氧化石墨烯在生物醫用材料中的應用研究

孫 彬，徐樂鳳

（泰山科學技術研究院，山東 泰安 271000）

1 研究背景及意義

2004 年，Novoselov 等在實驗室中使用一種簡單的微機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的雙面蜂窩結構，許多人員關注于這樣的結構，在藥物與蛋白質傳遞、再生工程和醫學成像等的生物醫學方向廣泛研究與應用。大多數研究都集中在生物上。由于石墨烯氧化轉化，氧化石墨烯（GO）是石墨烯的多級氧化和超聲提純，它的兩側含有羥基和環氧基，羧基邊界處的活性基團為氧化石墨化合物，具有顯著的表面性質、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的研究領域之一，也是生物醫藥產品中最有效的生物制品之一。

膠原蛋白是醫學領域常用的天然高分子化合物之一，可以作為骨架結構存在于細胞外基質，因為膠原的生物相容性、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，促進細胞存活和生長，許多分子可以與膠原蛋白發生反應，在細胞基質、生物合成和降解過程中發揮生物學作用，因此，膠原蛋白在生物醫學領域是非常需要的。

然而，由于內部膠原機械結構的缺點，如強度不足、降解最小和性能不足以滿足需求，膠原蛋白經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學應用。因此，氧化石墨烯和膠原蛋白在生物領域得到了廣泛的研究和應用，成為該領域的研究中心。在醫學材料的研究中，復合材料往往具有不同的功能，因此生物領域氧化石墨烯的應用，特別是在膠原蛋白相關生物領域的應用，將為生物發展提供新的可能性。本文綜述了氧化石墨的形成和結構，以及氧化石墨在細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用，以及基于膠原損傷的縐狀膠原結構在生物醫學中的應用[1]。

2 氧化石墨烯的生物相容性

2.1 氧化石墨烯（GO）細胞毒性的研究

如果生物醫學物質不用于臨床環境，則應首先根據生物安全標準進行生物學測試，細胞毒性是一個重要的診斷指標。因此，診斷程序之一對于評估物質的細胞毒性很重要。在肺腺癌細胞（A549 細胞）中研究了氧化石墨烯的體外毒性，并對其毒性進行了分析和評估，以確定A549 細胞膜的形態、存活率、死亡率和完整性。結果表明，少量氧化石墨烯（GO）實際上并沒有進入細胞，沒有明顯的細胞毒性，具有良好的細胞親和力。GO 導致細胞內氧化物的依賴性在高濃度下細胞功能輕微喪失。分析結果總結，GO 可被認為是細胞水平上最安全的東西。同時，實驗表明，GO 有利于細胞的生長，作為納米材料，GO 在體內的毒性引起了人們的廣泛關注。一些科學家研究了石墨烯和氧化石墨烯的毒性。適當的研究表明，兩項體內毒性研究是有限的，綜述和分析了氧化石墨烯的毒性及其表面（化學結構和涂層性能）、尺寸、層理度和細胞類型，以及運輸方式、劑量、暴露時間和體內摻入量。通過對人皮膚細胞（crl-2522）中GO 的細胞毒性和生物氧化石墨（rgo）的研究表明：mtt 法不適合于實驗性細胞毒性分析，因為石墨烯產生了錯誤的結論[2]。

因此，氧化石墨對細胞的毒性和一系列與生物安全及氧化石墨毒性相關的因素有關，應仔細考慮和評估GO。為了研究GO 在生物醫學特性中的多種用途，應根據實際情況和實驗條件確定其細胞毒性的測試和研究方法。這對于在醫療設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中可有效促進適當的身體功能。為了研究GO 的生物相容性，對人成纖維細胞進行細胞毒性試驗，通過動物實驗研究GO 對小鼠重要器官壽命的影響。實驗研究表明，低劑量GO 對小鼠無毒害，高劑量GO 有慢性毒害。在本例中，4/9 的小鼠死亡并出現肺肉芽腫。通過上述實例可得出GO 對動物和人的劑量應考慮GO 與自然的相容性。對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 使用人血細胞和臍帶細胞（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，結果表明，即使在高濃度下，溶血率也很低（＜1.8%），細胞毒性分析也表明HUVEC 物質與細胞有良好的相關性。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 聚乙二醇在體內的細胞毒性相似，結果表明，在體內go-peg 和go-paa 的主要毒性物質在小體積時毒性較大，GO-PAA在體內外的生物學上是最可接受的[3]。

氧化石墨的細胞毒性和生物相容性研究有限，大量的研究和文獻指出了石墨在生物醫學材料中的潛力，可以檢測到石墨的生物相容性。基于此，類似于在醫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，氧化石墨烯納米材料由于其尺寸大和獨特的物理化學性質，在載藥、基因傳遞等生物醫學領域取得了長足的進步，具有強大的負載能力，可用于可控的藥物傳遞系統。

3.1 腫瘤藥物遞送載體

采用先進的錘擊法，將石墨作為氧化合成石墨的原料，與氯酸（CA）等抗癌藥物結合使用。合成了氯氫酸-氧化石墨烯GO-CA 納米復合材料，拉曼光譜證實了該復合材料與氯酸的有效結合。通過GO 和CA 之間的氫鍵和π 鍵的相互作用，對其紅外光譜和x 射線衍射進行了分析。分析發現，可見紫外光譜表明復雜的釋放曲線在pH 條件下具有良好的依賴性和穩定性；此外，與對照藥物相比，抗癌納米復合材料具有穩定性。體外細胞毒性試驗結果表明，當正常細胞無明顯細胞毒性時，GO-CA 納米材料的濃度為50 μ。正常細胞存活率為50%。由于n-異丙基酰胺（NIPAM）在石墨氧化鏈中與丙烯酸（AA）結合，對癌細胞株、肺癌上皮細胞株A549 和宮頸癌細胞株具有較高的毒性。在納米凝膠中加入強力霉素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，高溫條件下不發生爆炸，其他相關研究表明，含GO 的藥物具有良好的生物導向性[4]。

3.2 化學合成藥物的負載

此外，GO 還可用于裝載含有化學物質的藥物。氟尿嘧啶（5-Fu）是β-環糊精（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。按標準曲線加載率為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，防止藥物在體內蓄積，同時提高藥物穩定性，減少5-Fu 對胃腸道的刺激。在動物實驗中比較負載GO 的5-Fu 本身對腫瘤細胞的殺傷效果，發現含有GO-5-Fu 的能力相同量的藥物，殺死4T1 乳腺癌細胞的效果比5-Fu 本身要高很多，裝藥后，可以提高藥物的療效。

3.3 傳統中藥的負載

GO 也在進行中藥裝載的研究。

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定性。根據預先準備好的標準曲線計算，PEG-GO 藥物的加載率為18%，在A549 細胞中，100 mg/L 的PEG-GO 在48 h 后達到85%以上的細胞活性，表明PEG-GO 的細胞毒性較低，制備48 h，用細胞學方法檢測A549 對肺癌細胞的毒性，移動組細胞存活率為28.5%。PEG-GO 負載下毛萼乙素的細胞存活率僅為21.8%，表明這些物質對A549 細胞有明顯的影響。GO 衍生物在其他藥物中的具體情況[5]，見表1。

表1 GO 在藥物傳遞中的應用

3.4 基因遞送載體

直接基因轉移可用于治療人類和遺傳性疾病，也可用于治療保護DNA 免受核酸酶損傷的載體。聚氯乙烯（pvc）是應用最廣泛的納米材料，然而，PEI 的生物相容性和細胞毒性均低于純PEI。Go-pei 具有較低的細胞毒性和較高的疾病傳播效率，作為一種合適的基因載體，小分子靶點通常較小，易于在短時間內被生物體吸收。將載體分子安全地轉移到靶位是非常重要的，氧化石墨烯是值得被選擇的。據報道，GO 可以成功地將分子信標（MBS）傳遞到在太空中直接檢測到生物分子的細胞。以往的研究表明，氧化石墨通過不適當的吸附和疊加可以合成單鏈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核酸免受酶的破壞，并且可以將單鏈DNA 移動到細胞中。具有GO 納米結構圖案的基板旨在創建一個在多個細胞系中按基因序列順序進行基因修飾的系統，系統使用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和化學品[6]。

3.5 藥物控釋

為了在正確的時間以正確的數量遞送藥物，已經開發出可以在內部（體溫、pH、某些化學反應）或外部（使用超聲波、磁場）發生反應的新藥物載體。曾報道了一些基于GO 的環境友好型藥物輸送計劃，如果藥物通過pH 敏感傳感器附著在藥物載體上，藥物的釋放可以通過控制局部pH 值來控制。這一簡單的程序有效避免了不良藥物在運輸過程中的釋放。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。開發了作用于磷脂膜的單層氧化石墨烯，新型的納米復合材料顯示出受pH 值調節的藥物釋放，并具有70%的負載能力[7]。

此外，利用電場、超聲波等便攜式技術促進納米材料釋放的概念得到了成功的應用，提出了一種簡單的制備go/Fe3O4化合物的方法，使磁場易于控制藥物的釋放外部，高達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。應特別注意傷口涂層中石墨的氧化，以刺激皮膚組織的細胞生長和再生，同時石墨本身具有抗菌和抗炎的作用，這對活性涂層非常重要，可增加石墨氧化物的用量[8]。

3.6 免疫增強劑

納米等級材料的化學成分、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際應用前景。與此同時，科學研究表明免疫器官是納米級別雷克在全身分布的核心部位[9]。以GO 作為核心的納米級別材料可有效對免疫細胞的發育進程進行專項調控，同時誘導小鼠的肺部炎癥。近幾年來的一些專業研究，也充分證明GO 展現出了較為顯著的免疫增進效果。所以，GO 及免疫系統之間的互為作用也受到了深入的關注。

不過，在GO 被運作為免疫增強劑的過程之中，機體會進一步出現氧化應激等多樣化的負面化作用。所以，亟需進一步研發負面作用相對較低且立足于氧化石墨烯的專項免疫佐劑[10]。

3.7 光熱學專項治療

氧化石墨烯與生物醫療的有效結合，也有著非常可觀的應用意義，比如在光熱化治療過程中，尤其整體光熱轉化性能，在紅外激光照射下迅速產生較高的溫度，以實現對有害細胞的清除。特別是諸如挑選應用卟啉修飾氧化石墨烯，從而可以獲取PGO，專業的醫學研究已經證明，在紅外激光照射的整體影響之下，PGO 的光熱轉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胞，同時不會給良性的細胞帶來負面性影響。

而在光動力學的具體治療中，氧化石墨烯可以作為高效化的載體，例如可有效結合應用甲氧基聚乙二醇修飾NGO 負載光敏劑酞菁鋅，所形成的負載率非常可觀，在被專項細胞內涵之后，可展現出較為顯著的消毒特性[11]。

3.8 氧化石墨烯應用于抗菌材料

生物醫學領域之中抗菌材料的應用極具廣泛性特征，也是重要的醫用材料代表，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菌的滋生，不過仍然有相對較多的材料存在運作成本相對較高的問題，對于氧化石墨烯而言，因為其本身便具有較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，對于此，相關的醫學科技工作人員也展現了專項的探究，也全面驗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合物，而相關的復合物也具有著優異的抗菌功能[12]。

4 結束語

因此，對氧化石墨烯（GO）的生物安全性研究證實，氧化石墨烯對人體具有毒性，按體積計，低濃度時無明顯毒性，表明其生物相容性良好。現代氧化石墨烯的價格降低了材料成本，因此在生物領域中，氧化石墨的研究和應用將大大增加。然而，氧化石墨烯的毒性尚未達成共識，如果要在成熟的臨床環境中使用，仍需要深入的GO 生物安全性研究。