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