石墨烯及其衍生物類藥物載體的研究進展

王倩，李晴，吳庭芳，郭秋爽，許艷玲

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石墨烯及其衍生物類藥物載體的研究進展

王倩，李晴，吳庭芳，郭秋爽，許艷玲通信作者

（天津農(nóng)學院基礎科學學院，天津 300384）

石墨烯作為碳材料的新成員，從2004 年被發(fā)現(xiàn)至今，已引起了科學家的極大興趣。石墨烯是處于蜂窩狀晶體點陣上的碳原子以sp2雜化鏈接形成的單原子層二維晶體，具有許多獨特的理化性質，已成為當前研究的熱點之一。石墨烯及其衍生物在載藥方面的應用正處在探索階段，當前，根據(jù)實際需求對石墨烯及其衍生物進行藥物載體方面的研究是一項極富挑戰(zhàn)性的工作。本文重點介紹了石墨烯尤其是氧化石墨烯應用于藥物載體方面的最新研究進展，指出了目前石墨烯類材料在藥物載體應用中存在的問題，并對其發(fā)展進行了展望。

石墨烯；氧化石墨烯；藥物載體

2004年，Andre K. Geim等人成功制備出石墨烯（graphene）[1]后，由于石墨烯獨特的結構和優(yōu)異的性能，吸引了眾多的科研工作者對其進行研究。目前，科研工作者對石墨烯的研究已經(jīng)從最初主要集中在物理學、化學和材料學[2-5]研究領域，慢慢發(fā)展到生物醫(yī)學等更多的研究領域。這主要歸功于石墨烯及其衍生物的許多優(yōu)良特性，如：大的比表面積、優(yōu)良的可修飾性和易于與帶芳環(huán)藥物結合等。近年來，石墨烯及其衍生物在生物醫(yī)學領域特別是藥物載體方面的研究取得了很大進展[6-12]。

1 石墨烯及其衍生物簡介

1.1 石墨烯（graphene）

石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的具有二維蜂窩狀網(wǎng)格結構的一種碳材料，整個片層間是由sp2雜化的碳原子所構成的大π鍵組成，大π鍵中的電子能在同一層中發(fā)生非定域的運動，是目前最理想的二維納米材料，也是構建其他維數(shù)碳材料的基本單元[13-14]。石墨烯的單層厚度為0.34 nm，納米尺度的石墨稀一般是指由少數(shù)幾層（不超過10層）或者單層的石墨烯構成的石墨烯結構。石墨烯有許多優(yōu)異的性質，如高度共軛結構、極高的比表面積、極強的力學性能等，這些優(yōu)良的性能使其在復合材料、電子器件、鋰離子電池、超級電容器、儲氫材料等方面有廣闊的應用前景。由于石墨烯具有極高的比表面積并且具有大量的 π—π結合位點，兩面都可以吸附含芳烴的分子，因此能夠高效吸附許多芳香族藥物，這使其在藥物載體領域具有潛在的應用前景。但石墨烯表面呈惰性，水溶性很低且生物相容性不理想，真正應用做為藥物載體，一般需要用到石墨烯的一類重要衍生物——氧化石墨烯[15]。

1.2 氧化石墨烯（graphene oxide, GO）

氧化石墨的研究歷史大概可以追溯到 19 世紀中期，從 Brodie 首次成功制備氧化石墨開始，科學家們對氧化石墨的研究已延續(xù)至今。制備氧化石墨的常用方法主要包括Brodie方法、Staudenmaier方法和 Hummers方法，3種方法的基本原理都是利用強酸處理石墨粉，得到石墨層間化合物，然后用強氧化劑對各化合物進行氧化處理[16-20]。其中，Brodie 法是用發(fā)煙硝酸和氯酸鉀作為氧化劑處理石墨粉；Staudenmaier 法采用濃硫酸和發(fā)煙硝酸的混合物處理石墨；Hummers 法則是利用濃硫酸、硝酸鈉和高錳酸鉀作為氧化劑對石墨粉進行處理。3種方法中，Hummers法反應簡單，安全性高，反應時間短、對環(huán)境污染小，是目前比較常用的方法。石墨粉與強氧化劑發(fā)生氧化反應，氧原子進入石墨的片層中間，使石墨片層內(nèi)的π鍵斷裂，生成大量羧基、羥基、環(huán)氧基等基團。這些含氧基團與石墨層面中的碳原子相連，所連位置雖然并不絕對，但是也存在著一定的規(guī)律，比如環(huán)氧基和羥基分布在氧化石墨烯的表面，而羧基則主要分布在氧化石墨烯的片層邊緣[21]。

由于大量含氧基團的存在，使氧化石墨具有水溶性，具有水溶性的氧化石墨經(jīng)過超聲振蕩處理后被分散成氧化石墨烯。一方面，氧化石墨烯仍然是由sp2雜化的碳原子所構成大π鍵結構，這使得它可以吸附具有類似結構的藥物分子，同時，氧化石墨烯具有巨大的比表面積，因此具有很高的吸附藥物分子的能力。另一方面，大量的含氧基團不僅賦予了氧化石墨烯好的水溶性，還賦予其良好的可修飾性，能夠進行各種修飾，使其能夠在環(huán)境響應和靶向性等方面有所作為。

1.3 石墨烯的發(fā)展前景

關于石墨烯功能化及其相關應用的研究在十幾年中已經(jīng)取得了很大的進展。據(jù)了解，石墨烯的價格曾經(jīng)是黃金價格的10倍左右，大概達到5 000元/g，隨著石墨烯制備工藝的發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，目前最低價位已降到3元/g左右。不論價格如何，預期石墨烯及其衍生物將對人類的生活產(chǎn)生深遠的影響。由于石墨烯廣泛的應用前景，使得歐盟、英國、韓國、中國等主要國家和地區(qū)將石墨烯及其衍生物的相關研究列為重要科研項目，如歐盟委員會將石墨烯作為未來新興旗艦技術項目; 英國政府也投資建立國家石墨烯研究所; 韓國計劃在2012—2018年投入石墨烯相關項目，預計達2.5億美元。同時，我國的科研院所也對其展開大規(guī)模研究，我國申請石墨烯的相關專利大約占到了全球的50%以上。雖然目前石墨烯相關領域取得的研究成果還處于實驗室階段，但是石墨烯大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化正在不斷的摸索之中?？梢灶A見，在“十三五”期間，我國的石墨烯產(chǎn)業(yè)可望取得快速發(fā)展，并拉動包括新能源、新材料以及交通運輸、電力等諸多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2 石墨烯及其衍生物類藥物載體

2.1 納米藥物載體概述

納米級藥物載體是一種屬于納米級微觀范疇的亞微粒藥物載體輸送系統(tǒng)。將藥物包封于亞微粒中，可以調節(jié)釋藥的速度，增加生物膜的透過性、改變其在體內(nèi)的分布、提高生物利用度等。其尺度范圍一般在10～1 000 nm之間，目前用做納米級藥物載體的材料一般有天然高分子、聚合物膠束、聚合物水凝膠、納米介孔二氧化硅等[22]。石墨烯及其衍生物用于納米藥物載體是近幾年的新興研究領域。氧化石墨烯表面及邊緣的各種羧基、羥基和環(huán)氧基等基團能夠與其他的化學官能團進行?；?、酯化等共價反應，表面的基團還可以進行π—π堆積、離子反應等非共價反應。通過這些反應，科學家們將天然高分子或聚合物修飾在氧化石墨烯上，或者將納米二氧化硅或磁性材料等與氧化石墨烯復合制備得到復合材料，廣泛了研究了氧化石墨烯在納米藥物載體方面的應用可能性。

2.2 石墨烯及其衍生物類藥物載體研究進展

2.2.1 聚合物修飾氧化石墨烯類藥物載體

Liu等人利用六臂聚乙二醇星型聚合物上的端氨基與氧化石墨烯上的羧基反應，制得PEG 功能化的GO，并用于藥物遞送研究[6]。發(fā)現(xiàn)用PEG功能化的GO可通過非共價結合來攜載抗癌藥物 SN38，增大其溶解度，并在體外試驗中證明該納米復合物可被細胞攝取。

Sun等人也研究了聚乙二醇化的納米氧化石墨烯作為抗癌藥物載體，通過非共價鍵吸附抗癌藥物[23]。同時功能化的氧化石墨烯具有生物相容性，且無毒，可以高效地負載抗癌藥物。

Gao等人采用“一鍋法”，通過單電子轉移活性聚合的方法，制備得到了表面修飾有聚合物的氧化石墨烯藥物載體[24]。制備過程是以聚（乙二醇）甲基丙烯酸甲酯為單體，以11-溴代十一酸為引發(fā)劑，制備得到的復合物具有高的水分散性，良好的生物相容性和高的藥物負載率，在生物醫(yī)藥領域具有潛在的應用前景。

Pan等人通過點擊化學在石墨烯（GS）上共價接枝溫度響應的聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM），聚合物含量達約50%[25]。所得到的復合物PNIPAM-GS在33 ℃發(fā)生相轉變，具有溫度敏感特性。PNIPAM-GS能夠通過π—π作用吸附抗癌藥物喜樹堿 （CPT），負載率達到15.6%。

2.2.2 天然高分子修飾氧化石墨烯類藥物載體

Liu等人采用綠色簡單的方法，將剝離的氧化石墨烯還原，制得淀粉修飾的石墨烯納米片結構。在此過程中，可溶性淀粉既是還原劑，也是防止氧化石墨烯再聚集的納米表面保護劑[26]。細胞毒性試驗顯示，該淀粉修飾石墨烯納米材料對SW-620細胞無生物毒性。通過物理吸附負載羥基喜樹堿（HCPT），顯示該材料具有較高的藥物負載率。

曹秀芬等制備出乳糖?；瘹ぞ厶切揎椀难趸┘句@鹽，用作基因和抗腫瘤藥物載體[27]，分別將抗腫瘤藥鹽酸阿霉素（DOX）和熒光素標記的DNA（FAM-DNA）負載與該載體上，對其負載量進行了測試。同時，還研究了人肝癌細胞（QGY-7703）對FAM-DNA的攝取情況，并對載體進行了細胞毒性測定。試驗結果表明，得到的乳糖?；瘹ぞ厶切揎椀难趸┘句@鹽作為基因和抗腫瘤藥物載體，具有優(yōu)良的載藥性能和較低的細胞毒性。

Bao 等人通過簡單的酰胺化反應完成殼聚糖（CS）在GO上的共價接枝，制備了含約 64% （質量比） CS的GO-CS復合物[28]，賦予了該復合物良好的水溶性能。該復合物能夠負載水溶性差的藥物喜樹堿（CPT），試驗結果表明，與傳統(tǒng)的CPT藥物相比，復合物GO-CS-CPT對于人肝癌細胞HepG2細胞和子宮頸癌細胞HeLa細胞具有更強的細胞毒作用。同時，GO-CS復合物還能夠與質粒DNA（pDNA）復合得到穩(wěn)定的納米復合物，所得到的GO-CS/pDNA納米粒在HeLa細胞具有一定的轉染效率。

蔣雷等采用層層自組裝法，以氧化硅微球為模板，制備了CS/ GO微球，去核后，成功地制備了CS/GO中空微膠囊[29]。 試驗結果表明，CS/GO中空微膠囊具有完整的中空結構，增加包裹層數(shù)和提高包裹溶液中的CS濃度，能夠增加囊壁厚度。經(jīng)交聯(lián)處理后，CS/GO微膠囊的囊壁更加致密和完整，對布洛芬的載藥率有很大的提高，布洛芬的釋藥時間也被延長。

2.2.3 二氧化硅與氧化石墨烯復合類藥物載體

相昊天等在經(jīng)氨基修飾的SiO2微球表面包裹GO，制備核殼結構的SiO2-NH2-GO復合微球[30]。SiO2-NH2-GO 復合微球具有良好的單分散性（粒徑約為550 nm），并且GO均勻地包裹在SiO2表面。與 純SiO2相比，SiO2-NH2-GO通過布洛芬溶液浸泡載藥的載藥率有了較大提高，從42.9%提高到68.8%，且表現(xiàn)出更好的緩釋性，24 h 累積釋藥量達到92%，給藥時間延長20 h左右。表明SiO2- NH2-GO復合微球有望成為一種新的藥物載體。

Ali Pourjavadi等制備了一個核殼結構的納米藥物載體，該載體以具有pH值響應功能的基于CS的超分子聚合物為殼，以包裹了介孔SiO2的磁性氧化石墨烯為核（Fe3O4@GO@mSiO2）[31]。該載體負載阿霉素的控制釋放試驗結果表明，在pH為5.5時，阿霉素的藥物釋放量最大。該載體在癌癥治療領域具有潛在的應用前景。

2.2.4 磁性材料與氧化石墨烯復合類藥物載體

Wang等人通過聲化學的方法制備得到了超順磁鈷鐵氧體/氧化石墨烯納米復合體（CoFe2O4/GO），該復合體CoFe2O4/GO既具有核磁成像的功能也具有藥物控制釋放的功能[32]。96 h高濃度處理CoFe2O4/GO顯示出很低的生物毒性。該復合物CoFe2O4/GO能高效負載阿霉素，負載量能達到1.08 mg/mg。

3 小結

綜上所述，科學家通過將天然高分子或聚合物修飾在氧化石墨烯上，或者是將納米二氧化硅或磁性材料等與氧化石墨烯復合，制備得到了一系列具有良好應用性能的藥物載體。這些藥物載體被廣泛用于體外和體內(nèi)的生物醫(yī)學研究，在藥物控制釋放、核磁成像以及癌癥治療等多方面具有潛在的應用前景。但是，石墨烯及其衍生物在載藥系統(tǒng)中的應用研究仍存在一定的局限性和不確定性。首先，石墨烯材料在生物體內(nèi)的長期毒性的研究仍需完善，石墨烯材料在人體內(nèi)的細胞吞噬機制和體內(nèi)代謝途徑需要系統(tǒng)進行研究。其次，石墨烯材料與藥物分子的相互作用機制需要更加深入的研究，以便最終不僅能夠實現(xiàn)體外石墨烯材料對于藥物的高效負載，還能夠實現(xiàn)藥物在進入人體內(nèi)的可控釋放。總之，功能化的石墨烯及其衍生物在藥物載體方面的應用既存在機遇也有很大的挑戰(zhàn)，必將成為日后載藥系統(tǒng)研究領域的熱點之一。

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責任編輯：宗淑萍

Research Progress of Graphene and Its Derivatives Used as Drug Carrier

WANG Qian, LI Qing, WU Ting-fang, GUO Qiu-shuang, XU Yan-lingCorresponding Author

（College of Basic Science, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

As the new member of the carbon materials, graphene has brought up great interest of scientists since it was found at 2004. Graphene is a kind of two-dimensional crystal of a single atomic layer which has a honeycomb crystal lattice of carbon atoms in a sp2hybrid link formation, exhibits many unique physical and chemical properties and excellent performance due to the unique structure. The current studies on graphene and its derivatives mainly concentrated on the field of the physics, chemistry and materials science. The application of graphene and its derivatives on medical materials and drug delivery is still in exploring stage and regarded as a challenging work. In this paper, the latest research progress in the application of graphene and its derivatives in drug carrier are mainly introduced. The existing problems in the application of graphene materials in drug carriers are also pointed out and the possible development is prospected.

graphene; oxide graphene; drug carrier

1008-5394（2017）01-0088-05

O613.71

A

2016-07-04

國家自然科學基金青年項目“具有開關功能胰島素載體的制備及其葡萄糖響應性的研究”（21404082）；天津市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“pH值響應嵌段共聚物/石墨烯復合藥物載體的制備及其性能研究”（201510061095）；國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“溫度響應性氧化石墨烯納米藥物控釋體的制備及釋藥性研究”（201610061078）

王倩（1994-），山東德州人，本科在讀，研究方向為生物制藥。E-mail：812231587@qq.com。

許艷玲（1975-），河北保定人，實驗師，博士，研究方向為功能高分子材料。E-mail：369280818@qq.com。