氧化石墨烯在生物医学领域的应用_高扬.pdf

氧化石墨烯在生物医学领域的应用 高 扬， ， 吴丁威， 殷广达， 郭睿劼， （ 太原理工大学新材料界面科学与工程教育部和山西省重点实验室，太原 ； 太原理工大学材料科学与工程学院，太原 ） 摘要 氧化石墨烯（ ） 是石墨烯的衍生物， 具有较高的比表面积和丰富的官能团： 底面含羟基和环氧基， 边 缘含羧基。这些官能团赋予了氧化石墨烯良好的亲水性、 分散性和生物相容性， 易于修饰和功能化， 加之其优良的光 学性质， 使得氧化石墨烯在生物医学领域具有广阔的应用前景。着重介绍了氧化石墨烯在生物传感器、 生物成像、 药 物基因传送、 光热光动力治疗、 抗菌材料、 生物安全性方面的研究现状和进展。 关键词 氧化石墨烯 生物医学 生物传感器 生物成像 药物基因传递 光热光动力治疗 抗菌材料 生物安全性 中图分类号： ； 文献标识码： ： ， ， ， ， （ ， ， ； ， ， ） ， （ ） ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 山西省自然科学基金（ ； ） 高扬： 女， 年生， 硕士生， 研究方向为生物材料 ： 郭睿劼： 女， 博士， 副教授， 研究方向 为生物材料和表面改性 ： 引言 石墨烯是一种由碳原子紧密排列而形成的二维晶体， 其 厚度只有一个原子层， 是宇宙中最薄的材料 ，。 年 和 研究组首次成功地从石墨中剥离出石墨 烯 ， 在科学界引起了轰动。石墨烯因具有非凡的性能， 在 物理、 化学、 材料科学界引起了人们浓厚的兴趣， 并且已广泛 应用于新型晶体管、 传感器、 太阳能电池等的研究 ，。从电 子到生物医学， 石墨烯的开发利用逐渐深入推进， 它是一颗 迅速崛起的新星， 更有科学家声称即将迎来石墨烯的时代。 氧化石墨烯（ ） 是石墨烯的衍生物， 是由石墨粉经过 多步氧化、 超声纯化等步骤制备而成的， 是底面含有羟基和 环氧基， 边缘含有羧基的石墨烯， 其结构示意图如图所 示 。这些含氧官能团丰富了其表面活性， 赋予了氧化石墨 烯更多有趣的理化和生物学特性。氧化石墨烯具有良好的 亲水性和生物相容性， 在水及其他有机溶剂中可形成稳定的 悬浮液 ， 易于修饰和功能化， 还有优良的光学性质， 非常 适于在生物医学领域的应用， 与其他碳基材料相比， 其在生 物医学方面的应用具有更多潜在的优势。此外， 氧化石墨烯 的原料易得， 可大批量生产， 为各种石墨烯基材料的研究提 材料导报 ： 综述篇 年月（ ） 第 卷第期 供了方便。本文将着重介绍氧化石墨烯在生物传感器、 生物 成像、 药物基因传送、 光热光动力治疗、 抗菌材料方面的研 究现状和进展。 图 氧化石墨烯结构示意图（ 底面含有羟基和环氧基， 边缘含有羧基） ， 生物传感器 氧化石墨烯的比表面积很大， 而厚度只有几纳米； 表面 的各种官能团使其可与生物分子直接相互作用； 易于化学修 饰 ； 超薄的氧化石墨烯纳米片很容易组装成纸片或直接在 基材上进行加工 这些特点都使氧化石墨烯成为制作传 感器极好的基本材料。 等 首次研究了氧化石墨烯对 和蛋白的选择 性检测， 表明氧化石墨烯在生物分子检测方面有高灵敏度、 高特异性。与碳纳米管相比， 氧化石墨烯的成本更低， 生产 规模更大， 在生物传感器设计中大有可为。 等 发明了 一种超灵敏的传感器， 可用来进行微孔膜上多肽、 蛋白质和 脱氧核糖核酸等生物分子的视觉检测， 表明超薄的氧化石墨 烯纳米片是一种极好的化学感应材料。 等 开发出一 种新的氧化石墨烯基免疫生物传感器， 可用来进行高灵敏且 快速的病毒检测， 这个平台还可以扩展到进行多种病原分析 图 基免疫传感器示意图 的氧化石墨烯微阵列格式（ 见图， 沉积在氨基改性的玻 璃上， 并固定轮状病毒抗体， 当抗体捕获病毒细胞时， 发生荧 光淬灭。图中的抗体 金纳米粒子复合物可提高荧光 淬灭效率） 。 等 发现基于氧化石墨烯超强的荧光淬 灭能力和核酸外切酶信号的自动放大， 氧化石墨烯可用于 进行简便、 有效的 检测。 等 制备了一种纳米 级的 芘 生物传感器， 用来进行癌细胞表面的标志 物 整联蛋白 的实时原位检测。该氧化石墨烯基生 物传感器同时也适用于其他肿瘤细胞表面标记评价系统， 为 人们提供了一种简单高效、 灵敏快速的检测方法。 生物成像 氧化石墨烯本身具有特定的物理光学性质， 而且易于负 载荧光分子， 使其在临床医学影像领域大放异彩。 等 的一系列研究表明： 在体外细胞成像时， 通过 双光子发光成像可以清楚地看到 （ 聚乙二醇） 纳米 粒子在细胞或亚细胞中的分布； 在体内成像时， 将 纳米粒子静脉注射入小鼠体内， 可以利用一种深穿透双光子 成像系统观察到这些纳米粒子在血管中的流动、 分布（ 见图 ， 双光子显微镜更适用于深层组织成像， 利用它发现： 经 处理后可观察到明亮的双光束荧光，后由于 分解， 荧光减弱， 后已检测不到荧光） ； 将 注射 到 小 鼠 脑 组 织 中， 同 样 也 可 以 观 察 到 其 分 布。 等 制备了一种发荧光的纳米复合材料 ， 这种聚乙二醇化的 纳米粒子很容易被 细胞吸收， 并且无明显的细胞毒性； 在随后的体外细胞 成像实验中， 他们证明 纳米复合材 料是一种具有广阔应用前景的荧光探针， 可用于生物医学靶 向成像。徐等 制备了一系列 ， 将接枝 的端 羟基与荧光素（ ） 共价键合， 所得 荧光探 针实现了对 细胞的成像。 此外， 纳米氧化石墨烯还可用于灵敏度高且易于定量的 核素成像模式和新近发展起来的光声成像模式 。在不久 的将来， 氧化石墨烯基材料的生物成像有望真正地应用于医 学领域， 为临床诊断提供直接有效的信息。 药物基因传递 药物传递 氧化石墨烯的亲水性、 生物相容性、 巨大的比表面积和 独特的结构使其可负载大量药物， 尤其是一些非水溶性的药 物， 这对实现药物在体内的传递具有很重要的意义。 课题组 率先将氧化石墨烯用于药物传递的研究。 他们发现氧化石墨烯可以通过较强的物理吸附作用与芳香 类药物 （ 抗癌药物喜树碱的衍生物） 非共价结合， 明显 改善了药物的溶解性， 为这种药物打开了一个新的应用窗 口。 此后， 氧化石墨烯作为药物载体的研究受到了更加广泛 的关注。为了综合氧化石墨烯和其他一些高分子的特殊功 能， 有研究者用 （ 壳聚糖） 、 （ 聚乙烯醇） 等高分子对氧 氧化石墨烯在生物医学领域的应用高 扬等 化石墨烯进行功能化从而提高其溶解性和生物相容性 ， 或是对氧化石墨烯功能化来赋予载药体系良好的靶向性和 控制性 ， 。 等 通过共价键将 （ 叶酸） 与功能化 的纳米级氧化石墨烯（ ， ） 结 合， 使其靶向作用于 细胞（ 人乳腺癌细胞） ， 随后又在 上同时负载了两种药物 阿霉素（ ） 和喜树 碱（ ） ， 这两种药物的联合使用表现出更好的治疗效果， 与单个药物的靶向传递相比， 该给药体系表现出明显的优 势。 等 探讨了一种由电控制的药物释放行为， 先 将氧化石墨烯沉积在导电聚合物支架上， 再在这种纳米复合 材料上负载了一种抗发炎药物地塞米松（ 见图） ， 结果表明， 该复合材料表现出良好的电学性能。同时， 该氧化石墨烯纳 米复合材料可通过感应电刺激来释放药物， 释放的药物剂量 也可通过改变刺激的幅度来进行调整（ 见图） 。 图 静脉注入小鼠血管中的 纳米粒子双光子扫描和单光束共聚焦荧光成像图 图 纳米复合材料的药物载入和释放示意图： 聚吡咯（ ）地塞米松（ ） 纳米复合物（） ， 在电 刺激下地塞米松从复合物中释放（） ： （） （） 基因传递 随着人们对氧化石墨烯研究的深入和对其应用的不断 探索， 人们发现氧化石墨烯不仅可用作药物载体还可以作基 因载体。 研究证明， 、 都是非常出色的基因载体， 将 、 （ 聚乙烯亚胺） 接枝到氧化石墨烯上后， 可有效提 高传递基因的效率。 能与质粒 复合形成稳定 的纳米复合物转染 细胞， 其转染效率较为理想 。 等 和 等 将 接枝到氧化石墨烯上， 并证明 有极好的传递 的能力。 等 将 接 枝到尺寸极小的氧化石墨烯上得到 ， 利用其将 质粒 转染到哺乳动物细胞中， 转染率高达 ， 而细 胞毒性非常小。 等 合成了一种生理稳定的双聚合 物 功能化氧化石墨烯（ ） ， 与 或 相比， 显著增强了质粒 转染效率， 同时还能减小 本身的细胞毒性； 更重要的是， 在光控条 件下， 还可将 传递到细胞内部。 等 研究了一种新型基因载体八精氨酸（ ） ， 探讨了 氧化石墨烯上 多肽的浓度对转染率的影响。他们指出为 材料导报 ： 综述篇 年月（ ） 第 卷第期 了获得最有效的细胞转染， 必须严格控制氧化石墨烯上的多 肽浓度， 并预测 是一种很有发展前景的纳米基因载体。 光热光动力学治疗 光热治疗 氧化石墨烯（ ） 具有良好的光热转化性能， 其在近红 外激光照射下会产生高温， 从而杀死异常细胞。因此 非 常适用于光热治疗。 近来， 等 用卟啉（ ） 修饰氧化石墨烯得到 ， 他们发现在 近红外激光照射下， 的光热 转化效率比氧化石墨烯和还原氧化石墨烯（ ） 的要高出 很多， 可杀死大量的脑肿瘤细胞， 而且 在应用于光热治 疗（ ） 时， 其含有的活性官能团会表现出特异靶向作用， 不会伤害正常的细胞及组织。还有研究者用一些化疗药物 来修饰功能化的氧化石墨烯， 实现了化疗和光热疗法 的协同治疗 。 等 将花青染料 接枝到氧 化石墨烯上， 发现不同 值的溶液环境下， 会表 现出不同的构象， 所以氧化石墨烯与 之间的荧光共 振能量转移效应是 敏感的； 同时 还有很强的 细胞杀伤力， 因此 是一种可用于光热治疗的智能 纳米复合物。 等 和 等 也对氧化石墨烯进行功 能化， 合成了纳米复合材料， 使其在用于光热治疗的同时实 现 敏感的智能调控。 光动力学治疗 氧化石墨烯（ ） 是一种高效的载体， 还可作为光敏剂 的载体而应用于光动力学治疗领域。 等 利用甲氧基聚乙二醇（ ）修饰的 负载光敏剂酞菁锌， 负载率可达到 ， 被 细胞内化 后， 氙灯照 射下表 现 出 明 显 的 光 动 力 学 杀 伤 毒 性。 等 利用 堆积、 疏水性作用和氢键作用， 将竹红菌甲素 （） 修饰到氧化石墨烯上， 得到的复合物可以在特定波长 的激发下产生单线态氧， 体外实验结果表明其可有效杀死 细胞。还有研究 是将竹红菌乙素（ ） 修饰到氧化 石墨烯上得到 ， 经照射后也可产生单线态氧， 体外结 果显示 可进入到肿瘤细胞的细胞质， 对肿瘤细胞造 成致命的破坏。 等 用 嵌段共聚物对氧化石墨烯功能 化， 随后又与一种光敏剂亚甲蓝进行复合。形成的复合材料 摄入细胞后， 在近红外光线的照射下造成细胞的死亡。将这 种复合物静脉注射入荷瘤小鼠体内后， 会造成肿瘤组织的积 累， 但经近红外灯的照射后， 在光热和光动力效应的协同作 用下， 肿瘤组织会全部消融（ 见图） 。氧化石墨烯在这项研 究中扮演了双重角色， 既是光热材料， 又是光敏剂的载体， 从 而实现了光热治疗和光动力治疗的协同 。 抗菌材料 抗菌材料广泛应用于日常生活中， 有效地保护了公众健 康。包括抗生素、 金属离子和季铵盐化合物在内的很多材料 都能在材料表面阻止细菌的黏附和增殖。 但是， 这些材料存 图 近红外激光诱导纳米 在体内产生光热效应： 肿瘤组织 在近红外激光辐照后的实时温度变化（） ； 光热治疗时肿瘤 组织中产生的高温（ 黑色箭头处） 与周围其他组织表现出 很大的温差（） ； 经过 激光辐射后， 由于光热 效应， 肿瘤组织遭到破坏（） ： （） ； （ ） ， （） ； ， （） 图 纳米片抗菌性图： 大肠杆菌与 和 的 纳米片培养后的代谢活性（） ； 的 纳米片对 大肠杆菌的抗菌活性（） ； 正常大肠杆菌 图（ ） ， 与 纳 米片 作用后的大肠杆菌 图， 纳米片破坏了 细胞膜， 导致细胞质流出（） ： （） ； （） ； （） ； ， （） 在耐药性、 环境污染、 相对复杂的加工工艺和高成本等诸多 氧化石墨烯在生物医学领域的应用高 扬等 问题。此外， 包括银纳米颗粒、 氧化钛纳米颗粒和碳纳米管 （ ） 等在内的纳米材料也由于其细胞毒性而在抗菌应用 方面受到了一定限制。 上海应用物理所物理生物学实验室率先发现了氧化石 墨烯的抗菌特性， 他们推测其抗菌性来源于氧化损伤或是机 械破坏（ 见图） 。 等 分别采用革兰氏阳性菌 （ 金黄色葡萄球菌） 和革兰氏阴性菌（ 大肠杆菌） 对沉积在不 锈钢基质上的氧化石墨烯纳米墙（ ） 的抗菌性 进行了研究， 发现氧化石墨烯对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性 菌都具有良好的抗菌性能。 等 ， 探讨了氧化石墨烯对 大肠杆菌活力的影响， 发现大尺寸的氧化石墨烯比小尺寸的 氧化石墨烯具有更好的抗菌性。同时， 研究还发现氧化石墨 烯可以氧化细菌体内的还原型谷胱甘肽， 因此认为材料的抗 菌性除了来自对细胞膜的物理破坏外， 还可能由于材料引发 氧自由基进而诱发了氧化损伤。 此外， 氧化石墨烯还可与 、 等形成新的复合物， 这 些复合物仍然具有抗菌性， 而且比单独使用 或 或 的抗菌效果要好很多， 氧化石墨烯可能与它们有协同抗菌作 用 。 等 将聚乙烯咔唑连接到氧化石墨烯上形 成 膜， 其抗菌性研究结果也得出了类似的结论， 这 说明石墨烯材 料在复合 过程中 依然 保 持了 其抗 菌 特 性。 等 还将氧化石墨烯接枝到棉布上得到了氧化石墨烯 基抗菌棉织物， 并测定了其抗菌性， 结果表明氧化石墨烯基 抗菌棉织物表现出很强的抗菌性， 抑菌率大于 ， 且这种 棉织物在被洗涤 次后抑菌率依然保持在 以上。这 些都说明氧化石墨烯在抗菌材料领域具有广阔的应用前景。 对于氧化石墨烯的抗菌机理， 综合文献报道， 大致包括 物理切割引起 的细菌破 坏和化 学作 用 导致 的细 菌 失 活。 等 认为这些与不锈钢基体近乎垂直的纳米片异 常锋利的边缘造成了细菌死亡。氧化石墨烯还原后， 其抗菌 性增强， 原因是还原后得到的还原氧化石墨烯有利于电荷转 移， 且其边缘更加锋利， 这可以从没有外膜的金黄色葡萄球 菌比有外膜的大肠杆菌受损更严重得到证实。 年 等 结合计算机模拟与电镜实验， 提出了新的氧化石墨烯抗 菌的分子机制， 认为氧化石墨烯可通过对细菌细胞膜的切 割、 直接抽取细胞膜上磷脂分子来杀死细菌。 等 指出 氧化石墨烯的抗菌性跟它的尺寸大小有关， 认为尺寸大的 片抗菌性更强， 因为大的 片可完全覆盖细胞， 使其不 能增殖而死亡， 而小的 片无法将细胞与周围环境分割开 来（ 见图， 较大的 纳米片更容易包覆细菌） 。这项研究 表明设计合适的 横向尺寸是优化其使用性能、 减小环境 风险和安全风险的重要因素。 等 的研究得出了类似 的结果， 即 纳米片的分散性、 尺寸、 直径都是应该考虑的 因素。 等 也研究了 纳米片抗菌的尺寸效应， 并提出了两种机理： 对于在 表面上的抗菌行为， 他们提 出了氧化机理， 即 纳米片的尺寸越小， 导致的缺陷密度 越高， 抗菌性就越强； 对于 在悬浮液中的抗菌性， 他们提 出了捕获机理， 纳米片面积越大， 抗菌活性越高。 等 分 析了 对变形链球菌、 牙龈卟啉单胞菌、 核梭杆菌的抗 菌性， 观察到 可破坏细胞壁和细胞膜， 使细胞内物质流 出而失活。 除上述物理切割引起的失活外， 研究者们也提出了与氧 化相关的抗菌机理。 等 对比了石墨、 氧化石墨、 氧化 石墨烯和还原氧化石墨烯对大肠杆菌的抗菌性， 提出了三步 抗菌机理： （） 细胞首先沉积在上述几种材料表面； （ ） 纳米 片锋利的边缘与细胞膜直接接触， 引起膜应力； （） 紧接着发 生的是无超氧阴离子参与的氧化过程。 等 提 出当细菌暴露在氧化石墨烯环境中时， 会产生超氧自由基阴 离子， 从而引起氧化应力， 使 断裂而起到杀菌的作用。 等 指出： （ ） 引起的生物反应与层数、 横向尺寸、 硬 度、 疏水性、 表面功能化及用量有关； （） 活性氧族是对细胞 产生毒性的原因。 图 大肠杆菌与去离子水混合培养（，） 、 大肠杆菌与较 大尺寸 片悬浮液混合培养（，） 、 大肠杆菌与较小尺 寸 片悬浮液混合培养（，） 后的 图 ： （，） ， （，） ， （，） 氧化石墨烯的生物安全性 氧化石墨烯在生物医学领域具有良好的应用前景， 与此 同时其生物安全性也一直是人们关注的焦点， 这关系着氧化 石墨烯是否能够真正安全有效地投入实际应用， 所以极有必 要对氧化石墨烯的生物安全性和潜在风险进行研究。 等 研究了氧化石墨烯对 细胞的形态、 活 力、 死亡率和细胞膜完整性的影响来评估其毒性。结果表 明， 氧化石墨烯没有进入 细胞， 而且对细胞没有表现出 明显的毒性， 但氧化石墨烯可引起剂量依赖性的细胞氧化应 激， 在高浓度下亦可轻微损伤细胞活性， 表明细胞的毒效应 与 的剂量有关。 等 发现小于 的氧化 石墨烯对人类的成纤维细胞没有毒性， 高于 的氧 化石墨烯则表现出明显的细胞毒性； 将 注射入小鼠体内 后， 低剂量和中等剂量的 对小鼠没有明显的毒性， 高剂 量的 则对小鼠表现出慢性毒性。其研究结果表明氧化 石墨烯对细胞的毒性表现出剂量依赖性， 可以诱导细胞 的凋亡和肺肉芽肿的形成， 且不能被肾脏清除。 等 对比了不同条件下 的动物毒性， 发现 所处的环境不 材料导报 ： 综述篇 年月（ ） 第 卷第期 同， 其细胞毒性也会表现出差异。还有研究发现 的尺 寸、 状态、 其 表面的含氧量电 荷 都会 强烈 影响 其 细 胞 毒 性 。 等 用聚乙二醇修饰 后得到 ， 通过体 内毒性试验发现， 与 相比 在活体内具有更低的毒 性， 从而表现出更高的安全性。 等 对 纳米片的细胞效应进行了系统研究， 认 为氧化石墨烯的细胞毒性来源于 纳米片与细胞膜之间 的相互作