳米管含量的增加, 聚氟乙烯含量的减少, 星细胞的黏附也呈减少趋势。

Hu 等[17]的研究则提示若要碳纳米管发挥更好的促神经再生作用, 对其进行一定的化学修饰是必要的。

3 碳纳米管材料的生物相容性与安全性问题新的有效的药物输送系统的研究正在迅速扩大。

目前许多种运载系统和方法已经上市，是根据不同类别的生物活性分子和靶组织的特点进行的（如肽，蛋白质，核酸和小分子有机物）（图4）。

脂质体的乳液，阳离子聚合物，微型和纳米粒子的研究是最常见的。

药物输送系统旨在改善一般药物的分子药理和治疗过程。

与自由的药物相比一些问题如：有限的相容性，少的生物贡献，选缺乏择性，不利的药代动力学，对健康组织损伤，缺乏控制等可以通过药物释放系统的使用克服或由改善。

碳纳米管已被证明对细胞的生长似乎没有毒性作用。

在生物医学应用碳纳米管的探索是刚刚起步，但已经具有很大的潜力。

由于人体大量的碳组成部分，一般认为碳管是一个非常具有生物相容性的材料。

图4 药物作用CNT表面示意图对于碳纳米管的性质和特点，科学家仍在进行大量研究，才刚刚开始挖掘这些结构的潜力。

单壁碳纳米管和多壁碳纳米管已经证明可以作为更安全和更有效的替代以前的给药方法。

他们可以通过细胞膜，携带治疗药物，疫苗和核酸深入到以前无法到达的目标细胞。

它们也可以作为理想的非毒性的载体，在某些情况下，增加附加的药物可提高疗效和更大安全性和相容性。

总体而言，关于最近的研究表明碳纳米管对未来的医学有非常大前途。

多壁碳纳米管始终导电，并有具有的电导率约1.85× 103 S / cm的[18]。

碳纳米管与聚合物复合的目的是在高耦合较高的机械性能，热性能等独特的性能[19]但会降低碳纳米管的导电性。

然而，高的分子量和强的分子力使碳纳米管管间捆在一起，使他们的操作，表征和分析都非常困难。

有机功能化在生产可溶性和易于加工的碳纳米管方面具有巨大优势。

因此，碳纳米管可与与其他材料如聚合物复合应大力改善兼容性。

碳纳米管可以通过附加功能化，如脂类，蛋白质等，就可以在水中分散碳纳米管和生物分子，从而可以使他们在操作和处理路径简便。

纳米粒子由于高比表面积和表面固有的毒性可产生有害影响。

碳纳米管在毒理学方面，由于其纳米尺寸的颗粒，经与生物系统接触，可能诱导意外的毒性作用。

由于碳纳米管的纳米级的尺寸，使毫克数量便拥有了一大批具有非常高的总比表面积纤维样圆柱型颗粒。

碳纳米管内在的毒性取决于表面官能化程度和官能种类不同的毒性。

未纯化或非功能化的纳米碳管，容易含有诸如无定形碳和金属纳米颗粒杂质（催化剂：钴，铁，镍，钼），这也可以是严重毒性作用的来源[ 20]。