石墨烯的生物医用研究进展_黄训

!第%期
!!!!!! 高 !! 分 !! 子 !! 通 !! 报
/$ +/
图 #!4 R, 传 感 机 制原 理 图 M / 5 3 2#!: 0 K 2 < 1 . / 03 2 3 2 ; 2 . 1 . / ? -? L . K 24 R, & ; 2 ; / 2 0 K 1 / ; < 6 P 6<
" # 肿瘤 细 胞 ! 该检测系统具有非常高的特异性和灵敏 D ] D ; # < W 血中能检测到# " 个 循 环 肿 瘤 细 胞#
, ) ! * 通 过 循环 肿瘤 细胞 检 测可 以 预 测肿瘤 反 应 和病人 的 存活 率 # 度+ 被 用作 临床 决 策 的 潜 在 的生物 标 记 *
’ # " ‘ # ) " ! * ‘ 0 @ / ‘ # " " ’ & ’ ( ! $ ‘ ! " # $ ‘ " % ‘ " " ( [ 收稿 % 修回 % ! " # % & " % & ’ ") ! " # % & " + & " () " ) 基金项目 % 国 家 自然 科 学 基金 项 目 ! * # # ( # ) % +# ’ # ! ( " " ! #
#$
石墨烯 的 生 物 医 用 研究进展
黄!训# 何 杰祥 # 周长忍 "
引言
英 国 曼 彻 斯 特大 学 物 理 学 家 安德 烈/海 姆 和康 斯坦 丁/诺 沃 肖 洛夫 # 首 次 通 过 微 机械 力 从 高 ! " " ) 年# + , 取 向 热 解 石墨上 剥 离 出 单 片 的 石墨烯 碳层 # # 由此 开 始 引 起 了 一 股石墨烯 的研究 热 潮 * 石墨烯 作 为 一 种 新 型 的 二 维 碳 纳米材料 # 因 其 具 有特 殊 结 构 以 及物 理 和 化 学 性 能 # 成为 近 年 来 国 际 科 学 研究的 热 点 # 石墨 烯 的 发 现者 安德 烈/海 姆 和康 斯坦 丁/诺 沃 肖 洛夫 也因此 获 得 了! " # " 年 诺贝 尔 物 理 学 奖 *
和 缓 释 作用 # 而 且 丰富 的 含 氧 ! 如羧 基 ( 羟 基" 基团可 以 结 合 一定 的 缓 释 或 与 基 因 作用的基团 或 分子 # 在具
’ # " ‘ # ) " ! * ‘ 0 @ / ‘ # " " ’ & ’ ( ! $ ‘ ! " # $ ‘ " % ‘ " " ( [
+( , " *Y 量 转移 给 石墨烯 量 子 点 ! 的 免疫检 测方法 # 成功地检测了卵巢癌的生物标记分子 D EY 4 ; , & # ! %’ 5 +* , * 细胞 周 期 课 题 组 首 次 报 道 了 基于 石墨烯 的 肽 传 感 器 用于 检 测 细胞 周 期 蛋白 , 检测极限为" !# ‘ % X’ , ’ + *G 蛋白 , 肝癌 ( 肺 癌( 软 组 织 肉 瘤( 白 血 病 和 淋 巴 瘤 等 多 种 癌 细 胞 中 均 显 示 过 表 达+ !在乳腺癌( 1 6
由 于 石墨烯 具 有 高 导 热 性 ( 高 弹 性 和 机 械 强 度( 超 强 的 黏 附 性( 大的比表面积以及独特的载流子特
, , ’$$ ’# ( # *除此 性+ 使其在电子器件( 复 合 材料 ( 储 能材料 等 领域 得到广 泛 的研究 # 并 取 得一定 的 科 学 进展 +
之外 # 石墨烯 及其 衍 生物 氧 化 石墨烯 和 其 它 功能化的 石墨烯 还 具 有 比 较好 的生物 相 容 性 # 在 医用 领域 ! 包
"
######$
综!述
! $ 暨南大学材料科学与工程系 " 人工器官及材料教育部工程研究中心 " 广州 % # " $ ’ !
石墨烯 及其 衍 生物 在 生物医 学 领 域 的 应 用 愈 来 愈 受 到 人 们 的 关 注 # 其研究领域已经涉及到生物传 !! 摘要 % 感( 疾 病 诊断 ( 药物 和 基 因 载体 ( 抗菌和抗病毒( 生物 成 像 以 及 肿 瘤 的 光 热 和 光 动 力 治 疗 ( 组 织 工 程 等*研 究 的 热 点也 多 集中在石墨烯 的生物 安 全性 和 生物降解 性 及其 衍 生物的 合成 与 制备 # 但至今仍有一些问题尚未解决* 本 文 主要 是 介绍 近 几 年 有 关 石墨烯 生物 相 容 性 及其 在 生物医 学 领域 的研究进展 # 并对其发展前景进行了展望* 石墨烯 )生物医 学 )生物 相 容 性 !! 关键词 %
等 研究 发 现 # 氧 化 石墨烯 和 肽 的 结 合 可 以 用作 细胞 内 蛋白 酶 传 感 器 # 检 测 细胞 内 D 见图 1 ; 1 ; 2 & ’的活化! P
+" , " # / * 凋 亡 是 细胞 的 程 序 性 死 亡 与 众 多 疾 病 密 切 相 关 # 检测极限为( 包 括 肿 瘤( 自身免疫 ! ‘ ! % < Wa# ) 6 疾病( 心 力 衰 竭 和 神 经 系统 退 变 性 疾 病 等 # 而D 1 ; 1 ; 2 & ’在细胞发生凋亡的开始和进程中均发挥着核心 P , ) # * 此外 # 作用 + 无标记检测前列癌循环 E 5 等 利 用 羧 基化 氧 化 石 墨 烯 修 饰 的 光 寻 址 电 位 传 感 器 ! W , O :"
, , , *# + ’, # "# # # # !$# % ( ( ( ( 括 生物传 感 + 疾 病 诊 断+ 药 物 载 体 和 基 因 传 递+ 抗 菌 和 抗 病 毒 材 料+ 细胞和肿瘤成 , , , # $# # ( # *$! " ! ## ! ! ( " 像+ 肿瘤的 光 热 治疗 + 以 及 组 织 工 程+ 具 有 潜 在 的 应 用 前 景*本 文 将 介 绍 纳 米 石 墨 烯 的 生
众 多 的基于纳米 石墨烯 的生物传 感 器 的研 究 指 出 了 这 种 新 型 传 感 器 的 一 些 优 势 * 虽 然 灵 敏 度 达 到 实际 要 求 # 但 是 其 重 现 性 和 可 靠 性 可能 还需要 进 一 步 的研究 去 验 证 *
! ! 石墨烯 在 疾病诊断中 的应用
, ’ ) # 石墨烯在 疾 病 诊断 中 的应用研究 十 分 广 泛 + 几种人类肿瘤在完整的三羧酸酶的存在下能够解偶 +% , +( , # * 联线 粒 体 ,] 首 次 利 用 氧 化 石墨烯 荧 光共振 能 力 转移 的功能 实 现 实 时 监 测 ,] O 的产生 ’ O 的产生 !
/ $ */ !!!!!!! 高 !! 分 !! 子 !! 通 !! 报 网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2051.O6.20160414.1652.007.html
网络出版时间：2016-04-14 16:52:52
! " # $年%月!
##$
上 述 工 作 有 望 发 展 成为 一 种 高 灵敏 度 ( 高 特异性 的 疾 病 诊断 新 技术 *
’ ! 纳米 石墨烯 在药物 和 基 因 载体 中 的应用
! 氧 化 石墨烯 独 特 的 ; P 杂化连接形成 的 二 维 周 期 蜂 窝 状 点 阵 结 构 不 仅 对 药 物 或 基 因 有 一 定 的 吸 附
# 胎 蛋白 ! 这种 免疫 荧 光检 测方 M 1 - 等 联 合 纳米 石墨烯 片 和 硒 化 镉 量 子 点 探测 肝癌 的生物 标 记 物 & & , M O" + , ’ $ 法 是 基于纳米 石墨烯 片 作 为 荧 光 受 体 # 而 硒 化 镉 量 子 点 作 为 能 量 的 供 体 * G5 等 基于化 学发 光共振 能
有 良 好 生物 相 容 性 和 稳 定 性 的 同 时 # 负 载 药 物 和 基 因# 是 一 种 理 想 的 纳 米 载 体# 可以有效地递送药物和 基因* 修 饰 之 后 可 以将不 溶 解的 芳香 类 ! " " *年# 4 1 /课 题 组 首 次 报 道 了 纳米 氧 化 石墨烯 经 聚 乙 二 醇 ! O J E" + , # " # 抗 癌 药物 递 送 到 细胞 内 * 首 次 获 得 了 # 将端氨基 O " <$% " < 的 氧 化 石墨烯 纳米 片 ! REF" J E 接树 ! * 因 石墨烯 超 枝 到 REF 上 # 通过 ! 见 图 ’" & R ’ * ! 堆 垛 有 效 地 负 载 不 溶 芳香 类 抗 癌 药物 喜 树 碱 衍 生物 : 大的表 面 积# 使 得 REF 药效很 & O J E 复 合 物 具 有 超 高 的 载 药 效 率 *: R ’ * 等 喜 树 碱 类 类 药 物 溶 解 性 差# 低# 而水溶性的 O 开 拓 了 药 物 的 实 际 应 用* J E 化 石墨烯 纳米 复 合 物载体可 明 显 改 善 这 种 药 物 的 溶 解 性 # 研究 结 果 发 现 # 对此肿瘤细胞的杀伤 REF & O J E & : R ’ * 对 结 肠 肿瘤 细 胞 ID ] & # # $ 具 有 很 高 的 细 胞 毒 性# ! # 效果是 D 依立 替 康 " 的# 将 = 细胞单克隆抗体! O ] & # # " " " 倍 * 基 于 REF 的 靶 向 给 药 体 系 # \ / . 5 H 1 " 与 REF 并将 D 在溶液中! 孵 Ie*" D 4 ! "r1 . / B ? > & O J E 化学交联# 4 ! " & REF & O J E 与阿霉素! 4 F T" P 9 + , ) ’ 育过夜# 阿霉 素 通 过 ! 堆 垛 负 载 到 REF 上 # 结 果表 明 D 4 ! " & REF & O J E & 4 F T 复合物对表达 D 4 ! "的 = 淋 巴 瘤 细胞具 有 靶向 杀 伤性 * 这 项 工 作进 一 步 研究 了 4 F T 从 REF 上 的 缓 释 呈 P K 2 -和 I 依赖 性 *D 为 石墨烯 载药的 控 释 提 Q K 1 I 下 药物 释放 动力 学行 为 # 6 等也 研究 了 关 于纳米 石墨烯 载药体系 在 不 同 P
# / / ’ " # 中 灵敏 度 为 ! 葡萄 糖 的 检 测 极 限 为 " 工 作 电 压 为 r" $ ! ‘ % ! , <Xa# 0 <a! # ‘ $ + X! : Re’ ‘ ( c 时的 % % 线 性范 围 是 ! 具 有 潜 在 的 临床 应用 价 值 * ‘ ( + X$! ‘ " ’ <X# %
, ’ ’ *: 饰 的 电 极 通 过 电 化 学 的方法 检 测 细胞 凋 亡 + ? 6 等 利 用 氧 化 铜 纳米 颗粒 和 石墨烯复 合 纳米材料 修 饰
Leabharlann Baidu
的 玻 碳 电 极 来检 测 血液 中 葡萄 糖 的 浓 度 * 研究 发 现 # 复 合 纳 米 材 料 具 有 非 常 好 的 非 酶 生 物 传 感 行 为# 其
! 石墨烯 是 由 碳 原子 以 ; 它具有碳六元环组成的二 P 杂 化 连 接 形 成 的 单 原子 层 二 维 自 由 态 原子 晶 体 # +, #, # 维 周 期 蜂窝 状 点 阵 结 构 + 它 是 目 前 世界 上 最 薄 却 又 是 最 坚 硬 的 二 维 纳 米 材 料 # 其厚度仅为" ‘ ’ % <! *
纳米 石墨烯修 饰 的 电 极 可用于 检 测 各 种 生物 大 分子 # 包括 葡萄 糖 ( 蛋白 和 4 而且灵敏度非常 R, 等 # 高
+ , ! +$’ !
# 这 主要 是 由 于纳米 石墨烯 具 超 高的 比表 面 积 和 卓 越 的 电 子 迁 移 率 *D K 2 - 等 利 用 氧 化 石墨烯修
物相容性( 生物 安 全性 ( 可降解 性 以 及 在 以 上 医用 领域 的研究进展 *
# 作者简介 % 黄 训! 女# 博士# 主要 从 事 生物纳米材料研究 ) # + * ’a " # ’ &r* # & 通讯联系人 % 周长忍 ! 男# 教授 # 主要 从 事 生物材料研究 # # + % $ a" ] 2 7 _ M 1 H $ ! " * % ! ! ’ ! ( + J & < 1 / 7 . 0 3 N + 5 _ 2 > 5 _ 0 _ # [
#######$
# ! 石墨烯 在生物传 感中 的应用
, ! ’ # 自! 基 于 石 墨 烯 的 生 物 传 感 器 的 研 究 逐 年 增 多+ 研 究 结 果 也 越 来 越 接 近 于 实 用 化* " " * 年 以 来# + , ! ) 研究 发 现 # 通过 ! 并将其用来研究 ; ; 4 R, 上 的 核 苷 酸 碱 基能 够 很 强 地 绑 定 到 石 墨 烯 的 表 面 # & !堆垛 # +)# , ! % *! 新 型 的基于 石墨烯 的 4 R, 检 测平 台 ! " " *年# X ? K 1 . 9 等 首 次 成 功 地 设计了 石墨烯 电 子 器 件 来 探 +’ , *M 测细菌( 灵 敏( 选择性的探 4 R, 和 蛋白 ! 1 - 等 报 道 了 基于 氧 化 石 墨 烯 的 多 色 4 R, 探 针 可 以 快 速 ( +% , * 石墨烯 还 可 以将 寡 核 苷 酸 ! 测溶液中的靶 4 如分子信标和 核 酸 适 配 体" 递送到活细胞中用来检 R, ! , ! $# ! ( *W # 测生物分子 + 见 图 #" 这种方法 2 2等 发 现 功能化的 纳 米 石 墨 烯 和 亚 甲 蓝 联 合 可 用 于 4 R, 测 序 ! +* , * 简 单 灵敏 # 能够检测到靶 4 R, 和 探 针 之 间 单 个 不 匹配 的 碱 基 对 !
/( "/
!!!!!!! 高 !! 分 !! 子 !! 通 !! 报
! " # $年%月!
图 !! 氧 化 石墨烯与 多 肽 连 接 检 测 凋 亡 蛋白 D 1 ; 1 ; 2 & ’的活化 P M / 5 3 2!!D 1 ; 1 ; 2 & ’> 2 . 2 0 . / ? -5 ; / F & 2 . / > 20 ? 5 1 . 2 6 P 6E P P [ 6