碳納米管在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)

張志明

(江蘇大學(xué)醫(yī)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江)

1 碳納米管的特性及其生物利用

1.1 支架材料

碳納米管無論是從強度還是從韌性上，都優(yōu)于已知的所有纖維材料[1]。在密度低的同時，碳納米管的彈性模量高，硬度很大，與金剛石相近[2]，然而，碳納米管材料卻沒有金剛石的脆性，它的韌性非常好[3]。

碳納米管獨特的管狀結(jié)構(gòu)，足夠的強度，較低的密度，極高的穩(wěn)定性，使得碳納米管成為了一種良好的骨支架材料[4]。尤其是典型的單壁碳納米管，直徑在0.5-1.5nm，長度約為100-300nm，這和骨骼中的膠原纖維“骨架”[5]非常相近，因此碳納米管材料在幾何結(jié)構(gòu)上很好地模擬了膠原纖維的三螺旋結(jié)構(gòu)。更有利于細(xì)胞的吸附和組織的重建。

然而，單純的碳納米管支架，由于其物理性質(zhì)(如強度和韌性)與骨組織差距較大，實際上效果并不是很好，通過改良碳納米管支架，形成復(fù)合材料支架，可以在保留碳納米管優(yōu)良性質(zhì)的基礎(chǔ)上，解決這個問題。

除了作為骨組織支架外，碳納米管在神經(jīng)支架方面也有很大的應(yīng)用前景[6]。有醫(yī)學(xué)工作者考慮到了碳納米管具有的導(dǎo)電性，制備碳納米管和傳統(tǒng)的纖維凝膠蛋白的復(fù)合材料支架，具有良好導(dǎo)電性的支架用于誘導(dǎo)損傷的神經(jīng)纖維再生，也有不錯的進展[7,8]。

1.2 生物傳感器

作為生物傳感器，尤其是需要植入生物體內(nèi)部的傳感器，通常都需要有小尺寸，低功耗，高速度這些性質(zhì)，當(dāng)前的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料無論是在理論上還是在加工工藝上，都遇到了很大的瓶頸。碳納米管作為一種新型的納米材料，可能會成為在傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料后的又一個新的優(yōu)良半導(dǎo)體材料，給當(dāng)前的半導(dǎo)體設(shè)備帶來革命性的改變。

但是當(dāng)前，人類在生物傳感器領(lǐng)域使用碳納米管材料，大多還是處于修飾電化學(xué)電極的層次。碳納米管用于修飾傳統(tǒng)電極[9]，不但可以降低化學(xué)物質(zhì)氧化還原反應(yīng)的過電位 ，而且還改善了生物分子氧化還原可逆性。另一方面，碳納米管的多孔性質(zhì)使其具有極高的比表面積，有助于酶聯(lián)吸附 ，還能促進酶活性中心與電極表面的電子傳遞。通過修飾電化學(xué)電極，既提高了傳統(tǒng)生物傳感器的靈敏度，又延長了使用的壽命和效率。

1.3 藥物載體

碳納米管具有中空結(jié)構(gòu)和可以穿膜的特點使其成為了一種良好的藥物載體[10]。碳納米管用作藥物載體，主要是利用其可以穿透生物膜的能力[11,12]，碳納米管的穿膜性質(zhì)已經(jīng)得到了熒光標(biāo)記實驗的驗證[13]，實驗證明碳納米管可以將藥物送入細(xì)胞質(zhì)，經(jīng)過修飾的碳納米管甚至可以進入細(xì)胞核內(nèi)部發(fā)揮作用。

另外，藥物可以包被在碳納米管的中空結(jié)構(gòu)中緩慢釋放[14]。一方面可以降低游離血藥濃度峰值，另一方面延長有效濃度作用時間。不僅降低了由于峰值血藥過高造成的不良反應(yīng)，而且延長了藥物的持續(xù)作用時間。這種方式可以給予病原體長時間的抑制或者給予身體機能長效的調(diào)節(jié)。

單純利用碳納米管作為藥物載體，可以用于腫瘤化療，也可以用于其他治療如激素維持治療等。

另一方面，經(jīng)過改造的碳納米管帶有磁性[15]，帶有磁性的材料可以通過磁場誘導(dǎo)或聚焦到具體的靶點，真正實現(xiàn)靶向用藥，在一些實體瘤化學(xué)治療方面具有良好的作用效果[16,17]。由于碳納米管的優(yōu)良熱效應(yīng)，在靶向化療的同時，結(jié)合使用特定波長的電磁波誘發(fā)的熱效應(yīng)，可以對腫瘤組織采取熱療[18,19]。

我們有理由相信，碳納米管會是一種具有光明的應(yīng)用前景的藥物載體。

2 碳納米管生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)

2.1 高效制備碳納米管的難度

目前，制備碳納米管的方法有很多，主要有電弧放電法，催化熱解法，激光蒸發(fā)法等，較為先進的是在惰性氣體保護下，在催化劑表面生長的方法[20]。然而，雖然當(dāng)前制備碳納米管的方法很多，但是在降低成本的基礎(chǔ)上大批量生產(chǎn)碳納米管仍然是一件不簡單的工作。另一方面，由于有些制備方法只是“知其然而不知其所然”，人們對碳納米管的生長機理仍舊不是很清楚，影響碳納米管質(zhì)量的因素也不清楚，現(xiàn)在的制備方法，大多都存在著雜質(zhì)含量高，結(jié)構(gòu)缺陷多，產(chǎn)率不高的問題[21]。

對于生物醫(yī)學(xué)利用來說，碳納米管的質(zhì)量問題是優(yōu)先于產(chǎn)量問題的，這更要求對碳納米管的生長機理有進一步的深刻認(rèn)識，更好地控制碳納米管的生長，減少結(jié)構(gòu)缺陷。

2.2 碳納米管潛在生物毒性

碳納米管所具有的獨特理化性質(zhì)，在未來，如果制備技術(shù)能夠取得突破進展，必然會得到大規(guī)模利用，而隨之而來的潛在環(huán)境與健康危害不得不引起人們的重視。已經(jīng)有文獻報道了高濃度的多壁碳納米管職業(yè)接觸可以造成人體內(nèi)ROS 水平升高，引起機體的氧化損傷[22]。碳納米管在體內(nèi)難以降解，主要通過肝腎代謝排出體外[23]。對機體的損傷形式主要是吸入造成肺泡損傷，造成呼吸道上皮損傷[24]，并且可能會加重纖維化[25]。

有人曾經(jīng)概述過碳納米管對人的損傷主要包括以下三點：肺部毒性，皮膚刺激性和細(xì)胞毒性[26]。雖然到現(xiàn)在為止，碳納米管對人類健康的危害還沒有確鑿的證據(jù)，大多數(shù)損傷機制的研究層面還停留在動物實驗。但是碳納米管對于機體的氧化損傷也提示我們，碳納米管作為一種支架植入物或者藥物載體，也可能會對身體的組織造成損傷，這可能會成為碳納米管這一類材料生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的最大困難。

然而要承認(rèn)的是，當(dāng)前碳納米管產(chǎn)生生物毒副作用的研究報道結(jié)論尚不統(tǒng)一，一般認(rèn)為可能與制備時殘留的重金屬催化劑有關(guān)，適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)修飾或許可以改善其生物相容性[12]。然而，并不是所有的表面修飾都可以改善生物相容性，如羧基化修飾就可能會增大其毒性[27]。其次，碳納米材料的毒性與細(xì)胞攝取能力有關(guān)，即碳納米材料的顆粒尺寸也會影響毒性[28]，這也帶給了我們新的思考：攜帶靶向藥物進入細(xì)胞的碳納米管，是否也有潛在的毒害作用？這種毒害作用是否會對藥理作用有不良影響？

由于機體對碳納米管材料的代謝能力低，碳納米材料支架在體內(nèi)往往無法被降解而是以原型的形式被排出體外(小顆粒)或者留在體內(nèi)(大顆粒)，這實際上對其組織相容性提出了更高的要求。長期留在體內(nèi)的異物如果生物相容性不佳，造成持續(xù)的機體免疫應(yīng)答，甚至造成機化包裹，會給病人帶來極大的痛苦。因此，改善碳納米管的制備工藝，減少表面缺陷或重金屬催化劑殘留，尋找合適的表面修飾方法來改善其生物相容性，或者開發(fā)新的基于碳納米材料的可降解體內(nèi)植入物就顯得尤為重要了。

3 結(jié)束語

當(dāng)前碳納米材料發(fā)展非常迅速，對于碳納米材料的研究更是日新月異。碳納米管擁有如此多的良好甚至可以說是神奇的性質(zhì)，注定讓這種材料具有遠大的應(yīng)用前景，我們甚至可以猜想，二維材料可能是實現(xiàn)我們一切夢想的地方。

然而即使無法否認(rèn)碳納米管材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有如此多誘人的特點和如此光明的應(yīng)用前景，但是它仍然面臨著諸多的挑戰(zhàn)：

不同制備方法下碳納米管的生長機理亟待闡明。碳納米管生長過程中的控制，表面的修飾等技術(shù)上的問題也需要解決。碳納米管的生物相容性評價和生物相容性解決辦法正等待著大規(guī)模的，長期的研究來驗證。

在生物醫(yī)學(xué)材料上，我們的選擇通常都是審慎的，碳納米管材料能否成為一種優(yōu)良的生物材料仍然需要等待科學(xué)家們解決上述的幾個問題以及其他未來可能還會發(fā)現(xiàn)的問題后才能下定論。