碳納米管在藥物載體領(lǐng)域的應(yīng)用

鮑 群

(江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學(xué)校 江蘇徐州 221116)

碳納米管在藥物載體領(lǐng)域的應(yīng)用

鮑 群

(江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學(xué)校 江蘇徐州 221116)

醫(yī)學(xué)中開發(fā)新型藥物載體對研究藥物具有重要作用，作為一種具有獨(dú)特納米管徑與中空結(jié)構(gòu)的碳納米管，可將其納入藥物載體范疇，以核酸、蛋白、藥物分子以及肽所修飾的新型碳納米管為載體，將生物活性分子運(yùn)載至細(xì)胞中，而且不會產(chǎn)生毒性。本研究主要對碳納米管在藥物載體領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析與探討。

藥物載體；碳納米管；應(yīng)用

通過納米棒、納米粒子、納米管或者納米線等納米材料將生物活性分子包覆起來實(shí)現(xiàn)其載運(yùn)，是一種能夠有效避免生物體降解生物活性分子的一種有效方法，而碳納米管就是這樣一種納米材料。碳納米管的很多物理化學(xué)性質(zhì)都比較吸引人，像：質(zhì)量輕、電導(dǎo)率高以及機(jī)械性能高等。碳納米管表面很容易發(fā)生功能化，提供了有利的功能化修飾碳納米管的平臺。因?yàn)樘技{米管本身屬于中空結(jié)構(gòu)，而且其內(nèi)部空腔能夠融入很多藥物，一經(jīng)打開碳納米管兩端，其開放端就會成為對藥物釋放進(jìn)行控制與治療的唯一通道[1]。本研究主要對碳納米管在藥物載體領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析與探討。

一、碳納米管的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)

碳納米管，也稱巴基小管，這種材料在醫(yī)學(xué)中是極為重要的一種現(xiàn)代化納米材料，碳納米管的結(jié)構(gòu)類似于石墨、球烯等，而且和石墨、金剛石以及富勒烯同為碳的同素異形體。根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分，可將碳納米管具體分為單壁碳納米管與多壁碳納米管。大量柱狀碳管同軸套合共同組成多壁碳納米管，其直徑小則幾納米，大則幾十納米，但是碳納米管的長度卻僅有幾毫米，3～ 50層的碳納米管層數(shù)，層間距大約是0.33nm；單層碳原子通過饒合形成單層碳納米管，其直徑小則零點(diǎn)幾納米，大則幾納米，幾十微米的長度，其單一性與對稱性比較好。碳納米管中碳原子的主要作用是sp2雜化，并由很多芳香結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成碳原子表面，其比表面積相對來說比較大，可以和多種有機(jī)、無極分子通過非共價(jià)或者共價(jià)等方式相結(jié)合。碳納米管這些極具獨(dú)特性的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)使其成為轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)體藥物的重要載體。

可將碳納米管視為石墨片圍繞中心軸根據(jù)一定螺旋角度不斷纏繞所形成的一種無縫圓筒，且該材料碳原子間屬于sp2雜化，其典型特征為層狀中空結(jié)構(gòu)，0.8～30nm的管徑，微米量級長度，碳納米管本身為多邊形結(jié)構(gòu)，并由六邊形碳環(huán)共同組成，由富勒烯半球形端帽對碳納米管兩端進(jìn)行封口。雖然碳納米管本身的原子結(jié)合形態(tài)與化學(xué)組成都極為簡單，但是卻具有多樣化結(jié)構(gòu)與化學(xué)、物理等多種性能，該材料的碳原子間采用自然界中具有最強(qiáng)化學(xué)鍵彼此連接，碳納米管的強(qiáng)度相當(dāng)于鋼強(qiáng)度的100倍，但是密度卻只有鋼密度的1/6,由此可見其韌性、軸向強(qiáng)度以及彈性模量等都比較高， 碳納米管的楊氏模量相當(dāng)于金剛石，最高彈性應(yīng)變?yōu)?2%，其能隙寬度能夠由零之間擴(kuò)展到等同于硅，碳納米管的導(dǎo)電性能位于半導(dǎo)體與導(dǎo)體間。因?yàn)殡娮颖旧砹孔佑虻南拗?，所以在石墨片中，電子僅可以順著碳納米管實(shí)施軸向運(yùn)動，所以碳納米管的電學(xué)性能相對較為獨(dú)特[2]。此外，碳納米管尖端曲率半徑為納米尺度，在電壓較低情況下可以將大量電子發(fā)射出來，所以，碳納米管本身場致發(fā)射特性較為優(yōu)良。碳納米管具有6600W/(m·k)的軸向?qū)嵯禂?shù)，達(dá)到自然界導(dǎo)熱材料最高值，屬于一種最為高效的電子散熱材料。碳納米管的光致發(fā)光效應(yīng)、輝光效應(yīng)以及電致發(fā)光特性等性能也較為獨(dú)特。

二、納米藥物載體的分析與研究

從根本上說，碳納米管可以載運(yùn)核酸、肽段及蛋白等生物活性分子至機(jī)體細(xì)胞中，而且不會有毒性產(chǎn)生，所以，碳納米管是治療腫瘤的一種有效載體。

(一)肽段

分子生物學(xué)中，肽段發(fā)揮著不可缺少的重要作用。肽段能夠共價(jià)鍵合至碳納米管表面，而且可以確保其免疫學(xué)性能不變，肽段能夠使碳管處于分散狀態(tài)，以此在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得以應(yīng)用。Pan taroto于2004年通過共聚焦熒光顯微鏡對碳納米管吧小肽段運(yùn)載至機(jī)體細(xì)胞的整體過程進(jìn)行觀察，該科研成果為后來學(xué)者研究該領(lǐng)域奠定了良好的基礎(chǔ)。

(二)蛋白

可利用共價(jià)作用力或者非共價(jià)作用力，使蛋白質(zhì)與碳納米管表面相連接，并利用聚合物與表面活性劑功能化碳管以對碳管表面蛋白非特異性吸附進(jìn)行有效抑制。一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管可以有效地以細(xì)胞內(nèi)吞方式將蛋白質(zhì)運(yùn)至機(jī)體細(xì)胞中，而且各蛋白質(zhì)可以通過其非特異性作用與碳管表面相吸附，在進(jìn)入機(jī)體細(xì)胞后，可以將其生物學(xué)功能充分發(fā)揮出來。

(三)核酸

生物醫(yī)學(xué)方面，核酸具有極為重要的作用。到目前為止，研究發(fā)現(xiàn)有超過1900種的遺傳并與患者DNA結(jié)構(gòu)有關(guān)，且病毒感染、腫瘤及射線作用于機(jī)體等均與核酸存在很大關(guān)聯(lián)性。利用共價(jià)鍵能夠在碳管表面連接核酸，可以選擇性和DNA分子實(shí)施雜交。

三、碳納米管在藥物載體領(lǐng)域的應(yīng)用

(一)碳納米管是一種藥物載體

作為一種藥物載體，對碳納米管的生物相容性與毒性進(jìn)行考察。藥物研究學(xué)者Ajima與Smart等人對碳納米管毒性進(jìn)行了概述，提出碳納米管能夠產(chǎn)生毒副作用，具體包括皮膚刺激性、肺部毒性以及細(xì)胞毒性等。以往碳納米管本身的毒副作用主要源自在對其制作時(shí)所應(yīng)用的金屬催化劑，但是制備過程中化學(xué)修飾能夠?qū)⒔饘俅呋瘎┯行コ?，還能將生物活性分子引入，所以，對碳納米管本身生物相容性具有有效改善作用。將碳納米材料視為藥物載體的另一個(gè)原因是，碳納米材料能夠穿透細(xì)胞。一些學(xué)者通過氧化碳毫微角運(yùn)載順鉑，在氧化碳毫微角管體中填埋順鉑，并在細(xì)胞培養(yǎng)介質(zhì)與磷酸鹽緩沖液中逐漸釋放順鉑，對機(jī)體肺癌細(xì)胞具有抑制性作用，但是原始碳納米管卻不存在以上特性，由此充分說明，化學(xué)修飾對碳納米管某些屬性具有改善性作用，是一種重要的藥物載體[3]。

(二)碳納米管是一種基因與疫苗載體

在載體領(lǐng)域，基因載體始終是其科研的重點(diǎn)與難點(diǎn)。機(jī)體內(nèi)生物免疫系統(tǒng)響應(yīng)與分子底物相結(jié)合的病原體，以對其自身基因進(jìn)行保護(hù)，完成識別后復(fù)制進(jìn)入細(xì)胞中的病原體。通過有效載體，順利帶入病原體，而碳納米管其實(shí)就是此類基因載體。

藥物載體中，應(yīng)用碳納米管受到藥物學(xué)界的廣泛關(guān)注，通過各種修飾方法或者偶聯(lián)各生物活性分析，修飾后的新型碳納米管形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、細(xì)胞穿透能力、溶解性與細(xì)胞生物活性有所不同。碳納米管表面具有比較強(qiáng)的疏水性，而且化學(xué)修飾對其溶解性具有非常明顯的改善性作用。作為一種具有獨(dú)特納米管徑與中空結(jié)構(gòu)的碳納米管，可將其納入藥物載體范疇，以核酸、蛋白、藥物分子以及肽所修飾的新型碳納米管為載體，將生物活性分子運(yùn)載至細(xì)胞中，而且不會產(chǎn)生毒性。現(xiàn)階段的科研領(lǐng)域大部分都在碳納米管本身化學(xué)修飾方面集中，將碳納米管修飾技術(shù)應(yīng)用于藥物載體中與碳納米管細(xì)胞內(nèi)毒性目前還缺乏研究力度，未來還需要進(jìn)一步開展碳納米管的深入性研究工作。此外，相應(yīng)科研成果對載體通過碳納米管篩選修飾基團(tuán)與修飾方法具有促進(jìn)性作用，直接通過藥物對碳納米管進(jìn)行修飾，能夠?qū)烧邇?yōu)勢充分發(fā)揮出來，彌補(bǔ)彼此不足，此為今后藥物載體領(lǐng)域研究工作的主要方向。

總而言之，受到藥用載體安全性與特殊性的制約，在藥物載體方面應(yīng)用碳納米管到目前依舊處在科研階段，但隨著制備生物活性修飾碳納米管與研究碳納米管生物毒性的不斷深入，今后高效、低毒修飾碳納米管材料有望在藥物臨床中應(yīng)用。

[1]孟潔,郭小天,孔樺,等.碳納米管/聚氨酯復(fù)合材料的制備及生物相容性評價(jià)[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床,2010(09):120-121.

[2]黃海濤,翟智,惠忠英,等.碳納米管復(fù)合海藻酸微球藥物載體的釋藥性能[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版),2010(03):147-148.

[3]于金剛,黃可龍,楊巧勤,等.碳納米管作為藥物載體的研究進(jìn)展[J].藥學(xué)學(xué)報(bào),2008(10):155-156.

Application in the field of carbon nanotubes in drug carrier

Bao Qun
(Xuzhou Pharmaceutical Higher Vocational Schools, Xuzhou Jiangsu, 221116, China)

Development of novel drug carrier in the medicine plays an important role in the study of drug,as a kind of unique nanometer pipe diameter, and hollow structure of carbon nanotubes can be included in the category of drug carrier. With nucleic acids, proteins and drug molecules, and peptide modified by the new type of carbon nanotubes as the carrier, bioactive molecules carry to cells, and does not produce toxic. This study mainly analyzes and discusses the application of carbon nanotubes in the field of drug carrier.

drug carrier; carbon nanotubes; application

R318.08

A

1000-9795（2014）09-000322-02

[責(zé)任編輯：劉 乾]

鮑 群(1981-)，女，江蘇邳州人，江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學(xué)校講師。研究方向：藥物分析、化工分析。