这篇最全面！碳纳米管在生物医药领域的应用研究进展

纳米材料是指物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成的且具有特殊性质的材料。碳纳米管是一种新型纳米材料，由碳原子SP2杂化形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。根据管壁层数的差别，一般可以分为单壁碳纳米管，双壁碳纳米管和多壁碳纳米管[1]。研究表明，碳纳米管不仅具有相当高的强度和韧性，还具有优异的电学、磁学以及吸收等性能，在生物医学领域具有广泛的应用前景。

1.碳纳米材料在生物医学领域的应用

1.1组织工程

1.1.1骨组织工程

碳纳米管用作骨组织工程支架[2]，不能进行生物降解，它就像一个惰性框架，细胞可以在碳纳米管表面生长繁殖并形成新的活性物质，再转变成正常的功能性的骨组织。碳纳米管与其他高分子化合物进行复合形成复合支架材料在目前骨组织工程的研究中应用较多。多项研究表明，藻酸盐/SWC-NT支架是可用于组织工程的有前途的生物材料。除此之外，纳米纤维结构的复合材料为细胞生长提供了最好的支架，说明纳米纤维复合物在组织修复和再生方面具有很大的应用潜力。

1.1.2神经组织工程

碳纳米管独特的性质也引起了人们对其在神经组织学[2]领域的研究兴趣。赵文等通过采用副神经缺损的动物模型证实，碳纳米管增强型复合材料能够有效地重建神经缺损的大鼠斜方肌的运动机能，术后再生神经电生理与组织学指标检测结果与自体神经移植材料相当，部分指标结果甚至超过自体神经移植。这些研究表明，碳纳米管增强型复合材料是桥接修复周围神经的理想材料。

然而，纳米管的纤维性质令人对它作为神经假体的安全性产生质疑。为此研究人员改变了纳米管的表面，这样它就可以转变成墨水形式，方便神经的连接。这种墨水可以产生很薄的纯碳纳米管薄膜。该项研究用的神经元是从实验鼠的海马体中获得的，然后它被存放在碳纳米管薄膜里。经过一段时期体温温度下的培养，科学家对细胞的传导性和与碳纳米管表皮的相容性进行测试。研究人员证实，碳纳米管不会干扰构成神经元细胞膜的脂质尤其是胆固醇的成分，因此它被认为是非常安全的。

1.2药物/基因载体

1.2.1药物载体

碳纳米管独特的中空结构和纳米管径，为容纳药物或生物特异性分子提供了有利的空间。无论是将药物吸附到管内，还是键合到表面，都能达到较高的载药物量，同时碳纳米管可以穿过细胞膜，跨越生物体内的多种生物屏障，到达各种器官，最后进入到细胞内部。

碳纳米管的引入能够有效地降低药物的释放速率，提高缓释效果，且不会额外地增加药物载体的细胞毒性。Liu等合成了可以作为抗癌药物紫杉醇载体的聚乙二醇修饰的碳纳米管，结果表明，与紫杉醇相比，碳纳米管载药提高了药物的穿透性及在血液循环中的停留时间，对肿瘤的生长起到了很好的抑制作用，但对正常细胞不产生毒副作用[3]。

1.2.2基因载体

基因治疗的实施，首先需要合适的基因载体[3]，以保护DNA不被核酸酶降解。因此，寻找合适的基因载体是目前基因治疗研究的主要方向。现阶段，碳纳米管在基因转染方面取得了很大的成功。

2004年，Pantarotto等首次报道了碳纳米管转染β-gal基因的例子，发现带正电荷的胺基化多壁碳纳米管转染率高。随后，掀起了碳纳米管在基因转染方面的研究。Zhang等将TERT基因用SWCNTs作载体注射到荷瘤鼠体内，肿瘤的生长也得到了很好的抑制。

1.3生物成像

生物体在近红外区基本不产生荧光，由于SWNTs独特的结构，不需要通过荧光基团对其修饰就能产生较强烈的荧光，且具有较高的抗猝灭和抗光漂白等性能。因此，科研人员研究了碳纳米管在成像方面[4]的应用。

据报道，SWCNTs进入细胞后，其本身带有的拉曼光谱信号及荧光信号能在细胞正常分裂增殖及分化过程中保留达3个月，利用这一特性可以使其作为生物标记物长期跟踪观察。

1.4生物传感器

目前，生物传感器[5]主要有酶生物传感器、免疫传感器和DNA生物传感器。碳纳米管用来修饰电极，可以降低化学物质的氧化还原电位，碳纳米管大的比表面积有利于生物分子的固定化，促进生物活性中心与电极表面的电子传递，因此，碳纳米管在生物传感器方面具有潜在的应用。

朱路等以化学气相沉积法直接合成的碳纳米管无纺布作为电极材料，采用简单的包埋法[6]，通过葡萄糖氧化酶和聚乙烯醇的水溶液固定葡萄糖氧化酶制备生物传感器。结果显示传感器的响应电流随葡萄糖浓度的增加呈线性变化，线性范围为2.5-30.0mmol/L，检出限为2.5mmol/L，响应时间10s，经硝酸处理可进一步提高传感器的响应电流。上述实验表明，基于碳纳米管无纺布的葡萄糖氧化酶生物传感器可实现对葡萄糖的有效检测[7]。

2.碳纳米管的生物安全评价

碳纳米管具有独特的理化性质，在电子、环境和纳米医药等领域的应用潜力巨大，而随之带来的潜在环境与健康危害也越来越受到关注。碳纳米管与细胞的相互作用始于物理接触，随后被细胞摄入、外排或者降解，这些生物过程决定了碳纳米管实际的细胞内暴露量，因而对碳纳米管后续的毒性/生物效应[8]至关重要。全面深入了解这个复杂过程中涉及到的分子机制及后续生物效应，有利于揭示和调控碳纳米管的生物活性，促进碳纳米管技术的可持续发展。

孟洁等制备出碳纳米管/PU复合材料[9]，对其材料局部植入方法对复合材料的生物相容性进行评价。结果发现复合材料无明显细胞毒性，并表现出比PU材料更好的抗溶血性能、动态凝血性能、抑制血小板黏附性能以及组织相容性。证明碳纳米管/PU复合材料具有优良的生物相容性，可以作为制备组织工程细胞生长支架、人工血管、药物载体材料等。

但也有研究发现，羧基化的碳纳米管[10]通过Smad蛋白依赖的BMP信号通路，抑制骨髓基质细胞增殖与成骨分化。Zhang等研究了单壁、双壁、多壁碳纳米管对于原代成骨细胞(OBs)增殖、成骨及成脂分化的影响，发现平均长度为5—15μm的碳纳米管均抑制了OBs的增殖及成脂分化[11]，并且这种抑制作用呈现时间和剂量依赖性。

3.展望

纳米医药的发展取决于有前景的和新颖的纳米材料,而其限制就是毒理学和药理学特性。到目前为止,毒理学和药理学研究表明,与粗的未功能化的CNT相比,功能化的CNT可以开发为纳米药物。功能化后的CNT[12]的水溶性、生物相容性增强,使其通过肾脏的排泄加快,并减少了组织聚积。CNT的开发为用于纳米药物用于诊断和治疗的机会之门已被打开，对其治疗效果的系统研究已在预料之中。

但目前对于碳纳米管的安全性评估机制[13]和标准还很不完善，还有许多尚待解决的问题。这需要化学、生物学、医学、物理、计算机等各个学科的研究人员共同努力，齐心协力来完成这项任务。随着研究的不断深入，碳纳米管将极大地造福于人类。

参考文献：

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