趙傳欣，陳高云，顧恰敏，劉 敏

（陸軍防化學(xué)院，北京 102205）

碳納米管（CNTs）是納米材料的典型代表，自1991年被Iijima[1]發(fā)現(xiàn)以來，得到了廣泛的關(guān)注和研究。碳納米管是一種由碳原子經(jīng)sp2雜化形成的石墨烯片層卷成的無縫、中空管體新型納米材料。按照石墨烯片的層數(shù)可將其分為單壁碳納米管（SWCNTs）和多壁碳納米管（MWCNTs）。深入了解和研究碳納米管的結(jié)構(gòu)與性能發(fā)現(xiàn)，碳納米管可在抗菌、制作組織工程支架、作為藥物載體、用于腫瘤治療等方面發(fā)揮出色的效果。

1 抗菌作用

1.1 單壁碳納米管的抗菌作用

單壁碳納米管具有較小的管徑和較大的比表面積，可以與細(xì)菌充分接觸，穿透細(xì)菌的細(xì)胞壁，起到殺滅細(xì)菌的作用，因此具有良好的抗菌能力。SWCNTs的純度、用量、處理時(shí)間和分散性都對(duì)其抗菌作用有一定影響。研究表明，純度越高的SWCNTs對(duì)細(xì)菌的殺滅能力越強(qiáng)，且抗菌活性與用量和處理時(shí)間呈正相關(guān)。高分散SWCNTs由于增加了和細(xì)菌接觸的機(jī)會(huì)，表現(xiàn)出更好的抗菌效果，在溶液中如同納米飛鏢一般，穿透細(xì)胞并破壞其完整性，達(dá)到殺菌的目的。SWCNTs的尺寸也對(duì)其抗菌活性有一定影響，Yang等[2]比較了3種不同長度的SWCNTs的抗菌活性發(fā)現(xiàn)，長SWCNTs比短SWCNTs的抗菌活性更強(qiáng)，原因主要是尺寸影響了與細(xì)菌細(xì)胞聚集的方式，從而影響了相互作用的效果。

1.2 多壁碳納米管的抗菌作用

與SWCNTs相比，MWCNTs的抗菌作用較為溫和，優(yōu)勢是成本較低和細(xì)胞毒性較小。目前主要通過負(fù)載其他材料對(duì)MWCNTs進(jìn)行改性以增強(qiáng)其抗菌性能，改性方法主要有兩種，分別為共價(jià)修飾和非共價(jià)修飾。

共價(jià)修飾MWCNTs的主要方法是利用濃H2SO4和濃HNO3等強(qiáng)氧化劑，將羧基或羥基等官能團(tuán)引入MWCNTs的端口處和管壁上存在一定缺陷的位置，由于羧基和羥基都屬于親水性基團(tuán)，可以使MWCNTs在水溶液中的分散性得到明顯的提升。

MWCNTs改性后可以接入氨基酸、多肽等生物活性物質(zhì)進(jìn)行協(xié)同抗菌。Amiri等[3]在微波輻射的條件下，利用精氨酸和賴氨酸將MWCNTs功能化，功能化后的材料對(duì)所有測試菌株的抗菌活性均顯著提高，尤其是對(duì)革蘭氏陰性菌特別有效，對(duì)耐藥性金黃色葡萄球菌的抗菌效果亦有提升，其抗菌活性的增強(qiáng)是由于MWCNTs表面官能團(tuán)的正電荷引起細(xì)菌細(xì)胞膜的靜電吸附。

非共價(jià)修飾MWCNTs是在不改變自身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改善性能。含有π電子的化合物可以通過π-π堆積的方式與MWCNTs相結(jié)合，不含π電子的物質(zhì)也可以通過其他物理作用（比如范德華力、靜電作用）結(jié)合在MWCNTs上。

通過表面活性劑改性也是非共價(jià)修飾的重要方法。Khazaee等[4]研究了離子型和非離子型表面活性劑對(duì)MWCNTs的非共價(jià)功能化，隨后評(píng)估了其對(duì)大腸埃希氏菌的抗菌活性。陽離子表面活性劑能有效地溶解細(xì)菌細(xì)胞，而陰離子和非離子型表面活性劑具有良好的生物相容性。陰離子表面活性劑修飾的MWCNTs比非離子表面活性劑修飾的MWCNTs具有更大的抗菌活性，這可能是由于表面活性劑的聯(lián)合作用毒性所致。

2 組織工程支架

碳納米管可用作骨組織工程支架，是一種優(yōu)良的補(bǔ)強(qiáng)材料，具有良好的強(qiáng)度、彈性、韌性及抗疲勞性，能夠與復(fù)合材料緊密結(jié)合提升性能。此外，碳納米管由于自身的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征，可以使細(xì)胞基質(zhì)通過孔隙進(jìn)行物質(zhì)交換，不會(huì)對(duì)正常的生理機(jī)能造成影響，同時(shí)可以通過控制其導(dǎo)電性控制細(xì)胞的生理行為。碳納米管作為支架如同一種惰性框架，自身不會(huì)發(fā)生生物降解，周圍的細(xì)胞可以在其表面生長繁殖并形成新的活性物質(zhì)，再轉(zhuǎn)變成正常的功能性骨組織。

碳納米管常與無機(jī)材料（主要包括碳酸鈣、磷酸鈣等生物陶瓷類物質(zhì)、生物活性玻璃及鈦合金）、天然可降解高分子材料（主要包括膠原、殼聚糖、藻酸鹽、纖維蛋白）和人工合成可降解高分子材料（主要包括聚氨酯類、聚氨基酸、聚酸酐等）復(fù)合，復(fù)合型支架已成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的主要方向。

2.1 碳納米管與無機(jī)材料構(gòu)成復(fù)合支架

Liu等[5]制備了碳納米管涂層多孔陶瓷支架，該支架具有生物相容性、高多孔性、互聯(lián)性和機(jī)械強(qiáng)度。這是在兩種不同類型的3D多孔陶瓷支架上均勻覆蓋高質(zhì)量的CNTs實(shí)現(xiàn)的：生物陶瓷復(fù)合材料β磷酸三鈣/羥基磷灰石（或TCP/HA）以及開發(fā)的高機(jī)械強(qiáng)度的多組分陶瓷（Ca2ZnSi2O7-ZnAl2O4）（或Sr-HT-Gah）。這些碳納米管涂層支架具有生物相容性，與臨床使用的TCP/HA生物陶瓷相比，具有相當(dāng)?shù)募?xì)胞附著和細(xì)胞增殖能力。

2.2 碳納米管與天然可降解高分子材料構(gòu)成復(fù)合支架

Yildirim等[6]以海藻酸鹽和SWCNTs為材料，采用自由曲面制備技術(shù)制備了復(fù)合聚合物支架。通過掃描電子顯微鏡、拉曼光譜、拉伸測試和細(xì)胞-支架相互作用研究，對(duì)支架的結(jié)構(gòu)、力學(xué)和生物學(xué)特性進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SWCNTs不僅提高了材料的力學(xué)性能，還提高了材料的生物相容性。研究顯示，SWCNTs增強(qiáng)支架的細(xì)胞附著和增殖效果更好。海藻酸鹽/SWCNTs復(fù)合支架上內(nèi)皮細(xì)胞的附著和增殖增強(qiáng)是多種因素共同作用的結(jié)果，SWCNTs導(dǎo)致了大量的材料缺陷、增加了表面的電子離域，這些特性改變了復(fù)合支架的表面活性。

2.3 碳納米管與人工合成可降解高分子材料構(gòu)成復(fù)合支架

Jie等[7]采用靜電紡絲技術(shù)制備了纖維平均直徑為300～500 nm的多壁碳納米管/聚氨酯復(fù)合材料納米纖維支架。研究表明，具有納米纖維結(jié)構(gòu)和多壁碳納米管成分的支架可顯著增強(qiáng)細(xì)胞的粘附、增殖、遷移聚集和分泌，在組織工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 藥物載體

載藥是將活性藥物與載體結(jié)合，并將其遞送到目標(biāo)細(xì)胞或組織的過程。近年來，CNTs由于物理化學(xué)特性、高縱橫比、良好的電學(xué)和力學(xué)性能以及對(duì)細(xì)胞膜的物理吸附，已被廣泛用于將治療藥物遞送到目標(biāo)組織和細(xì)胞。CNTs的良好相容性有助于降低全身毒性，并提高藥物傳遞的療效。CNTs也可以被不同的化合物涂層，這些化合物在不同的領(lǐng)域發(fā)揮不同的作用：作為診斷藥物檢測藥物傳遞系統(tǒng)的路徑，作為隱形藥物逃避免疫系統(tǒng)，作為靶向藥物減少副作用，作為藥物載體發(fā)揮治療效果。

理想的藥物傳遞系統(tǒng)是將靶向給藥與控釋結(jié)合在一起，使藥物有選擇性地傳遞和釋放。這樣的系統(tǒng)不僅提高了藥物的療效，而且使全身毒性降到最低，從而提高了患者的生活質(zhì)量。近年來，人們對(duì)各種納米級(jí)藥物載體進(jìn)行了評(píng)估和測試。值得注意的是，SWCNTs比常用的金屬納米粒子系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在承載能力、固有的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的靈活性方面，這些特性可以延長循環(huán)的時(shí)間，提高攜帶藥物分子的生物利用度。

SWCNTs是一種極具潛力的藥物傳遞系統(tǒng)，因其穩(wěn)定性、高載藥量和穿透細(xì)胞膜的能力等特性而受到廣泛關(guān)注。盡管它們具有一定的毒性，但是可以通過改變大小和功能化來進(jìn)行控制。通常使用碳納米管向靶細(xì)胞遞送藥物的過程如下：藥物分子附著在修飾的碳納米管表面，化學(xué)受體存在于此。這些化學(xué)受體有助于在納米管內(nèi)攜帶藥物分子。然后通過不同的途徑將接收的藥物注射到體內(nèi)，例如注射、口服或直接引入靶細(xì)胞?；瘜W(xué)受體通過內(nèi)吞途徑將裝載藥物的碳納米管膠囊內(nèi)化，最終使藥物在細(xì)胞內(nèi)逃逸。

楊曉英等[8]將抗腫瘤藥物DXR負(fù)載到SWCNTs上，得到了具有肝靶向性并且對(duì)藥物具有高效負(fù)載能力的SWCNTs，負(fù)載率高達(dá)85.5%。實(shí)驗(yàn)表明，SWCNTs本身不存在毒副作用，并且能夠幫助DXR有效進(jìn)入腫瘤細(xì)胞，抑制腫瘤細(xì)胞的生長，是一種良好的抗腫瘤藥物載體。

黃海濤等[9]將碳納米管與海藻酸鈉復(fù)合，制備出碳納米管復(fù)合海藻酸鈉微球藥物載體，并負(fù)載了模型藥物以驗(yàn)證該載體的藥物釋放能力。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳納米管不僅未對(duì)海藻鈉酸微球的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響，還有效增強(qiáng)了其穩(wěn)定性，并提高了藥物的緩釋效果，與此同時(shí)，碳納米管亦不會(huì)增加額外的細(xì)胞毒性。

Matyszewska等[10]研究發(fā)現(xiàn)，將阿霉素類藥物多柔比星負(fù)載于聚乙二醇修飾的SWCNTs上，可以提高靶向細(xì)胞內(nèi)的藥物含量。將阿霉素類藥物負(fù)載于羧基和葉酸修飾的SWCNTs上，可以實(shí)現(xiàn)控制藥物釋放，并使之具有靶向性。Carla等[11]將伊立替康分子封裝入MWCNTs，研究表明，其具有很高的藥物填充效率，Ir-MWCNTs中含有32%的抗腫瘤藥物。在整個(gè)過程中伊立替康分子不會(huì)被降解，并且可以在酸性環(huán)境中得以快速和徹底的釋放。Chen等[12]將羧基化的SWCNTs與殼聚糖和依托泊苷偶聯(lián)后，在水溶液中具有較高的溶解度和穩(wěn)定的分散性。載藥量為25%～27%。ETO在低pH下從EGF/CHI/SWNT-COOHs/ETO中釋放，并通過三磷酸腺苷（ATP）依賴性內(nèi)吞被腫瘤細(xì)胞吸收。研究發(fā)現(xiàn)，EGF/CHI/SWNT-COOHs/ETO誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡是單獨(dú)ETO誘導(dǎo)的2.7倍。

4 腫瘤治療

在取代傳統(tǒng)化療治療癌癥的過程中，藥物傳遞到靶向癌細(xì)胞區(qū)域仍然是治療研究的最新挑戰(zhàn)。由于腫瘤細(xì)胞表達(dá) P-糖蛋白（P-gp）阻礙治療藥物進(jìn)入組織，大多數(shù)抗腫瘤藥物在大規(guī)模殺傷靶向腫瘤細(xì)胞之前被意外地清除。因此，在治療癌癥時(shí)，需要?jiǎng)?chuàng)新的藥物輸送技術(shù)來解決這類問題。

在腫瘤治療中，希望能將大劑量的藥物分子輸送到腫瘤部位，以獲得最好的治療效果，同時(shí)最大限度地減少對(duì)正常器官的副作用。通過增強(qiáng)通透性和保留（EPR）效應(yīng)，納米結(jié)構(gòu)材料在全身注射后可以通過異常滲漏的腫瘤血管在腫瘤組織中積聚，有助于藥物輸送應(yīng)用。SWCNTs作為一種新型的體外藥物載體已被廣泛應(yīng)用。SWCNTs可以通過內(nèi)吞作用有效地將藥物、多肽、蛋白質(zhì)、質(zhì)粒DNA和小干擾RNA（siRNA）等多種生物分子輸送到細(xì)胞內(nèi)。同時(shí)，碳納米管固有的近紅外（Near Infrared，NIR）光吸收特性也被用于體外破壞癌細(xì)胞。

許多研究小組研究了碳納米管在動(dòng)物體內(nèi)的表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)靜脈注射到小鼠體內(nèi)的聚乙二醇化的SWCNTs在幾個(gè)月內(nèi)是無毒的。在小鼠網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)（RES）中積累的碳納米管可以通過膽道途徑逐漸排出，最終進(jìn)入糞便。靶向腫瘤聚集用靶向配體、RGD多肽或抗體功能化的SWCNTs已顯示出高效率。這些結(jié)果為進(jìn)一步探索碳納米管的治療應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

到目前為止，已經(jīng)有幾種藥物分子被用于搭載碳納米管，如紫杉醇、奧沙利鉑、阿霉素、多西紫杉醇等，用于體內(nèi)外癌癥治療。

Liu Z等[13]證明將紫杉醇（PTX）偶聯(lián)到聚乙二醇化的SWCNTs上并注入小鼠的異種移植瘤，其腫瘤抑制效果高于臨床紫杉醇藥物配方。與紫杉醇和聚乙二醇化PTX相比，SWCNTs-PTX血液循環(huán)時(shí)間更長，通過EPR效應(yīng)使其在腫瘤上獲得高劑量的藥物攝取。即使在較低劑量下， SWCNTs-PTX也能減緩腫瘤生長，足以證明其強(qiáng)大的治療效果。

在大多數(shù)情況下，血漿中氯離子與水的相互作用會(huì)抵消藥物的治療效果。因此，碳納米管被用作藥物載體，以防止在該過程中所攜帶的治療劑失活，最終在很大程度上減少副作用。Zhang等[14]合成了負(fù)載順鉑的功能化SWCNTs，以靶向PC3和DU145前列腺癌細(xì)胞系。順鉑的細(xì)胞攝取發(fā)現(xiàn)表明，這種治療藥物能有效地穿透細(xì)胞膜，并選擇性地發(fā)現(xiàn)于癌性前列腺細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)。就這一點(diǎn)而言，藥物的包封對(duì)于穩(wěn)定順鉑的藥物遞送系統(tǒng)非常重要。

SWCNTs對(duì)UV到NIR區(qū)域有很強(qiáng)的光學(xué)吸收，通過NIR光學(xué)吸收產(chǎn)生的熱量可用于光熱治療[15]。與其他方法相比，光熱治療癌癥已經(jīng)被廣泛研究，成為一種理想的、局部的、無創(chuàng)的治療方法，因?yàn)樗芫_地將能量輸送到靶細(xì)胞，并且腫瘤細(xì)胞對(duì)溫度升高很敏感，NIR區(qū)域的激光非常有利于體內(nèi)使用，因?yàn)樯锝M織在NIR區(qū)域的吸光度較低，因此使其成為一種摧毀癌細(xì)胞更有前途的方法，而對(duì)健康組織的副作用可以忽略不計(jì)。在以生物納米技術(shù)為基礎(chǔ)的癌癥治療中，具有獨(dú)特光熱特性的納米結(jié)構(gòu)已被考慮用于破壞癌細(xì)胞。SWCNTs的固有特性適合這些技術(shù)，因?yàn)樗鼈冊(cè)贜IR區(qū)域有很強(qiáng)的光學(xué)吸收能力，在NIR激光照射時(shí)可以釋放大量熱量，增強(qiáng)細(xì)胞的熱破壞。

Jeyamohan等[16]構(gòu)建了DOX-FA-PEG-SWCNTs復(fù)合材料，利用SWCNTs的光熱效應(yīng)、NIR輻射介導(dǎo)的靶向腫瘤破壞，進(jìn)一步增強(qiáng)了其殺死腫瘤細(xì)胞的能力。該方法結(jié)合了SWCNTs的DOX和光熱特性，可能為增強(qiáng)癌癥治療和生物成像應(yīng)用提供了一種機(jī)制。FA功能化的SWCNTs可通過FA-FA受體介導(dǎo)的途徑選擇性內(nèi)化到癌細(xì)胞中，而不會(huì)內(nèi)化到正常細(xì)胞中，所得體系在生理?xiàng)l件下具有良好的穩(wěn)定性。在細(xì)胞內(nèi)溶酶體和核內(nèi)體典型腫瘤環(huán)境pH降低的情況下，還能有效釋放阿霉素。利用SWCNTs光熱效應(yīng)的光熱技術(shù)可以靶向摧毀癌癥。SWCNTs在生物組織高度透明的NIR區(qū)域具有較高的光吸收率。在體外受到800 nm激光照射后，SWCNTs能夠有效地將激光能量轉(zhuǎn)化為熱能。這一優(yōu)勢被用于選擇性光熱療法，只殺死癌細(xì)胞而保留正常細(xì)胞。靶向載藥與光熱治療的聯(lián)合效應(yīng)，可以加速協(xié)同殺死近95%的癌細(xì)胞。

Li等[17]將強(qiáng)化綠熒光蛋白（EGFP）通過鏈霉親和素-脫硫生物素（SA-DTB）連接到SWCNTs上，該蛋白可被傳遞到腫瘤中，并在細(xì)胞中通過NIR光進(jìn)行光釋放和激活，發(fā)揮活性，實(shí)現(xiàn)抗腫瘤的功能。

5 結(jié)語

碳納米管在抗菌、組織工程支架、藥物載體及腫瘤治療領(lǐng)域都有良好的表現(xiàn)，盡管碳納米管自身分散性較差且具有一定的毒性，但是通過對(duì)碳納米管進(jìn)行功能化修飾（如在碳納米管表面引入親水性官能團(tuán)）、負(fù)載各種活性物質(zhì)，既改善了其在水中的分散性，又優(yōu)化了其生物相容性，并降低了其細(xì)胞毒性。目前，有關(guān)碳納米管復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)大多仍處于體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，還需要更多臨床應(yīng)用和實(shí)踐的支撐。隨著科技的不斷發(fā)展、研究的日益深入，碳納米管作為一種性能優(yōu)良的納米材料，將在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用中展現(xiàn)出更大的潛力，一種生物相容性好、安全無毒的人體友好型納米功能材料有望在不久的將來誕生。