碳纳米管在生物医药领域的应用及其安全性

碳纳米管在生物医药领域的应用及其安全性
张敬如;赵凯;黄复生;王昆
【摘要】Carbon nanotubes(CNTs), including single and multi - walled carbon nanotubes, are currently one of the most attractive nanomaterials from an applications perspective. Due to their unique hollow structure and nano - diameter, CNTs can be used as carriers to deliver bioactive molecules and drug into cells and tissues. As a new type of biomaterials, CNTs can improve bone repair and neuronal growth, decrease the development of scars in neuronal tissues. However, CNTs are potential toxic effect to the human health, and the studies have mainly focused on pulmonary toxicity and cytotoxicity, CNTs may induce pulmonary inflammation, granuloma, apoptosis, cells viability decrease and cells cycle changes. The extent of that toxicity depends on properties of the CNTs,such as their structure (single wall or multiple wall), length, surface area, method of manufacturing, concentration and dose. The main toxicity mechanism of CNTs was possible related to the oxidative stress responses in the cells.%碳纳米管包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管,是目前最有应用前景的纳米材料之一.作为载体,其具有的独特中空结构和纳米管径,可运送生物活性分子及药物进入细胞或组织.作为一种新型生物材料,能促进骨组织修复生长、神经再生,减少神经组织瘢痕产生.然而,碳纳米管对人体也有一定的毒性作用,目前研究主要集中在肺脏毒性和细胞毒性,表现为可引起肺脏炎症、内芽肿和细胞凋亡、活力下降、细胞周期改变等.其毒力大小与碳纳米管的特性有关,如结构、长度、表面积、制备方法、浓度、剂量等,毒性作用机制可能与氧化应激有关.
【期刊名称】《中国药业》
【年(卷),期】2012(021)003
【总页数】3页(P1-3)
【关键词】碳纳米管;药物载体;生物材料;生物安全性
【作者】张敬如;赵凯;黄复生;王昆
【作者单位】中国人民解放军第三军医大学基础部病原生物学教研室,重庆,400038;中国人民解放军第三军医大学基础部病原生物学教研室,重庆,400038;中国人民解放军第三军医大学基础部病原生物学教研室,重庆,400038;中国人民解放军第三军医大学基础部病原生物学教研室,重庆,400038
【正文语种】中文
【中图分类】R318.08
纳米科学是目前全球关注的热点前沿科技领域，人类的生活已不知不觉步入了“纳米时代”。

当前已有数十种纳米材料应用于日常生活中，碳纳米管可谓其中的佼佼者。

随着研究的深入，人们发现碳纳米管在生物医药领域具有广泛的应用前景，但由于其粒径小，可在人体主要器官分布沉积，因此其可能产生的生物效应与安全性问题也逐渐成为关注的焦点。

在此就相关研究作一综述。

1 概述
碳纳米管（carbon nanotube，CNT）又称巴基小管，是由日本NEC公司的Iijima于1991年发现的新型纳米材料，是由碳原子形成的石墨片绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝、中空的管体。

碳纳米管结构与球烯和石墨类似，与金刚
石、石墨、富勒烯同属碳的同素异形体，按结构可分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳料管（MWCNT）。

单壁碳纳米管由单层石墨构成，直径0.4～2 nm，长度一般可达数十微米，甚至长达20 cm，具有较好的对称性和单一性；多壁碳
纳米管由多个同心石墨圆柱体组成，层数在2～50层之间，层间距为0.34 nm，
直径2～30 nm，长度为0.1～50μm。

它们的抗张强度高，质量极轻，热和化学
稳定性很高，并有金属导体和半导体电学性质。

目前碳纳米材料全球年产量已达几百吨，产品涉及很多领域，这使得研究者、生产者和普通消费者都将有更多的机会接触到碳纳米管。

人们在生活中可能接触到碳纳米管，主要来自含碳材料燃烧产生的烟尘，生产碳纳米管时逸散出的颗粒物，以及在医药领域中以诊断和治疗为目的直接注入人体的碳纳米管。

2 在生物医药领域的应用
2.1 作为药物载体
作为纳米材料，碳纳米管的空腔管体可容纳生物特异性分子和药物，优良的细胞穿透性能使其可作为载体运送生物活性分子及药物进入细胞或组织。

原始碳纳米管不溶于任何溶剂，而功能化修饰可改善碳纳米管的溶解性和生物相容性，作为药物、疫苗、基因等的运送载体，其应用与研究日益深入。

荧光标记的胺基化碳纳米管与人早幼粒白血病细胞在37℃共培养1h后，应用荧
光显微镜可以观察到，细胞表面有较多的荧光聚集，同时细胞内也可观察到荧光，这说明碳纳米管能进入细胞内[1]。

采用异硫氰酸荧光素（isothiocyanato fluorescein，FITC）标记胺基化碳纳米管及肽偶联的碳纳米管，考察这两种修饰
碳纳米管的细胞穿透能力，发现它们均可穿透细胞膜：标记的胺基化碳纳米管主要分布于细胞质，进入细胞核较慢；而肽偶联的碳纳米管可以快速地进入细胞核[2－3]。

聚乙二醇修饰的多壁碳纳米管能在不损伤质膜的情况下进入哺乳动物细胞，其在胞内的蓄积不仅不影响细胞增殖和周期，更重要的是对多重耐药癌细胞和敏感细
胞效果相同[4]。

将抗肿瘤药物盐酸多柔比星装载于羧基化碳纳米管内，由于高表面积和氢键作用，其吸附能力更强、性能更稳定，载药量和体内吸收都较好[5]。

Ito等[6]采用碳纳米管作为红细胞生成素口服制剂载体，发现短的碳纳米管可运载更多红细胞生成素到靶细胞，证明细胞摄取碳纳米管有长度选择。

也有研究表明，不同的修饰碳纳米管可穿透不同细胞，进入细胞部位也有可能不同[7]。

2.2 作为新型生物材料
碳纳米管具有相当高的强度和韧性，不能进行生物降解，细胞可以在其表面生长繁殖并沉淀新的活性物质，再转变成正常的功能性骨组织。

原始的碳纳米管不能吸附钙离子，需先将其功能化，才能作为骨组织再生支架。

作为一种新型生物材料，碳纳米管在骨组织工程方面发展迅速，它可以单独作为支架，也可以与高分子有机物或无机物复合形成支架，促进成骨细胞的增长。

羟基磷灰石是目前国际上公认的硬组织植入材料，但其力学性能较差，不能用作承重植入体。

碳纳米管与羟基磷灰石复合，有望在保持生物相容性的同时，改善羟基磷灰石脆性大、抗折强度低的不足。

Balani等[8]把多壁碳纳米管均匀包覆在羟基磷灰石上，包覆后的羟基磷灰石断裂韧度提升了56％，而结晶度提升了27％；将磷灰石修饰的多壁碳纳米管与人成骨细胞MG－63共培养，成骨细胞活力可达到67.23％，细胞增殖明显提高。

2006年，Zanello等[9]率先用碳纳米管作支架培养成骨细胞，发现成骨细胞在多壁碳纳米管和单壁碳纳米管上均有很高的细胞生长率。

将碳纳米管与聚碳酸酯共同培养，发现碳纤维可促进成骨细胞的黏附，而降低平滑肌细胞、成纤维细胞、软骨细胞的黏附[10]。

Usui等[11]使碳纳米管紧邻骨组织以探究其对骨的反应，发现其几乎不引起局部炎症反应，并可协助骨产生。

碳纳米管独特的电学性质促进了其在神经应用方面的研究。

纯化的多壁碳纳米管能促进神经元网络的电信号传导[12]。

用多壁碳纳米管包裹传统的钨和不锈钢等金属
电极，碳纳米管层对神经电极的记录和电刺激信号有增强效果[13]。

作为神经再生支架，不仅要有导电性，还要能促进神经元再生。

研究表明，碳纳米管可促进神经组织的再生和修复，减少瘢痕的产生。

Mattson等[14]研究发现，多壁碳纳米管
能促进神经细胞的黏附和生长，化学修饰后的功能化碳纳米管具有促神经再生作用，可与神经营养因子共价键结合，促进轴突的生长；在多壁碳纳米管表面涂一层生物活性分子4－羟基壬烯酸（4－HNE），与未修饰多壁碳纳米管比较，神经轴突长度增加近2倍，轴突分支增加近3倍。

美国研究的“纳米脚手架”可以引导神经
祖细胞选择性分化为神经细胞，这一成果有望促进产生治疗中枢系统瘫痪的新方法。

碳纳米管除具有促神经再生作用外，还可减少神经组织瘢痕产生。

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。

3 毒性作用及其主要机制
3.1 肺脏毒性
由于碳纳米管质量轻，可通过呼吸道途径进入人体，并在肺部沉积，造成肺部肉芽肿、纤维化或炎症[15]。

肺泡巨噬细胞广泛分布于肺泡内及呼吸道上皮表面，具有吞噬、清除异物和保护肺的功能，是呼吸道的第一道防线。

碳纳米管进入肺脏后主要是通过肺泡巨噬细胞清除。

碳纳米管被巨噬细胞吞噬后，更多地沉积在肺泡间隔和肺泡腔内，发生肉芽肿性炎症，其损害机制可能与碳纳米管的物理化学性质有关，尤其是小尺寸效应，使沉积部位较深，更容易渗透进入肺深部组织[16]。

研究表明，碳纳米管尺寸越小，巨噬细胞越难以快速将其清除，碳纳米管的粒径和数目与造成的肺部损伤有着密切联系。

将单壁碳纳米管与炭黑和石英作对比研究时发现，在染毒剂量相同的情况下，单壁碳纳米管的毒性超过碳黑和石英。

Lam等[17]将含单壁碳纳米管悬浮液通过气管
滴注方式注入小鼠肺部，同时以碳黑和石英为对照，发现注入0.5mg碳纳米管小
鼠均出现严重肺部炎症。

组织病理学检验结果表明，第7天后，所有颗粒都会以
一定方式进入肺泡，有些颗粒甚至在长达90 d后仍停留在肺部。

碳黑颗粒只引起小鼠肺部轻微炎症；而单壁碳纳米管则引起肺部上皮细胞肉芽肿形成，其毒性明显高于对照组，并且表现出剂量依赖性。

3.2 细胞毒性
目前对碳纳米管致细胞毒性作用的机制尚无清楚的认识，现阶段研究认为，这与碳纳米管引起的氧化应激存在密切关系。

刘颖等[18]研究了多壁碳纳米管对
RAW26417巨噬细胞的毒性，发现染毒24h后，部分细胞出现皱缩变形、细胞间隙变大等形态学改变。

多壁碳纳米管在其与组织细胞接触的巨大表面上可诱导产生大量自由基，发生氧化损伤，破坏细胞膜的完整性，渗漏出大量总蛋白（TP）和
乳酸脱氢酶（LDH），产生一氧化氮，从而启动氧化应激机制，引起细胞损伤或
凋亡。

单壁碳纳米管对PC12细胞也显示出较强毒性，可引起细胞活力下降，抑制细胞增殖。

通过流式细胞技术还发现，细胞被阻滞在G2/M期，S期细胞数量明
显减少，出现细胞凋亡且细胞凋亡率呈剂量依赖性。

其可能机制是，碳纳米管作用细胞后向线粒体发生转移，使线粒体结构损伤及膜电位下降，导致细胞活性氧过量产生，引起氧化应激。

过量的活性氧可以通过直接破坏细胞内的蛋白质、脂质、DNA，也可通过影响细胞信号传导、基因调控间接引起细胞损伤。

同时研究还发现，长单壁碳纳米管较短单壁碳纳米管毒性作用更大[19]。

Cui等[20]的研究也与
此结果相似，但细胞被阻滞在G1期，可能与碳纳米管的类型或细胞株的不同有关。

从碳纳米管本身特性来看，粒径越小，毒性作用可能越大[21]。

颗粒尺寸越小，其表面积体积比就越大，表面原子数越多，不饱和键数目增多，使其具有很强的吸附能力和很高的化学活性，从而产生大量的活性氧自由基，干扰细胞的抗氧化防御机制，引发机体细胞氧化应激状态的产生。

4 展望
碳纳米管具有许多优良的物理和化学性质，在纳米材料的研究中具有重要地位，近年来，作为药物载体和再生材料，在医学中的应用越来越广泛。

然而，碳纳米管却是一把双刃剑，广泛应用的同时也对人们健康和安全带来一定的负面影响。

研究认为，碳纳米管的毒性作用与其粒径、表面积、制备方法等有关。

相信随着研究的不断深入，碳纳米管对人类健康的影响将越来越小，它在生物医学科学领域的作用将会逐渐凸显。

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