碳纳米材料在生物医学领域的应用

碳纳米材料在药物/基因载体领域的应用

摘要：纳米材料已发展成为一种新型材料，纳米材料由于其独特的物理化学性质，如

小尺寸效应、巨大比表面积、极高的反应活性、量子效应等，成为当今世界三大支柱科学之一。碳纳米材料主要包括碳纳米管、富勒烯、墨烯、纳米钻石及其衍生物等，是纳米材料领域重要的组成部分。由于其独特的理化特性，它们在生物医学领域具有广泛的应用前景。另外，各种形式的碳纳米材料将以不同途径进入人们的生活，纳米材料的生物安全性问题也正受到世界各国科学家的广泛关注。本文综述了这四类碳纳米材料在药物/基因载体领域的应用现状，最后，讨论了该领域未来的研究内容和方向。

关键词：碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯纳米钻石载体

Application of Carbon-Based Nanomaterials in drug/gene carrier Field

Abstract: Nanomaterials has become a kind of new material, nanomaterials due to their unique physical and chemical properties, such as small size effect, huge specific surface area, high reaction activity, quantum effects,and become one of the three pillars of world science today.Carbon-based nanomaterials is an important part in the field of nanomaterials,their including carbon nanotubes, fullerenes, graphene, nanodiamond and their derivatives. Due to their unique physical and chemical properties, they have broad application prospects in the biomedical field.In addition, various forms of carbon-based nanomaterials will enter people's life in different ways, and the biological safety of nanomaterials is also being widely concerned by scientists around the world.This article reviews the potential applications of all four types of carbon-based nanomaterials in the drug/gene carrier.In addition,the biosafety issue is also reviewed.

Key words：carbon-based nanomaterials；carbon nanotubes；fullerene；graphene；nanodiamond；carrier

1引言

当物质进入纳米尺度时，会展现出特有的理化性质，如: 小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等。随着纳米技术的不断发展，各种纳米材料逐渐进入了我们的视野。碳纳米材料主要包括碳纳米管、富勒烯、石墨烯和纳米钻石及其衍生物，是目前应用非常广泛的一类纳米材料，现有的研究结果表明，碳纳米材料在组织

工程、药物/基因载体、生物成像、肿瘤治疗、抗病毒/抗菌以及生物传感等生物医学领域中具有潜在的应用前景。虽然，对于纳米材料的研究才刚刚起步，但其发展速度极快，将纳米材料与生物医学融为一体，为生物医学工程的进一步研究发展提供了更加广阔的空间和平台。

2碳纳米材料的应用

2.1 药物载体

碳纳米管是Lijima于1991年发现的一种新型纳米材料,是一种由碳原子sp2杂化形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。其独特的中空结构和纳米管径，为容纳药物或生物特异性分子提供了有利的空间，但由于它不溶于任何溶剂，限制了它在生物医学领域的应用。所以，对其表面进行修饰，可以提高它的水溶性、生物相容性及靶向性。据报道，通过对单壁碳纳米管进行修饰，在其表面连接叶酸就可以靶向叶酸受体阳性的肿瘤细胞，在红外线的照射下特异地杀伤肿瘤细胞，但对正常细胞不会造成不良影响。Liu 等合成了可以作为抗癌药物紫杉醇载体的聚乙二醇修饰的碳纳米管，结果表明，与紫杉醇相比，碳纳米管载药提高了药物的穿透性及在血液循环中的停留时间，对肿瘤的生长起到了很好的抑制作用，但对正常细胞没有毒副作用。欧忠敏等以SWCNTs 为载体，将整合素αvβ3 单克隆抗体作为肿瘤靶向分子标记在 SWCNTs 上，构建基于碳纳米管的新型肿瘤靶向探针，通过人脐静脉内皮细胞HUVEC 和高度表达整合素αvβ3 的人脑神经胶质瘤细胞 U87MG 为模型进行研究，结果表明，这种新型材料对 U87MG 具有很好的靶向性，是一种有潜力的肿瘤靶向性药物载体。

。它的颗富勒烯，又称巴基球，是又一种由碳原子形成的一系列笼形分子的总称C

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粒较小，进入人体后，能够通过一些生物体内的安全屏障，到达一些常规药物所不能到达的病灶，可以作为潜在的药物运输分子。研究表明，富勒烯作为药物载体可以有效负载阿霉素和促红细胞生成素等。Venkatesan 等研究富勒烯作为吸附剂，输送促红细胞生成素 EPO，使EPO的浓度达到了单独使用 EPO时的两倍，有效提高了EPO 的生物利用率。据报道，基于富勒烯的胶束也可以用于药物输送。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度。它不仅是所有材料中最薄，也是最坚硬的纳米材料。物理学家Geim 和Novoselov由于成功地从石墨中分离出石墨烯，而共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。功能化的石墨烯也可以作为药物分子的载体。2008年，Liu 等首次报道了功能化的