碳納米管的功能化修飾及其藥物負載的研究進展

田勝，池昊，顧晨露，李秀，童珊珊，徐希明

(江蘇大學藥學院，江蘇 鎮江 212013)

碳納米管是由日本科學家飯島澄男博士在研究富勒烯過程中發現的一種奇特碳結構[1]，因其獨特的結構和物理化學性質，迅速成為生物醫藥領域的研究熱點。碳納米管是由石墨烯片同軸卷曲而成的新型納米碳材料，按照石墨烯片層數不同，可分為單壁碳納米管(single-walled carbon nanotubes，SWCNTs)和多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs)。

單壁碳納米管是由一個單一的圓柱形石墨烯層組成，兩端覆蓋著一個半球形的碳網絡，柱體的閉合是由于生長過程中包含了五邊形和七邊形的C-C結構，如圖1A所示。而多壁碳納米層與層之間無序排列，層間距為(0.34±0.01) nm[2]，直徑為2～25 nm，長度為0.1～50.0 μm，內部結構如圖1B。MWCNTs的外徑一般大于2.5 nm，而SWCNTs的外徑在0.6～2.4 nm之間。平面內sp2雜化的剛性s-鍵長為1.42 ?，具有極高的楊氏模量，而平面外p鍵則具有較弱的范德華層間粘合力。MWCNTs的不同殼體通過范德華力相互作用(在沒有結構缺陷的情況下)，而SWCNTs形成管束，其中管間耦合也是由范德華力相互作用決定的。這些結構中強sp2鍵合和弱范德華力的不同程度的相互作用，是納米管異常多樣的力學行為的根源。MWCNTs結構與富勒烯相似，管壁主要是由sp2雜化的六邊形碳原子網格圍成，每個碳原子與相鄰的三個碳原子鍵合。但這種同軸卷曲會導致納米材料的量子限域效應和σ-π再雜化，π軌道離域后偏向管壁外側，而C原子上的其他三個σ軌道偏離平面，使其比石墨具有更高的機械強度，獨特的光學力學和催化性質，較大的比表面積以及良好的生物化學活性[3]。

目前商品化多壁碳納米管已經廣泛運用在眾多應用領域，如電子學、光學、生物醫學等。MWCNTs由于其強大的比表面和相互之間的范德華作用，長徑比過大，經常會團聚從而形成致密的網絡，且碳納米管表面缺少親水的官能團，分散性和生物相容性較差，使得其在生物和生物醫學領域的應用受到了各種限制。

碳納米管表面可修飾不同功能的基團，使其與大量活性位點相結合，提供堆疊功能，增加其分散性和生物相容性，成為醫藥領域的研究熱點[4-5]。首先，由于存在較大的長徑比，碳納米管之間存在很強的范德華力，極易產生纏繞團聚，局部區域有凸凹現象，石墨烯結構中的六邊形相連過程中易出現五邊形和七邊形。當MWCNTs端口處出現七邊形時，其表面會凹陷，拓撲缺陷會改變碳納米管的sp2雜化結構，導致電子能帶的改變進一步造成結構的改變，所以MWCNTs管端和側面易于被氧化和表面修飾(圖1)[6]。其次，碳納米管是由單一的碳原子通過sp3和sp2雜化組成，化學活性低，結構穩定，很難與聚合物基體發生化學反應，所以需要對碳納米管進行有效的表面修飾，改善其分散性能，從而發現其潛在作用，拓寬其應用范圍[7-8]。

A：單壁碳納米管；B：多壁碳納米管；C：表面缺陷結構

功能化的過程也有助于將治療分子或配體與碳納米管的表面或末端結合，增強其對靶細胞的活性，本文主要從碳納米管的多種表面修飾及功能化方法方面，探究其在藥物負載中的應用。

1 碳納米管的表面修飾

1.1 共價修飾

利用化學方法，將各種分子基團共價接枝到材料表面是一種重要的修飾手段。如圖2所示，用不同氧化劑處理后，碳納米管表面可能會引入不同的官能團，包括醇類、羧酸類、醛類、酮類和雌激素類的含氧官能團。修飾的方法包括酸化反應、1,3-偶極環加成反應、親電加成反應以及電化學反應等[9]。

圖2 碳納米管共價修飾后表面含氧基團可能存在的結構[10]

根據修飾物的不同，目前研究的共價修飾的MWCNTs的反應條件及目的用途如表1所示。

表1 對MWCNTs共價修飾方法

共價修飾對碳納米管的功能化改性具有重要的作用，一般情況下共價修飾會在碳納米管端口或側鏈上引入—OH或—COOH等含氧基團，同時也會使碳納米管產生破損或斷裂。碳納米管破損(或斷裂)一方面使其細化，另一方面增多了碳納米管中不飽和鍵(π鍵)的碳原子數目，增強了碳納米管自身反應活性。

碳納米管還可以通過不同的方法引入其他基團，運用到藥物載體中。如圖3所示，碳納米管上的羧基可與其他表面活性分子結合，或直接與短肽、蛋白質、抗腫瘤藥(如甲氨蝶呤) 或靶向分子(如葉酸) 的氨基生成酰胺鍵連接。碳納米管載藥系統具有靶向作用，簡單的羧基化MWCNTs改善了生物相容性及分散性，而經葉酸[22]或透明質酸[23]等靶向因子后續修飾后可具有主動靶向作用。孟艾等[22]制備了大內徑多壁碳納米管靶向抗腫瘤藥物緩釋系統，通過聚乙二醇的氨基與靶向分子葉酸的羧基發生酰胺反應，在碳管表面接枝葉酸，利用受體在腫瘤細胞表面高表達的特點，使載體系統具有腫瘤靶向性。

圖3 SWCNTs功能化結構圖[24]

1.2 非共價修飾

非共價修飾保留了碳納米管結構的完整性，不會對碳納米管的固有特性產生較大影響。碳納米管具有非常大的比表面積和較強的吸附活性，表面有高度離域的、穩定的大π鍵，非共價化學改性主要是通過π-π堆積、范德華力、疏水力等弱相互作用力實現，其獨特的優點是簡便易操作且反應條件溫和，在分散碳管的同時不破壞碳管本身的電子網絡結構。非共價修飾主要有三大類，用來包裹MWCNTs的分子通常包括親水性聚合物、表面活性劑和生物分子三大類，分散過程主要通過超聲波、離心和過濾，方法快速而簡單。

表面活性劑的疏水基團能與碳納米管的疏水表面相互作用，而另一端親水基團伸向水相溶液中，使碳納米管表面具備高濃度的親水基團，增強碳納米管親水性，從而提高碳納米管在水中的分散性能，對其起到增溶等效果。表面活性劑能夠滲透質膜，并且具有自身的毒性。因此，表面活性劑與生物系統相互作用的影響可能限制穩定的碳納米管復合物在生物醫學中的應用。

聚合物被廣泛用作藥物輸送的分子載體，在碳納米管的增溶過程中，其成為表面活性劑良好替代品。分散機理基于聚合物纏繞在碳納米管周圍，聚合物的空間排斥作用可提高碳納米管分散性。非離子和陽離子共聚物，如聚乙烯吡咯烷可用于改善分散性，為聚合物碳納米管的藥物載體系統提供幫助[25]。

DNA、核酸、蛋白質等生物分子通過非共價鍵吸附或纏繞在碳納米管表面的方式，能增加碳納米管的生物相容性。其中，碳納米管通過疏水相互作用或電荷轉移相互作用與蛋白質結合，主要與蛋白質中氨基酸殘端相互作用。

2 基于碳納米管表面修飾的藥物負載

碳納米管具有較大的長徑比和比表面積，使其能夠吸附各種治療分子或與之結合。通過適當的功能化，碳納米管可以納米載體等形式用于抗癌藥物、基因和蛋白質的轉運方面，現已成為新的研究熱點[26]。見表2。

2.1 碳納米管荷載化學藥物

通過對碳納米管的結構進行分析，碳納米管層與層之間易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，因而其管壁上通常布滿小洞樣的缺陷，這些缺陷在碳管載藥時可作為藥物進出的通道，可通過連接修飾基團實現藥物的緩釋或控釋。部分藥物分子可以利用碳納米管結構，直接被包于碳納米管腔內或吸附在其碳管內或碳束間，還可以利用共軛作用與功能化的碳納米管外壁結合形成復合物運輸至細胞內部。

表2 碳納米管作為藥物載體研究

載體系統充分利用碳納米管納米材料的性能優勢，克服抗腫瘤藥物在血液中分散性差、體內代謝清除快、穿透細胞屏障能力差等缺點，從而提高腫瘤患者化療效果并最大程度減小化療副反應，減輕患者痛苦。圖4為Khorsand等[34]利用GGA/PBE泛函和DZP基函數，并結合范德華密度泛函計算青霉胺藥物在扶手椅和鋸齒形單壁碳納米管中的包封情況。結果表明，包裹在碳納米管空腔內的藥物呈弱結合，與扶手椅型單壁碳納米管相比，鋸齒形單壁碳納米管更有利于藥物的滲入。

碳納米管具有中空結構、高強度韌性及良好的化學和熱力學穩定性等特點，尤其具有納米尺度的圓柱形孔洞。因此，碳納米管可以利用管體空腔容納藥物分子，而且可在載送過程中保護藥物分子免受破壞。碳納米管作為藥物傳送系統的運輸載體可以避免光敏感性藥物暴露在載體表面而造成的藥物失活。

圖4 青霉胺藥物包裹在碳納米管官腔內[34]

性能優異的抗腫瘤載藥系統除須具有較高的載藥率及合理的藥物釋放模式外，還應具有腫瘤細胞靶向性，碳納米管多應用于抗腫瘤藥物的載體。共價修飾或非共價修飾后的碳納米管均可利用π-π鍵同時連接藥物分子和靶向活性基團，形成一個高效的靶向藥物遞送系統，將一些抗腫瘤藥物如阿霉素類、順鉑等包封后，增加載藥量，并且其載體具有緩釋效果，可顯著地降低毒副作用以及提高治療效率[35]。

2.2 碳納米管荷載大分子藥物

蛋白質等大分子能自發吸附在羧基化碳納米管的側壁上，從而形成蛋白質—CNT共軛物。蛋白質的傳遞由羧基化碳納米管的陰、陽離子所介導，碳納米管可以實現多肽和蛋白質在生物體內的轉運，并在低毒的基礎上保留并促進其原本所具有的生物活性。由于受氨基酸硫原子孤對電子以及甲基氫原子的H-π作用影響，碳納米管與含硫氨基酸側鏈在不同電荷狀態下結構呈現不同的變化。

此外，電荷對碳納米管與芳香環氨基酸側鏈的結合有著很好的調控作用，隨著MWCNTs復合物表面電荷的增多而結合增強。Li等[36]通過實驗研究聚賴氨酸修飾的AFM針尖與羧化碳納米管在不同pH值下的黏附性能，結果證明隨著pH值的降低和氧化時間的延長，聚賴氨酸與碳納米管之間的黏附力增加。見圖5。

圖5 在不同pH值下，聚賴氨酸與羧化碳納米管之間相互作用示意圖[36]

重要的是，碳納米管與芳香環氨基酸側鏈作用時，進行分子軌道分析后發現電荷都聚集在碳納米管表面。這種電子積累說明在蛋白質修飾過的碳納米管電極中，電荷可以通過π-π通道從蛋白質轉移到碳納米管。

分子模擬方法廣泛應用在碳納米材料的生物醫學領域的研究中，可從原子水平上揭示各種物質分子在碳納米管表面的物理行為。如圖6所示，蛋白質吸附能力隨著碳材料的表面曲率減小而增加。蛋白質在碳納米結構上的相互作用和吸附程度主要取決于這些納米材料的表面曲率。研究人員利用基于經驗力場的計算機模擬，使用分子動力學模擬計算兩親性全長淀粉樣β(Ab)肽與SWCNTs凹表面、石墨烯平面、SWCNTs凸表面的結合自由能，發現內(凹)表面對具有代表性的兩親性肽的吸附最為強烈和有效，其次是平面和外(凸)表面。

A：SWCNTs凹表面；B：石墨烯；C：SWCNTs

類似的研究包括通過對SWCNTs與藥物代謝細胞色素P450酶CYP3A4的相互作用[38]進行詳細計算，研究證明單壁碳納米管與CYP3A4之間可直接相互作用(圖7)。因此，可利用碳納米管特性將蛋白質有效遞送至細胞中，保護其免受酶的水解。因此，碳納米管可以攜帶蛋白質類藥物通過細胞內吞作用進入到細胞內。

A：π-π堆積相互作用；B：鹽橋相互作用；C：氫鍵相互作用

2.3 磁性碳納米管的物理化學靶向作用

不同于生物靶向活性分子，磁性靶向物質需要在外加磁場的作用下發揮靶向作用，即以放置于腫瘤部位的磁場為引導，促使載藥系統向該部位聚集。

超順磁性納米粒Fe3O4可以沉積至氧化的碳納米管表面，形成超順磁性碳納米管粒子，即碳納米管-Fe3O4納米復合物。碳納米管負載在剛性基質表面，同時進行親水改性是解決其分散性差、易團聚的有效途徑。將碳納米管與Fe3O4磁性納米粒子復合，制得的磁性碳納米管具有分散性好、比表面積大、吸附性能好、易于實現液固分離等優點。如圖8所示，在外加磁場的作用下，碳納米管-Fe3O4納米復合物發生定向聚集。同理，攜帶抗腫瘤藥物的磁性碳納米管在外加磁場的作用下，可在磁場區域靶向聚集并選擇性地殺死腫瘤細胞[39-40]。

A：制備原理；B：表征；C：未加磁場；D：加磁場后

3 小結

基于碳納米管的自身特性，碳納米管納米材料代表了一類新的藥物載體，可與具有治療活性的分子或蛋白質大分子進行共價和非共價功能化結合進行治療。發展碳納米管潛在應用的同時，碳納米管的安全性是不可忽視的問題。目前，碳納米管的臨床應用前景仍存在一定的缺陷。在藥學領域，對碳納米管細胞毒性研究是對其安全性研究的重點，此方面工作自1991年國內外相關論文約2 800篇。2017年，世界衛生組織國際癌癥研究機構將碳納米管、多壁碳納米管MWCNT-7歸納入2B類致癌物清單中，說明碳納米管在人體內的安全問題仍未完全得到解決。碳納米管的分散性、碳納米的長度以及團聚情況是其經細胞攝取的關鍵，未經任何基團修飾的碳納米管由于高度疏水性，在細胞培養過程中與細胞發生相互作用，與蛋白質、核酸等物質聚合，產生一定細胞毒性。碳納米管毒性的大小不僅會隨孵育時間、濃度分散程度、細胞種類的變化而變化，也與其粒徑、表面積、制備方法、修飾基團等相關。因此選擇合適的修飾方法對碳納米管進行修飾，提高碳納米管的分散性和生物相容性對其在新型給藥系統中的應用有著重要作用。

以碳納米管作為藥物載體，所選擇的藥物必須具有特殊結構，能與碳納米管的官能團相結合，或是藥物的結構能夠與相應的中間連接物反應，通過中間連接物的特殊官能團與碳納米管結合。目前雖已證實多種方法可實現碳納米管的修飾，但對其修飾方法、界面結構、產品特性等知識尚不完善，仍需進一步探討最佳的碳納米管表面修飾位點和飽和度。

值得注意的是，碳納米管在波長808 nm處有熱敏效應且具有良好的導電性能，在腫瘤熱療領域也有一定的應用。通過控釋系統控制碳納米管和藥物在腫瘤部位釋放，在連續的近紅外光照射下，碳納米管的特性可將光能迅速轉化成熱能，使腫瘤細胞因局部過熱而死亡，說明該研究能適用于腫瘤熱療法。

目前研究人員正在不斷探索碳納米管在藥物傳遞方面的潛力，充分了解其相容性的局限性，將有助于碳納米管納米材料載藥系統的合理設計。功能化碳納米管用于藥物輸送的主要目的是增加其在水介質中的溶解度，且功能化碳納米管在生理系統中與原始碳納米管相比更具生物相容性。