碳納米管及其復合材料的應用研究進展

趙傳欣，陳高云，顧恰敏，劉 敏

（陸軍防化學院，北京 102205）

碳納米管（CNTs）是納米材料的典型代表，自1991年被Iijima[1]發(fā)現(xiàn)以來，得到了廣泛的關注和研究。碳納米管是一種由碳原子經(jīng)sp2雜化形成的石墨烯片層卷成的無縫、中空管體新型納米材料。按照石墨烯片的層數(shù)可將其分為單壁碳納米管（SWCNTs）和多壁碳納米管（MWCNTs）。深入了解和研究碳納米管的結構與性能發(fā)現(xiàn)，碳納米管可在抗菌、制作組織工程支架、作為藥物載體、用于腫瘤治療等方面發(fā)揮出色的效果。

1 抗菌作用

1.1 單壁碳納米管的抗菌作用

單壁碳納米管具有較小的管徑和較大的比表面積，可以與細菌充分接觸，穿透細菌的細胞壁，起到殺滅細菌的作用，因此具有良好的抗菌能力。SWCNTs的純度、用量、處理時間和分散性都對其抗菌作用有一定影響。研究表明，純度越高的SWCNTs對細菌的殺滅能力越強，且抗菌活性與用量和處理時間呈正相關。高分散SWCNTs由于增加了和細菌接觸的機會，表現(xiàn)出更好的抗菌效果，在溶液中如同納米飛鏢一般，穿透細胞并破壞其完整性，達到殺菌的目的。SWCNTs的尺寸也對其抗菌活性有一定影響，Yang等[2]比較了3種不同長度的SWCNTs的抗菌活性發(fā)現(xiàn)，長SWCNTs比短SWCNTs的抗菌活性更強，原因主要是尺寸影響了與細菌細胞聚集的方式，從而影響了相互作用的效果。

1.2 多壁碳納米管的抗菌作用

與SWCNTs相比，MWCNTs的抗菌作用較為溫和，優(yōu)勢是成本較低和細胞毒性較小。目前主要通過負載其他材料對MWCNTs進行改性以增強其抗菌性能，改性方法主要有兩種，分別為共價修飾和非共價修飾。

共價修飾MWCNTs的主要方法是利用濃H2SO4和濃HNO3等強氧化劑，將羧基或羥基等官能團引入MWCNTs的端口處和管壁上存在一定缺陷的位置，由于羧基和羥基都屬于親水性基團，可以使MWCNTs在水溶液中的分散性得到明顯的提升。

MWCNTs改性后可以接入氨基酸、多肽等生物活性物質進行協(xié)同抗菌。Amiri等[3]在微波輻射的條件下，利用精氨酸和賴氨酸將MWCNTs功能化，功能化后的材料對所有測試菌株的抗菌活性均顯著提高，尤其是對革蘭氏陰性菌特別有效，對耐藥性金黃色葡萄球菌的抗菌效果亦有提升，其抗菌活性的增強是由于MWCNTs表面官能團的正電荷引起細菌細胞膜的靜電吸附。

非共價修飾MWCNTs是在不改變自身結構的基礎上改善性能。含有π電子的化合物可以通過π-π堆積的方式與MWCNTs相結合，不含π電子的物質也可以通過其他物理作用（比如范德華力、靜電作用）結合在MWCNTs上。

通過表面活性劑改性也是非共價修飾的重要方法。Khazaee等[4]研究了離子型和非離子型表面活性劑對MWCNTs的非共價功能化，隨后評估了其對大腸埃希氏菌的抗菌活性。陽離子表面活性劑能有效地溶解細菌細胞，而陰離子和非離子型表面活性劑具有良好的生物相容性。陰離子表面活性劑修飾的MWCNTs比非離子表面活性劑修飾的MWCNTs具有更大的抗菌活性，這可能是由于表面活性劑的聯(lián)合作用毒性所致。

2 組織工程支架

碳納米管可用作骨組織工程支架，是一種優(yōu)良的補強材料，具有良好的強度、彈性、韌性及抗疲勞性，能夠與復合材料緊密結合提升性能。此外，碳納米管由于自身的網(wǎng)狀結構特征，可以使細胞基質通過孔隙進行物質交換，不會對正常的生理機能造成影響，同時可以通過控制其導電性控制細胞的生理行為。碳納米管作為支架如同一種惰性框架，自身不會發(fā)生生物降解，周圍的細胞可以在其表面生長繁殖并形成新的活性物質，再轉變成正常的功能性骨組織。

碳納米管常與無機材料（主要包括碳酸鈣、磷酸鈣等生物陶瓷類物質、生物活性玻璃及鈦合金）、天然可降解高分子材料（主要包括膠原、殼聚糖、藻酸鹽、纖維蛋白）和人工合成可降解高分子材料（主要包括聚氨酯類、聚氨基酸、聚酸酐等）復合，復合型支架已成為當前研究和應用的主要方向。

2.1 碳納米管與無機材料構成復合支架

Liu等[5]制備了碳納米管涂層多孔陶瓷支架，該支架具有生物相容性、高多孔性、互聯(lián)性和機械強度。這是在兩種不同類型的3D多孔陶瓷支架上均勻覆蓋高質量的CNTs實現(xiàn)的：生物陶瓷復合材料β磷酸三鈣/羥基磷灰石（或TCP/HA）以及開發(fā)的高機械強度的多組分陶瓷（Ca2ZnSi2O7-ZnAl2O4）（或Sr-HT-Gah）。這些碳納米管涂層支架具有生物相容性，與臨床使用的TCP/HA生物陶瓷相比，具有相當?shù)募毎街图毎鲋衬芰Α?/p>

2.2 碳納米管與天然可降解高分子材料構成復合支架

Yildirim等[6]以海藻酸鹽和SWCNTs為材料，采用自由曲面制備技術制備了復合聚合物支架。通過掃描電子顯微鏡、拉曼光譜、拉伸測試和細胞-支架相互作用研究，對支架的結構、力學和生物學特性進行了表征。實驗結果表明SWCNTs不僅提高了材料的力學性能，還提高了材料的生物相容性。研究顯示，SWCNTs增強支架的細胞附著和增殖效果更好。海藻酸鹽/SWCNTs復合支架上內皮細胞的附著和增殖增強是多種因素共同作用的結果，SWCNTs導致了大量的材料缺陷、增加了表面的電子離域，這些特性改變了復合支架的表面活性。

2.3 碳納米管與人工合成可降解高分子材料構成復合支架

Jie等[7]采用靜電紡絲技術制備了纖維平均直徑為300～500 nm的多壁碳納米管/聚氨酯復合材料納米纖維支架。研究表明，具有納米纖維結構和多壁碳納米管成分的支架可顯著增強細胞的粘附、增殖、遷移聚集和分泌，在組織工程中具有廣闊的應用前景。

3 藥物載體

載藥是將活性藥物與載體結合，并將其遞送到目標細胞或組織的過程。近年來，CNTs由于物理化學特性、高縱橫比、良好的電學和力學性能以及對細胞膜的物理吸附，已被廣泛用于將治療藥物遞送到目標組織和細胞。CNTs的良好相容性有助于降低全身毒性，并提高藥物傳遞的療效。CNTs也可以被不同的化合物涂層，這些化合物在不同的領域發(fā)揮不同的作用：作為診斷藥物檢測藥物傳遞系統(tǒng)的路徑，作為隱形藥物逃避免疫系統(tǒng)，作為靶向藥物減少副作用，作為藥物載體發(fā)揮治療效果。

理想的藥物傳遞系統(tǒng)是將靶向給藥與控釋結合在一起，使藥物有選擇性地傳遞和釋放。這樣的系統(tǒng)不僅提高了藥物的療效，而且使全身毒性降到最低，從而提高了患者的生活質量。近年來，人們對各種納米級藥物載體進行了評估和測試。值得注意的是，SWCNTs比常用的金屬納米粒子系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在承載能力、固有的穩(wěn)定性和結構的靈活性方面，這些特性可以延長循環(huán)的時間，提高攜帶藥物分子的生物利用度。

SWCNTs是一種極具潛力的藥物傳遞系統(tǒng)，因其穩(wěn)定性、高載藥量和穿透細胞膜的能力等特性而受到廣泛關注。盡管它們具有一定的毒性，但是可以通過改變大小和功能化來進行控制。通常使用碳納米管向靶細胞遞送藥物的過程如下：藥物分子附著在修飾的碳納米管表面，化學受體存在于此。這些化學受體有助于在納米管內攜帶藥物分子。然后通過不同的途徑將接收的藥物注射到體內，例如注射、口服或直接引入靶細胞?；瘜W受體通過內吞途徑將裝載藥物的碳納米管膠囊內化，最終使藥物在細胞內逃逸。

楊曉英等[8]將抗腫瘤藥物DXR負載到SWCNTs上，得到了具有肝靶向性并且對藥物具有高效負載能力的SWCNTs，負載率高達85.5%。實驗表明，SWCNTs本身不存在毒副作用，并且能夠幫助DXR有效進入腫瘤細胞，抑制腫瘤細胞的生長，是一種良好的抗腫瘤藥物載體。

黃海濤等[9]將碳納米管與海藻酸鈉復合，制備出碳納米管復合海藻酸鈉微球藥物載體，并負載了模型藥物以驗證該載體的藥物釋放能力。實驗發(fā)現(xiàn)，碳納米管不僅未對海藻鈉酸微球的結構產(chǎn)生不良影響，還有效增強了其穩(wěn)定性，并提高了藥物的緩釋效果，與此同時，碳納米管亦不會增加額外的細胞毒性。

Matyszewska等[10]研究發(fā)現(xiàn)，將阿霉素類藥物多柔比星負載于聚乙二醇修飾的SWCNTs上，可以提高靶向細胞內的藥物含量。將阿霉素類藥物負載于羧基和葉酸修飾的SWCNTs上，可以實現(xiàn)控制藥物釋放，并使之具有靶向性。Carla等[11]將伊立替康分子封裝入MWCNTs，研究表明，其具有很高的藥物填充效率，Ir-MWCNTs中含有32%的抗腫瘤藥物。在整個過程中伊立替康分子不會被降解，并且可以在酸性環(huán)境中得以快速和徹底的釋放。Chen等[12]將羧基化的SWCNTs與殼聚糖和依托泊苷偶聯(lián)后，在水溶液中具有較高的溶解度和穩(wěn)定的分散性。載藥量為25%～27%。ETO在低pH下從EGF/CHI/SWNT-COOHs/ETO中釋放，并通過三磷酸腺苷（ATP）依賴性內吞被腫瘤細胞吸收。研究發(fā)現(xiàn)，EGF/CHI/SWNT-COOHs/ETO誘導的細胞死亡是單獨ETO誘導的2.7倍。

4 腫瘤治療

在取代傳統(tǒng)化療治療癌癥的過程中，藥物傳遞到靶向癌細胞區(qū)域仍然是治療研究的最新挑戰(zhàn)。由于腫瘤細胞表達 P-糖蛋白（P-gp）阻礙治療藥物進入組織，大多數(shù)抗腫瘤藥物在大規(guī)模殺傷靶向腫瘤細胞之前被意外地清除。因此，在治療癌癥時，需要創(chuàng)新的藥物輸送技術來解決這類問題。

在腫瘤治療中，希望能將大劑量的藥物分子輸送到腫瘤部位，以獲得最好的治療效果，同時最大限度地減少對正常器官的副作用。通過增強通透性和保留（EPR）效應，納米結構材料在全身注射后可以通過異常滲漏的腫瘤血管在腫瘤組織中積聚，有助于藥物輸送應用。SWCNTs作為一種新型的體外藥物載體已被廣泛應用。SWCNTs可以通過內吞作用有效地將藥物、多肽、蛋白質、質粒DNA和小干擾RNA（siRNA）等多種生物分子輸送到細胞內。同時，碳納米管固有的近紅外（Near Infrared，NIR）光吸收特性也被用于體外破壞癌細胞。

許多研究小組研究了碳納米管在動物體內的表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)靜脈注射到小鼠體內的聚乙二醇化的SWCNTs在幾個月內是無毒的。在小鼠網(wǎng)狀內皮系統(tǒng)（RES）中積累的碳納米管可以通過膽道途徑逐漸排出，最終進入糞便。靶向腫瘤聚集用靶向配體、RGD多肽或抗體功能化的SWCNTs已顯示出高效率。這些結果為進一步探索碳納米管的治療應用奠定了基礎。

到目前為止，已經(jīng)有幾種藥物分子被用于搭載碳納米管，如紫杉醇、奧沙利鉑、阿霉素、多西紫杉醇等，用于體內外癌癥治療。

Liu Z等[13]證明將紫杉醇（PTX）偶聯(lián)到聚乙二醇化的SWCNTs上并注入小鼠的異種移植瘤，其腫瘤抑制效果高于臨床紫杉醇藥物配方。與紫杉醇和聚乙二醇化PTX相比，SWCNTs-PTX血液循環(huán)時間更長，通過EPR效應使其在腫瘤上獲得高劑量的藥物攝取。即使在較低劑量下， SWCNTs-PTX也能減緩腫瘤生長，足以證明其強大的治療效果。

在大多數(shù)情況下，血漿中氯離子與水的相互作用會抵消藥物的治療效果。因此，碳納米管被用作藥物載體，以防止在該過程中所攜帶的治療劑失活，最終在很大程度上減少副作用。Zhang等[14]合成了負載順鉑的功能化SWCNTs，以靶向PC3和DU145前列腺癌細胞系。順鉑的細胞攝取發(fā)現(xiàn)表明，這種治療藥物能有效地穿透細胞膜，并選擇性地發(fā)現(xiàn)于癌性前列腺細胞的細胞質膜內。就這一點而言，藥物的包封對于穩(wěn)定順鉑的藥物遞送系統(tǒng)非常重要。

SWCNTs對UV到NIR區(qū)域有很強的光學吸收，通過NIR光學吸收產(chǎn)生的熱量可用于光熱治療[15]。與其他方法相比，光熱治療癌癥已經(jīng)被廣泛研究，成為一種理想的、局部的、無創(chuàng)的治療方法，因為它能精確地將能量輸送到靶細胞，并且腫瘤細胞對溫度升高很敏感，NIR區(qū)域的激光非常有利于體內使用，因為生物組織在NIR區(qū)域的吸光度較低，因此使其成為一種摧毀癌細胞更有前途的方法，而對健康組織的副作用可以忽略不計。在以生物納米技術為基礎的癌癥治療中，具有獨特光熱特性的納米結構已被考慮用于破壞癌細胞。SWCNTs的固有特性適合這些技術，因為它們在NIR區(qū)域有很強的光學吸收能力，在NIR激光照射時可以釋放大量熱量，增強細胞的熱破壞。

Jeyamohan等[16]構建了DOX-FA-PEG-SWCNTs復合材料，利用SWCNTs的光熱效應、NIR輻射介導的靶向腫瘤破壞，進一步增強了其殺死腫瘤細胞的能力。該方法結合了SWCNTs的DOX和光熱特性，可能為增強癌癥治療和生物成像應用提供了一種機制。FA功能化的SWCNTs可通過FA-FA受體介導的途徑選擇性內化到癌細胞中，而不會內化到正常細胞中，所得體系在生理條件下具有良好的穩(wěn)定性。在細胞內溶酶體和核內體典型腫瘤環(huán)境pH降低的情況下，還能有效釋放阿霉素。利用SWCNTs光熱效應的光熱技術可以靶向摧毀癌癥。SWCNTs在生物組織高度透明的NIR區(qū)域具有較高的光吸收率。在體外受到800 nm激光照射后，SWCNTs能夠有效地將激光能量轉化為熱能。這一優(yōu)勢被用于選擇性光熱療法，只殺死癌細胞而保留正常細胞。靶向載藥與光熱治療的聯(lián)合效應，可以加速協(xié)同殺死近95%的癌細胞。

Li等[17]將強化綠熒光蛋白（EGFP）通過鏈霉親和素-脫硫生物素（SA-DTB）連接到SWCNTs上，該蛋白可被傳遞到腫瘤中，并在細胞中通過NIR光進行光釋放和激活，發(fā)揮活性，實現(xiàn)抗腫瘤的功能。

5 結語

碳納米管在抗菌、組織工程支架、藥物載體及腫瘤治療領域都有良好的表現(xiàn)，盡管碳納米管自身分散性較差且具有一定的毒性，但是通過對碳納米管進行功能化修飾（如在碳納米管表面引入親水性官能團）、負載各種活性物質，既改善了其在水中的分散性，又優(yōu)化了其生物相容性，并降低了其細胞毒性。目前，有關碳納米管復合材料的實驗大多仍處于體外實驗和動物實驗階段，還需要更多臨床應用和實踐的支撐。隨著科技的不斷發(fā)展、研究的日益深入，碳納米管作為一種性能優(yōu)良的納米材料，將在生物醫(yī)藥領域的應用中展現(xiàn)出更大的潛力，一種生物相容性好、安全無毒的人體友好型納米功能材料有望在不久的將來誕生。