碳纳米管生物毒理作用的研究进展-生物研究生物谷

1、碳纳米管生物毒理作用的研究进展|生物研究生物谷第卷第期玉林师范学院学报（自然科学）年（）碳纳米管生物毒理作用的研究进展甘耀坤，李岩，杨旭（玉林师范学院化学与生物系副教授，广西玉林）（华中师范大学生命科学学院研究生，湖北）（华中师范大学生命科学学院教授，湖北）随着碳纳米管在工业制造、纳米技术和生物医学等各个领域的广泛应用，碳纳米管已摘要经以各种不同的方式进入我们的环境和身体，因此我们对碳纳米管可能给人们带来的健康与安全性能必需要有足够的认识本文就碳纳米管的背景知识及近年来国内外对碳纳米管的毒理作用和染毒方法的研究进行综述，为人们进一步认识和更好地应用碳纳米管提供相关依据碳纳米管；毒理作用；研究进

2、展关键词中图分类号文献标识码文章编号（），（，）（，）：，；，：；随着碳纳米管在工业制造、纳米技术和生物医学等各个领域的广泛应用，碳纳米而在三年之前，人们对碳纳米管引起的生物毒理作用还知之甚少自年以来，由于国家政府机构开展了有关碳纳米管生物毒理作用的研究国外如美国、日本等发达国家起步相对比较早，而且进展管已经以各种不同的方式进入我们和所（特别是一些发达国家）的高度重视，迅速组织和处的环境和我们的身体，因此对碳纳米管可能给人们带来的健康与安全性影响我们要有足够的认识，玉林师范学院学报甘耀坤，李岩，杨旭碳纳米管生物毒理作用的研究进展只有钢的由于其性能奇特，被科学家称为未来的“超级纤维”因此，碳纳米

3、管潜在用途十分诱人首先从商业方面的应用价值上来说：碳纳米管可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的加强材料、理想的储氢材料它使壁挂电视进一步成为可能，并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片和纳米电子学中扮演极重要的角色，从而引发计算机行业革命科学家们还预测碳纳米管将成为世纪最有前途的纳米材料其次再从生物医学的角度上来看，碳纳米管对疾病的诊断和治疗的应用前景无量：一些科学家已经开始研究它在医学治疗方面的作用未来十年将对医学产生巨大的影响最近，纯化的碳纳米管由于其特性已被作为探针并作用与生物系统，从而进行体外实验，起到临床治疗的目的很快不到两年时间，国际上已形成了一个新的前沿领域在年美国化学学会年会上，就

4、有美国宇航局太空中心的研究小组、杜邦公司研究小组和纽约罗切斯特大学的研究者等三个研究小组发表了纳米材料具有特殊毒性的报告年月，欧共体在布鲁塞尔公布了（欧洲纳米战略）和，把研究纳米生物环境健康效应问题的重要性，列在欧洲纳米发展战略的第三位同时，欧洲宣布启动“”计划相继有不少关于碳纳米管毒理作用的研究立了“赵宇亮实验室”，即由赵宇亮研究员负责的中国科学高能物理研究所纳米生物效应实验室，该实验室已经对国内生产的种纳米粉体做了急“贾光课题组”即由贾性毒性实验年成立了光副教授承担“碳纳米材料整体生物毒性及体外生物学效应研究”项目的研究，目前已进行了具有一定开创性的研究工作；另外还有一些科研单位如哈尔滨医

5、科大学公共卫生学院卫生毒理教研室报道我国则排在美、日之后居世界前列，年建（）说碳纳米管在年月，上海光机所量子光学重点实验室的科学家们在观察一条梨形四膜虫吞下了由碳纳米管携带的药物时，看到了四膜虫瞬间被炸得粉碎的现象该实验揭示了碳纳米管对激光能量具有强烈吸收效应这个发现有望为治疗癌症、心血管疾病也报道了单壁碳纳米管引起大鼠肺脏毒理的研究本文试图介绍碳纳米管的背景知识，碳纳米管的毒理作用及其碳纳米管的染毒方法，供读者参考等提供全新途径，即癌细胞、血栓能借“碳纳米管”爆破（来自慧聪网“透析上海光机所碳纳米管激光治疗癌症技术”）碳纳米管的背景知识碳纳米管的概念碳纳米管是“纳米世界”中的重要一员，是“纳

6、米技术”中的重要材料（物质）之一它是年日本科学家饭岛（）发现的由石墨碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几个纳米到几十个纳米，管壁厚度仅为几个纳米，像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”它非常微小，万个并排起来才有人的一根头发丝宽，实际上是长度和直径之比很高的纤维碳纳米管可依据石墨片层的多少分为单壁碳纳米管（）和多壁碳纳米管（）两种类型，比具有更大的表面积和更高的结晶度碳纳米材料一直是近年来国际科学的前沿领域之一碳纳米管的毒理作用综合国内外对碳纳米管进行的多种体内和体外毒理实验的研究报道发现，碳纳米管材料和一般的纳米颗粒一样能使生物机体器官和组织、细胞产生损伤，使生物体出现疾病，甚至死亡等各种

7、生物毒理效应碳纳米管的整体生物效应及其毒理学科学家猜测纳米材料可能会比较容易地通过血脑屏障，进而对中枢神经系统产生不良影响，也可通过血睾屏障对精子生成过程和精子形态以及精子活力产生不良影响，同样还可能通过胎盘屏障对胚胎早期的组织分化和发育产生不良影响，导致胎儿畸形而这些屏障对于其它材料是难以穿过的对碳纳米管导致动物毒理作用的研究，等对如何检测在动物体内的碳纳米这个难题采用了射线探测技术的高度灵敏度的优点进行了部分解决等的研究结果表明：水溶性（羟基化）单壁碳纳米管主要分布在胃、肾脏和骨骼中，在其玉林师范学院学报碳纳米管的应用前景碳纳米管作为石墨、金刚石等碳晶体家族的新成员，其韧性很高，导电性极强

8、，场发射性能优良，兼具金属性和半导体性，强度比钢高倍，比重年玉林师范学院学报第期他的脏器中也有分布此外，在后收集尿液和粪便，测其放射性计数，发现仍有大约的羟基化单壁碳纳米管蓄积在体内因此进一步对羟基化单壁碳纳米管的亚慢性毒性进行研究是非常有必要的组织的生物效应及其毒碳纳米管对器官、理学科学家们推测，小于纳米的超细颗粒物即纳米颗粒很容易在肺组织中沉淀；此外它们可能直接作用于心脏，会增加血黏度或血的凝固能力，导致心血管疾病肺是环境有害物质进入机体的主要途径之一，因此人们对碳纳米管的呼吸毒性尤其对肺脏毒性的研究相对较多贾光课题组和等采用气管注射的方式对的毒性进行研究实验中向小鼠滴入起细胞结构的改变结

9、构完整的巨噬细胞，呈圆形，周围有吞噬体和线粒体而暴露于单壁碳纳米管组，巨噬细胞出现皱折，多壁碳纳米管组细胞核变性、核基质减少当剂量升高到时，单壁碳纳米管组巨噬细胞肿胀，并出现空泡和吞噬小体；多壁碳纳米管组出现了细胞凋亡的症状：染色质浓缩，出现月牙样边集，细胞浆中出现空泡因此在一定剂量下单壁和多壁碳纳米管诱导了明显的细胞凋亡而且这不同于细胞坏死，它不会产生炎症反应，这正好支持了等人的研究结果除了对巨噬细胞的研究外，科学家还对其他一些细胞进行了研究等对多壁碳纳米管对人细胞的原始毒性和氧化毒性进行比较，发现后者的毒性更大当其浓度在时，即相当于每个细胞含有一亿个碳纳米粒时，将造成大量生殖细胞程序性的凋

10、亡，使得细胞繁殖力大大降低原始的，疏水的碳纳米管毒性较低研究结果表明碳纳米管在其浓度足够高时，确实有极强的毒性，和的单壁碳纳米管，用碳粒作阴性对照或用石英作阳性对照在优化的环境中和天后，作对肺的组织病理学研究所有的纳米管都能诱导上皮细胞长肉芽瘤，且它们之间呈剂量依赖性关系在天组的小鼠中，有的还发现了间质的炎症这些损伤的情况在天组中则更为明显其肺中的情况揭示了这样一种现象，即支气管上所发生了炎症和组织坏死，且这些炎症和组织坏死已扩展到肺泡隔他们得出结论，在该实验条件下一旦等对人体表皮角质细胞分别暴露在，的经过处理成垂直排列的多壁碳纳米管粒下持续，在电子扫描显微镜下观察到了在人体角质细胞的毒性，并

11、以时间依从性方式导致的致炎细胞因子白介素（）的释放即结果发现经作用后的角质细胞，增强了氧化应激性但抑制了细胞增殖在等的研究中也发现暴露于后人工培养的人表皮角质细胞（）细胞形态和细胞的超微结构的改变同时实验中人工培养的人表皮角质细胞（）暴露于后出现自由基形成、过氧化物积聚以及抗氧化物质减少，暴露后细胞活力下降等现象该研究还发现，上吸附的亚铁离子可以催化分解过氧化氢产生羟基自由基和脂质过氧化物，而在培养细胞的同时加入和一种金属螯合剂则会显著降低电子自旋共振到达肺脏，其毒性比碳黑和石英都高当外来物进入到肺间质组织时将很难被肺清除，并且随着时间的延长对肺造成的损伤会越来越明显等让小鼠暴露在高剂量单壁碳

12、纳米管（）下，小时后，有致死率周晓蓉等将大鼠的肺脏经单壁碳纳米管处理亦得出单壁碳纳米管对大鼠的肺脏有损伤作用，可能引起组织纤维化碳纳米管对细胞的生物效应及其毒理学肺泡巨噬细胞是一多功能的间质细胞，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因此，研究巨噬细胞对碳纳米管的清除功能，对研究碳纳米管毒理学十分重要贾光等用石英（）颗粒作为对照物采用法研究了单壁碳纳米管对肺泡巨噬细胞的影响结果单壁碳纳米管和等量的石英相比表现出更显著的细胞毒性这与等的研究结果是一致的同时，单壁碳纳米管与多壁碳纳米管均可以引（）的信号强度，表明铁在羟基自由基产生中有着重要作用由此

13、说明未纯化的中所含有的铁等金属催化剂可能会影响正常的细胞组织，从而表现出相应的毒性作用等将人类角蛋白细胞暴露于中结果会引起氧化压力（）玉林师范学院学报甘耀坤，李岩，杨旭碳纳米管生物毒理作用的研究进展而且使蛋白质与结合并帮助转录除了进行碳纳米管的科学实验研究外，还有科郭玉宝等采用分子力学、分子动力学方法模拟研究了甘氨酸分子在单壁纳米碳管中的吸附和扩散行为，并对甘氨酸分子在纳米碳管中的构象和能量进行了优化模拟计算结果表明，甘氨酸在纳米碳管中的构象发生了伸缩和扭转，这种构象的改变将会导致氨基酸生物性能的改变；纳米碳管对氨基酸分子具有较强的吸附作用，其中纳米碳管和甘氨酸分子之间的相互作用增加了纳米碳管

14、对氨基酸的吸附能模拟过程中氨基酸分子和纳米碳管之间的运动会保持很强的协同效应，使模拟体系构型在能量上处于最稳定的状态升高，过氧化氢产物的积累，同时消耗抗氧化剂、细胞失去生存力他们还利用法检测了对人类的其他三种细胞系的作用、学家对碳纳米管的分子生物效应进行了理论预测细胞和细胞具有相似的失去生存力的结果研究结果表明在浓度为可导致细胞死亡另外，等人通过培养的人表皮角化细胞观察了多壁碳纳米管（）的吸收尽管大部分在硅晶片上生长后未经修饰的不与细胞发生作用，但仍有的细胞在连续小时接触浓度后吸收了此浓度下小时后，活细胞减少了，透射电子显微镜显示细胞的细胞质空泡内可见（有些几乎长达）由于碳纳米管对细胞的负面效

15、应，所以时常有报道要利用其特殊性质而产生的负面效应来杀死癌细胞以治疗癌症碳纳米管的染毒方法碳纳米管材料综合有关对碳纳米管生物毒理作用研究的资料可以看出，做为研究用的碳纳米管有单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种类型，碳纳米管主要来源于碳纳米管的分子生物效应及其毒理学纳米物质可能比较容易透过生物膜上的孔隙进入细胞内或如线粒体、内质网、溶酶体、高尔基体和细胞核等细胞器内，并且和生物大分子发生结合或催化化学反应，使生物大分子和生物膜的正常立体结构产生改变，其结果可能将导致体内一些激素和重要酶系的活性丧失与蛋白质分子的非特异性结合是碳纳米管应用于生物系统中必须考虑的基本问题之一在“单壁碳纳米管无纺膜表面的修

16、饰及蛋白质吸附研究”中郭小天等定性和定量地分析了血浆中重要凝血因子纤维蛋白原在单壁碳纳米管薄膜表面的非特异性吸附行为，实验结果表明，纤维蛋白原分子在膜表面有强烈的非特异性结合，吸附于薄膜表面的纤维蛋白原分子仍然保有自身的免疫原性同时，采用聚乙二醇（公司，亦可由（，）或美国公司购买在碳纳米管材料中可以根据实验的需要采用未经处理过的如原始的、蔬水的和经处理过的如纯化的、氧化的、垂直排列的以及经化学修饰的各种各样不同的碳纳米管种类受试的生命体及其组织器官在研究碳纳米管的生物毒理作用实验中，多数采用小鼠做动物体内实验，主要是观察动物体内肺脏器官肺泡巨噬细胞的毒理作用；也有用健康成年雄性大鼠肺脏器官的；

17、少数科学家还对小鼠心肌器官的效应进行了检测而对人体主要是进行了（人体角质细胞），（上皮细胞），淋巴细胞等肺癌细胞的体外毒理实验细胞从）分子对单壁碳纳米管薄膜进行了表面修饰，初步探讨了修饰对纤维蛋白原分子在膜表面非特异性吸附的阻止作用膜表面可以被分子修饰，连接在薄膜表面的分子可以在一定程度上抑制一定浓度范围内的纤维蛋白原分子的非特异性结合这也为我们今后通过化学修饰以消除碳纳米管的毒性提供了一个初步的证据（，）获得细胞培养在加有，盘尼西林（），和链霉素（）的的培养基中染毒方法碳纳米管悬液的制备纳米颗粒不宜溶于水，因此在实验前必须要制备好碳纳米管悬液由于这种物质即使是在溶散剂的存在下也难以溶解，因此

18、必须要有特殊的方法玉林师范学院学报是一个很重要的转录因子，而且参与细胞死亡、炎症反应在等人的研究中还发现，不仅活化转录因子，年玉林师范学院学报第期方法：将样品首先在玻璃匀浆器中碾磨分钟，然后加入高温灭活的小鼠血清（，或（，）、（，）染毒时间液分体内和体外实验设定，动物体内染毒一般为，个星期和三个月体外的细胞染毒时间一般为，），并在超声器中超声处理半分钟简单的超声处理不会改变样品的基本性质灭活的血清可以在的水浴锅中水浴半小时获得悬液可以不必现配，可事先配好，用时旋涡震荡一下即可方法：颗粒溶解在二甲基酰胺（）中，因此在所有的对照实验中，细胞都要通过等容积的处理方法：人体新生的表皮角质化细胞在细胞培

19、养瓶中培养，在湿润的含的二氧化碳中，其融合程度达到在角质细胞生长培养基结语综上所述，碳纳米管具有广泛的应用前景，它可以引发新的技术革命和医术上的突破，但它也会对人们健康和安全带来一定的负面影响，甚至对生物体产生极强的毒性，认识和解决这一问题，是促进和保障纳米科技健康和可持续发展的必要条件科学家们希望能够在纳米材料被大规模生产运用之前就注意和研究透它的负面作用，使得纳米技术成为第一个安全造福人类的新技术，突破以往“先发展后治理”的模式但当前的实验研究中动物体所产生中的毒理效应是否与人类的效应相同，其剂量关系是否有一致性，特别是与其医学效应方面的联系以及碳纳米管生物毒理作用的机理，还有待科学家们作进一步的研究（）上通过声裂法分钟，（）完全悬浮声裂法以前是用作制备来进行鉴定，没有证据表明这个过程将破坏的形成碳纳米管的吸入在采用小鼠或大鼠动物进行体内实验时，主要采用支气管吸入法（如烟吸入法、空气吸入法）和气管滴入法来吸收碳纳米管材料；还有向小鼠肺部喷含有碳纳米管的溶液的方法来进行染毒的；此外还有通过静脉注射、腹腔注入、灌胃和皮下注射等不同的暴露途径将碳纳米管导入小鼠体内的；在人的组织细胞中通常采用向培养细胞中加入一定量的碳纳米管溶液的方法参考文献赵宇亮，赵峰，叶永纳米尺