孫 彬，徐樂(lè)鳳

（泰山科學(xué)技術(shù)研究院，山東 泰安 271000）

1 研究背景及意義

2004 年，Novoselov 等在實(shí)驗(yàn)室中使用一種簡(jiǎn)單的微機(jī)械膠帶方法分離了石墨烯。由于石墨烯是由密集的碳雜化原子組成的單原子層材料，其分布為六部分碳環(huán)的雙面蜂窩結(jié)構(gòu)，許多人員關(guān)注于這樣的結(jié)構(gòu)，在藥物與蛋白質(zhì)傳遞、再生工程和醫(yī)學(xué)成像等的生物醫(yī)學(xué)方向廣泛研究與應(yīng)用。大多數(shù)研究都集中在生物上。由于石墨烯氧化轉(zhuǎn)化，氧化石墨烯（GO）是石墨烯的多級(jí)氧化和超聲提純，它的兩側(cè)含有羥基和環(huán)氧基，羧基邊界處的活性基團(tuán)為氧化石墨化合物，具有顯著的表面性質(zhì)、高親水性和生物相容性。在生物研究中，氧化石墨烯是目前最熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一，也是生物醫(yī)藥產(chǎn)品中最有效的生物制品之一。

膠原蛋白是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用的天然高分子化合物之一，可以作為骨架結(jié)構(gòu)存在于細(xì)胞外基質(zhì)，因?yàn)槟z原的生物相容性、生物降解性和生物活性是相容的。其他合成聚合物被人體吸收，促進(jìn)細(xì)胞存活和生長(zhǎng)，許多分子可以與膠原蛋白發(fā)生反應(yīng)，在細(xì)胞基質(zhì)、生物合成和降解過(guò)程中發(fā)揮生物學(xué)作用，因此，膠原蛋白在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是非常需要的。

然而，由于內(nèi)部膠原機(jī)械結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，如強(qiáng)度不足、降解最小和性能不足以滿足需求，膠原蛋白經(jīng)常與其他天然高分子材料或聚合物混合，形成不同類型的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。因此，氧化石墨烯和膠原蛋白在生物領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用，成為該領(lǐng)域的研究中心。在醫(yī)學(xué)材料的研究中，復(fù)合材料往往具有不同的功能，因此生物領(lǐng)域氧化石墨烯的應(yīng)用，特別是在膠原蛋白相關(guān)生物領(lǐng)域的應(yīng)用，將為生物發(fā)展提供新的可能性。本文綜述了氧化石墨的形成和結(jié)構(gòu)，以及氧化石墨在細(xì)胞中的毒性和生物相容性，綜述了氧化石墨在膠原化合物中的應(yīng)用，以及基于膠原損傷的縐狀膠原結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[1]。

2 氧化石墨烯的生物相容性

2.1 氧化石墨烯（GO）細(xì)胞毒性的研究

如果生物醫(yī)學(xué)物質(zhì)不用于臨床環(huán)境，則應(yīng)首先根據(jù)生物安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生物學(xué)測(cè)試，細(xì)胞毒性是一個(gè)重要的診斷指標(biāo)。因此，診斷程序之一對(duì)于評(píng)估物質(zhì)的細(xì)胞毒性很重要。在肺腺癌細(xì)胞（A549 細(xì)胞）中研究了氧化石墨烯的體外毒性，并對(duì)其毒性進(jìn)行了分析和評(píng)估，以確定A549 細(xì)胞膜的形態(tài)、存活率、死亡率和完整性。結(jié)果表明，少量氧化石墨烯（GO）實(shí)際上并沒(méi)有進(jìn)入細(xì)胞，沒(méi)有明顯的細(xì)胞毒性，具有良好的細(xì)胞親和力。GO 導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氧化物的依賴性在高濃度下細(xì)胞功能輕微喪失。分析結(jié)果總結(jié)，GO 可被認(rèn)為是細(xì)胞水平上最安全的東西。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明，GO 有利于細(xì)胞的生長(zhǎng)，作為納米材料，GO 在體內(nèi)的毒性引起了人們的廣泛關(guān)注。一些科學(xué)家研究了石墨烯和氧化石墨烯的毒性。適當(dāng)?shù)难芯勘砻?，兩?xiàng)體內(nèi)毒性研究是有限的，綜述和分析了氧化石墨烯的毒性及其表面（化學(xué)結(jié)構(gòu)和涂層性能）、尺寸、層理度和細(xì)胞類型，以及運(yùn)輸方式、劑量、暴露時(shí)間和體內(nèi)摻入量。通過(guò)對(duì)人皮膚細(xì)胞（crl-2522）中GO 的細(xì)胞毒性和生物氧化石墨（rgo）的研究表明：mtt 法不適合于實(shí)驗(yàn)性細(xì)胞毒性分析，因?yàn)槭┊a(chǎn)生了錯(cuò)誤的結(jié)論[2]。

因此，氧化石墨對(duì)細(xì)胞的毒性和一系列與生物安全及氧化石墨毒性相關(guān)的因素有關(guān)，應(yīng)仔細(xì)考慮和評(píng)估GO。為了研究GO 在生物醫(yī)學(xué)特性中的多種用途，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)條件確定其細(xì)胞毒性的測(cè)試和研究方法。這對(duì)于在醫(yī)療設(shè)備中的使用廢氣尤為重要。

2.2 改善氧化石墨烯（GO）生物相容性的研究

驗(yàn)證材料的相容性，必須遵守生物安全和生物功能的原則，這些原則不僅要求生物毒性低，而且要求生物材料在某些系統(tǒng)中可有效促進(jìn)適當(dāng)?shù)纳眢w功能。為了研究GO 的生物相容性，對(duì)人成纖維細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞毒性試驗(yàn)，通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究GO 對(duì)小鼠重要器官壽命的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明，低劑量GO 對(duì)小鼠無(wú)毒害，高劑量GO 有慢性毒害。在本例中，4/9 的小鼠死亡并出現(xiàn)肺肉芽腫。通過(guò)上述實(shí)例可得出GO 對(duì)動(dòng)物和人的劑量應(yīng)考慮GO 與自然的相容性。對(duì)GO 生物材料的研究也探討了如何提高GO 的生物相容性，生物聚合物涂層和表面活性劑的應(yīng)用在一定程度上提高了氣體的生物相容性和生物分布。用氧化石墨（rgo）作為還原劑和活性分子制備生物聚合物，研究表明，DA 使用人血細(xì)胞和臍帶細(xì)胞（HUVEC），可減少GO 的量，研究了功能性生物聚合物RGO 的生物相容性，結(jié)果表明，即使在高濃度下，溶血率也很低（＜1.8%），細(xì)胞毒性分析也表明HUVEC 物質(zhì)與細(xì)胞有良好的相關(guān)性。研究了氨基石墨（go-NH2）、氧化石墨（go-pam）、聚丙烯酰胺和聚丙烯酸對(duì)改性GO表面的生物相容性。功能性石墨氧化物（GO-PAA）、合成衍生物、功能性石墨氧化物（GO-PEG）和GO 聚乙二醇在體內(nèi)的細(xì)胞毒性相似，結(jié)果表明，在體內(nèi)go-peg 和go-paa 的主要毒性物質(zhì)在小體積時(shí)毒性較大，GO-PAA在體內(nèi)外的生物學(xué)上是最可接受的[3]。

氧化石墨的細(xì)胞毒性和生物相容性研究有限，大量的研究和文獻(xiàn)指出了石墨在生物醫(yī)學(xué)材料中的潛力，可以檢測(cè)到石墨的生物相容性。基于此，類似于在醫(yī)療器械中使用氧化石墨烯的能力顯著提高。

3 氧化石墨烯作為藥物、基因遞送載體材料的研究

近年來(lái)，氧化石墨烯納米材料由于其尺寸大和獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在載藥、基因傳遞等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，具有強(qiáng)大的負(fù)載能力，可用于可控的藥物傳遞系統(tǒng)。

3.1 腫瘤藥物遞送載體

采用先進(jìn)的錘擊法，將石墨作為氧化合成石墨的原料，與氯酸（CA）等抗癌藥物結(jié)合使用。合成了氯氫酸-氧化石墨烯GO-CA 納米復(fù)合材料，拉曼光譜證實(shí)了該復(fù)合材料與氯酸的有效結(jié)合。通過(guò)GO 和CA 之間的氫鍵和π 鍵的相互作用，對(duì)其紅外光譜和x 射線衍射進(jìn)行了分析。分析發(fā)現(xiàn)，可見(jiàn)紫外光譜表明復(fù)雜的釋放曲線在pH 條件下具有良好的依賴性和穩(wěn)定性；此外，與對(duì)照藥物相比，抗癌納米復(fù)合材料具有穩(wěn)定性。體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)正常細(xì)胞無(wú)明顯細(xì)胞毒性時(shí)，GO-CA 納米材料的濃度為50 μ。正常細(xì)胞存活率為50%。由于n-異丙基酰胺（NIPAM）在石墨氧化鏈中與丙烯酸（AA）結(jié)合，對(duì)癌細(xì)胞株、肺癌上皮細(xì)胞株A549 和宮頸癌細(xì)胞株具有較高的毒性。在納米凝膠中加入強(qiáng)力霉素DOX，合成了一種新型的納米凝膠。中低溫條件下pH 值顯著升高，高溫條件下不發(fā)生爆炸，其他相關(guān)研究表明，含GO 的藥物具有良好的生物導(dǎo)向性[4]。

3.2 化學(xué)合成藥物的負(fù)載

此外，GO 還可用于裝載含有化學(xué)物質(zhì)的藥物。氟尿嘧啶（5-Fu）是β-環(huán)糊精（β-CD）和氧化石墨中的一種選擇性抗腫瘤代謝物，由β-CD-GO-5-Fu 氫鍵形成。按標(biāo)準(zhǔn)曲線加載率為105%，β-CD 表面有許多羥基，與碳水化合物一樣，有助于新陳代謝，防止藥物在體內(nèi)蓄積，同時(shí)提高藥物穩(wěn)定性，減少5-Fu 對(duì)胃腸道的刺激。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中比較負(fù)載GO 的5-Fu 本身對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷效果，發(fā)現(xiàn)含有GO-5-Fu 的能力相同量的藥物，殺死4T1 乳腺癌細(xì)胞的效果比5-Fu 本身要高很多，裝藥后，可以提高藥物的療效。

3.3 傳統(tǒng)中藥的負(fù)載

GO 也在進(jìn)行中藥裝載的研究。

PEG-GO 用于將貝殼杉烷二萜類化合物毛萼乙素加載到PEG-GO 中，以提高其在鹽水中的親水性和穩(wěn)定性。根據(jù)預(yù)先準(zhǔn)備好的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算，PEG-GO 藥物的加載率為18%，在A549 細(xì)胞中，100 mg/L 的PEG-GO 在48 h 后達(dá)到85%以上的細(xì)胞活性，表明PEG-GO 的細(xì)胞毒性較低，制備48 h，用細(xì)胞學(xué)方法檢測(cè)A549 對(duì)肺癌細(xì)胞的毒性，移動(dòng)組細(xì)胞存活率為28.5%。PEG-GO 負(fù)載下毛萼乙素的細(xì)胞存活率僅為21.8%，表明這些物質(zhì)對(duì)A549 細(xì)胞有明顯的影響。GO 衍生物在其他藥物中的具體情況[5]，見(jiàn)表1。

表1 GO 在藥物傳遞中的應(yīng)用

3.4 基因遞送載體

直接基因轉(zhuǎn)移可用于治療人類和遺傳性疾病，也可用于治療保護(hù)DNA 免受核酸酶損傷的載體。聚氯乙烯（pvc）是應(yīng)用最廣泛的納米材料，然而，PEI 的生物相容性和細(xì)胞毒性均低于純PEI。Go-pei 具有較低的細(xì)胞毒性和較高的疾病傳播效率，作為一種合適的基因載體，小分子靶點(diǎn)通常較小，易于在短時(shí)間內(nèi)被生物體吸收。將載體分子安全地轉(zhuǎn)移到靶位是非常重要的，氧化石墨烯是值得被選擇的。據(jù)報(bào)道，GO 可以成功地將分子信標(biāo)（MBS）傳遞到在太空中直接檢測(cè)到生物分子的細(xì)胞。以往的研究表明，氧化石墨通過(guò)不適當(dāng)?shù)奈胶童B加可以合成單鏈DNA（ssDNA）和RNA。而靜電相互作用等能夠表明氧化石墨可能是一種潛在的基因。研究表明，氧化石墨烯可以保護(hù)核酸免受酶的破壞，并且可以將單鏈DNA 移動(dòng)到細(xì)胞中。具有GO 納米結(jié)構(gòu)圖案的基板旨在創(chuàng)建一個(gè)在多個(gè)細(xì)胞系中按基因序列順序進(jìn)行基因修飾的系統(tǒng)，系統(tǒng)使用GO 底物作為DNA 的濃縮物，最終可以逐漸釋放，與PEI 連接的GO 納米載體也已用于傳遞siRNA和化學(xué)品[6]。

3.5 藥物控釋

為了在正確的時(shí)間以正確的數(shù)量遞送藥物，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可以在內(nèi)部（體溫、pH、某些化學(xué)反應(yīng)）或外部（使用超聲波、磁場(chǎng)）發(fā)生反應(yīng)的新藥物載體。曾報(bào)道了一些基于GO 的環(huán)境友好型藥物輸送計(jì)劃，如果藥物通過(guò)pH 敏感傳感器附著在藥物載體上，藥物的釋放可以通過(guò)控制局部pH 值來(lái)控制。這一簡(jiǎn)單的程序有效避免了不良藥物在運(yùn)輸過(guò)程中的釋放。藥物在靶器官的釋放效率也得到了提高，許多研究人員利用氧化石墨制備了高pH 值的高靈敏度藥物載體。開(kāi)發(fā)了作用于磷脂膜的單層氧化石墨烯，新型的納米復(fù)合材料顯示出受pH 值調(diào)節(jié)的藥物釋放，并具有70%的負(fù)載能力[7]。

此外，利用電場(chǎng)、超聲波等便攜式技術(shù)促進(jìn)納米材料釋放的概念得到了成功的應(yīng)用，提出了一種簡(jiǎn)單的制備go/Fe3O4化合物的方法，使磁場(chǎng)易于控制藥物的釋放外部，高達(dá)200%的藥物，這意味著藥物的釋放模式和成本可以在治療后得到控制。應(yīng)特別注意傷口涂層中石墨的氧化，以刺激皮膚組織的細(xì)胞生長(zhǎng)和再生，同時(shí)石墨本身具有抗菌和抗炎的作用，這對(duì)活性涂層非常重要，可增加石墨氧化物的用量[8]。

3.6 免疫增強(qiáng)劑

納米等級(jí)材料的化學(xué)成分、物理性能特征等在很大程度上影響著其作為生物類型材料的實(shí)際應(yīng)用前景。與此同時(shí)，科學(xué)研究表明免疫器官是納米級(jí)別雷克在全身分布的核心部位[9]。以GO 作為核心的納米級(jí)別材料可有效對(duì)免疫細(xì)胞的發(fā)育進(jìn)程進(jìn)行專項(xiàng)調(diào)控，同時(shí)誘導(dǎo)小鼠的肺部炎癥。近幾年來(lái)的一些專業(yè)研究，也充分證明GO 展現(xiàn)出了較為顯著的免疫增進(jìn)效果。所以，GO 及免疫系統(tǒng)之間的互為作用也受到了深入的關(guān)注。

不過(guò)，在GO 被運(yùn)作為免疫增強(qiáng)劑的過(guò)程之中，機(jī)體會(huì)進(jìn)一步出現(xiàn)氧化應(yīng)激等多樣化的負(fù)面化作用。所以，亟需進(jìn)一步研發(fā)負(fù)面作用相對(duì)較低且立足于氧化石墨烯的專項(xiàng)免疫佐劑[10]。

3.7 光熱學(xué)專項(xiàng)治療

氧化石墨烯與生物醫(yī)療的有效結(jié)合，也有著非?？捎^的應(yīng)用意義，比如在光熱化治療過(guò)程中，尤其整體光熱轉(zhuǎn)化性能，在紅外激光照射下迅速產(chǎn)生較高的溫度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)有害細(xì)胞的清除。特別是諸如挑選應(yīng)用卟啉修飾氧化石墨烯，從而可以獲取PGO，專業(yè)的醫(yī)學(xué)研究已經(jīng)證明，在紅外激光照射的整體影響之下，PGO 的光熱轉(zhuǎn)化率相比氧化石墨烯顯著較高，可消除大批量的腦部腫瘤細(xì)胞，同時(shí)不會(huì)給良性的細(xì)胞帶來(lái)負(fù)面性影響。

而在光動(dòng)力學(xué)的具體治療中，氧化石墨烯可以作為高效化的載體，例如可有效結(jié)合應(yīng)用甲氧基聚乙二醇修飾NGO 負(fù)載光敏劑酞菁鋅，所形成的負(fù)載率非常可觀，在被專項(xiàng)細(xì)胞內(nèi)涵之后，可展現(xiàn)出較為顯著的消毒特性[11]。

3.8 氧化石墨烯應(yīng)用于抗菌材料

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域之中抗菌材料的應(yīng)用極具廣泛性特征，也是重要的醫(yī)用材料代表，其更是安全與健康的重要保障，例如抗生素等諸多類型材料皆可在材料表層控制細(xì)菌的滋生，不過(guò)仍然有相對(duì)較多的材料存在運(yùn)作成本相對(duì)較高的問(wèn)題，對(duì)于氧化石墨烯而言，因?yàn)槠浔旧肀憔哂休^為顯著的抗菌性特征，這也讓氧化石墨烯可被研制成為抗菌類型材料，對(duì)于此，相關(guān)的醫(yī)學(xué)科技工作人員也展現(xiàn)了專項(xiàng)的探究，也全面驗(yàn)證了其具有著較為突出的抗菌特性，舉例而言，氧化石墨烯可以與AG 等組合成為全新的復(fù)合物，而相關(guān)的復(fù)合物也具有著優(yōu)異的抗菌功能[12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

因此，對(duì)氧化石墨烯（GO）的生物安全性研究證實(shí)，氧化石墨烯對(duì)人體具有毒性，按體積計(jì)，低濃度時(shí)無(wú)明顯毒性，表明其生物相容性良好?，F(xiàn)代氧化石墨烯的價(jià)格降低了材料成本，因此在生物領(lǐng)域中，氧化石墨的研究和應(yīng)用將大大增加。然而，氧化石墨烯的毒性尚未達(dá)成共識(shí)，如果要在成熟的臨床環(huán)境中使用，仍需要深入的GO 生物安全性研究。