氧化石墨烯的表面處理及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

張園園 楊寧文 何星

摘要：氧化石墨烯（ graphene oxide， GO ）表面具有豐富的含氧基團(tuán)。通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合、疏水作用、氫鍵作用等吸附藥物和其他大分子對(duì) GO 表面微觀結(jié)構(gòu)的修飾可提升其實(shí)用性。尤其是對(duì)生物相容性的增強(qiáng)使得功能化的 GO 可以在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。介紹了 GO 表面處理的原理，總結(jié)了近幾年國(guó)內(nèi)外研究人員在 GO 表面修飾方面的研究進(jìn)展，歸納了修飾后具有優(yōu)異性能的功能化氧化石墨烯（ functionalized graphene oxide， FGO ）在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，包括疫苗載體、癌癥治療、藥物輸送和基因治療等方面。最后指出，通過(guò)加強(qiáng)對(duì) GO 的進(jìn)一步研究，可使其在未來(lái)的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞：氧化石墨烯;表面處理;功能化氧化石墨烯;臨床醫(yī)學(xué);癌癥治療

中圖分類(lèi)號(hào)： R 318.08文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Surface treatment of graphene oxide and its application in biomedical field

ZHANG Yuanyuan， YANG Ningwen， HE Xing

（School ofMaterials and Chemistry， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Graphene oxide （GO） surface is rich in oxygen-containing groups. Through adsorption drugs including covalent bonding， hydrophobic interaction and hydrogen bonding， and other macromolecules tomodifythesurfacemicrostructureof GO，itspracticabilitycanbeimproved. Inparticular，the enhancement of biocompatibility makes the functional GO widely used in the field of clinical medicine. The principle of GO surface treatment was introduced， the research progress of researchers at home and abroad in GO surface modification in recent years was summarized， the different modifications carried outbydomesticandforeignresearchersongoinrecentyearsweresummarized，andthewide applicationsof functionalizedgrapheneoxide （FGO） withexcellent propertiesin biomedicalfield， including vaccine carrier， cancer treatment， drug delivery and gene therapy， were concluded. Finally， it was pointed out that further research on GO could play a key role in the future biomedical field.

Keywords： grapheneoxide ; surfacetreatment; functionalizedgrapheneoxide ; clinicalmedicine ; cancer treatment

石墨烯的興起推動(dòng)了電子器件、能源等各個(gè)領(lǐng)域的巨大變革[1-3]。最近十幾年，科學(xué)家們付出了巨大的努力來(lái)探索石墨烯，對(duì)其物理和化學(xué)性質(zhì)有了更深入的了解。在碳基材料中，石墨烯及其衍生物因多功能性和可改性而備受關(guān)注，石墨烯具有大比表面積、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、容易被修飾或功能化，使它成為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的獨(dú)特候選材料，然而，它在水和許多有機(jī)溶劑中的不良分散性限制了它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

氧化石墨烯（graphene oxide， GO）是通過(guò)對(duì)石墨烯進(jìn)行氧化處理獲得的，它保留了石墨烯大的平面結(jié)構(gòu)和大的比表面積，同時(shí)引入了親水基團(tuán)，如環(huán)氧基、羥基（存在于片的頂面和底面）以及羧酸基團(tuán)（存在于邊緣）[4]。這些親水基團(tuán)可以通過(guò)氫鍵、靜電作用、π-π堆積和共價(jià)鍵與其他物質(zhì)相互作用，使得 GO 成為生物活性分子的潛在載體平臺(tái)，因此， GO 被用作石墨烯的潛在替代品，以取代其生物應(yīng)用，在藥物輸送、癌癥治療和治療診斷學(xué)等生物醫(yī)學(xué)方面都有廣闊的應(yīng)用前景。

1GO 表面處理的原理

1.1GO 的結(jié)構(gòu)

GO 是一種典型的二維片層結(jié)構(gòu)，具有含氧基團(tuán)和單原子層[5]。GO 的片層結(jié)構(gòu)由 sp2和 sp3兩種碳原子排列成的六邊形網(wǎng)格構(gòu)成，使 GO 具有大的表面積和疏水性[6]。羥基、羰基[7]和環(huán)氧基等含氧基團(tuán)分布在骨架的表面和邊緣[8]。一般來(lái)說(shuō)，GO 是由石墨烯通過(guò)各種氧化方法制備而成（見(jiàn)圖1），其中最常用的是改進(jìn) Hummers 法[9]。雖然不同合成方法制備的 GO基本一致，但在某些方面或性質(zhì)上，如橫向尺寸、含氧基團(tuán)數(shù)量等方面容易產(chǎn)生一些差異。含氧基團(tuán)包括羥基、羰基和環(huán)氧基，這些基團(tuán)的

引入使 GO 變成水溶性的[10]。然而，這些基團(tuán)中最重要的是羧基，因?yàn)樗鼮楣δ芑趸╢unctionalized graphene oxide， FGO）的合成提供了基礎(chǔ)。芳香晶格通過(guò)π-π堆積或疏水相互作用也為 GO 的修飾提供了基礎(chǔ)[11]。用親水性生物材料改性后， GO 在生物溶液中的溶解性和穩(wěn)定性得到改善[12]，因此， FGO 具有比 GO 更好的生物相容性[13]和更好的遞送能力[14]。

雖然 GO 可溶于水，但由于電荷屏蔽效應(yīng)，GO 在鹽溶液（生理鹽水）中容易聚集，其毒性也可能限制其臨床應(yīng)用，如誘導(dǎo)血小板減少、溶血、肺和肝的病理?yè)p傷等[15-16]。眾所周知，納米材料的表面化學(xué)性能是其生物相容性的關(guān)鍵。因此，對(duì)其進(jìn)行改性以制備具有功能化的 GO 是非常重要的。一般來(lái)說(shuō)， GO 的功能化有兩種方法：（1）共價(jià)結(jié)合，含氧基團(tuán)的反應(yīng)是共價(jià)修飾的常用方法;（2）非共價(jià)結(jié)合，靜電結(jié)合和疏水相互作用在非共價(jià)修飾中占主導(dǎo)地位。

1.2GO 的共價(jià)結(jié)合

GO 中的羧基，是其共價(jià)結(jié)合的關(guān)鍵。通常通過(guò)在 GO 和其他給定的物質(zhì)之間形成酰胺鍵（見(jiàn)圖2a）或酯鍵（見(jiàn)圖2b）而實(shí)現(xiàn)共價(jià)結(jié)合，通過(guò)上述方法已經(jīng)成功地合成了一些 FGO材料，如 GO-PEI、 GO-PEG、GO-PEG-PEI、GO-PAMAM（（PEI，聚醚酰亞胺; PEG，聚乙二醇; PAMAM，聚酰胺-胺型樹(shù)枝狀高分子）等[17-20]。給定的物質(zhì)通常具有伯氨基或羥基，能與羧基表現(xiàn)出良好的親核反應(yīng)[21]，然而，羧基不像酸酐或酰氯那樣具有活性，通常需要被活化，因此，它首先被偶聯(lián)試劑如 N-羥基琥珀酰亞胺（N- Hydroxysuccinimide，NHS）和1-乙基-3-（3′-二甲基氨基丙基）碳二亞胺（1-（3-dimethylaminopropyl）-3- ethylcarbodiinide hydrochloride，EDC）活化，或者用亞硫酰氯（Thionyl chloride，SOCl2）分別官能化以產(chǎn)生酰亞胺或酰氯基團(tuán)。然后，通過(guò)活化的羧基與給定物質(zhì)的一個(gè)或多個(gè)羥基、氨基或巰基反應(yīng)，獲得 FGO，其化學(xué)和電學(xué)性能可以通過(guò)共價(jià)修飾的調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)[22]。

1.3GO 的非共價(jià)結(jié)合

雖然共價(jià)結(jié)合是制備 FGO 的常用方法，但是 GO 的帶負(fù)電荷性和局域π電子的存在使得非共價(jià)結(jié)合成為 GO 功能化的另一種重要的方法（見(jiàn)圖3）。通過(guò)簡(jiǎn)單地將 GO 與給定物質(zhì)混合，并進(jìn)行短時(shí)間的超聲處理，很容易制備非共價(jià) FGO。

帶負(fù)電荷的羧基使 GO 具有負(fù)的 zeta 電位，這賦予它與帶正電荷的分子可以通過(guò)靜電作用而結(jié)合[23]。Bao 等[24]報(bào)道了通過(guò)帶陽(yáng)離子的殼聚糖（chitosan， CS）和帶負(fù)電荷的 GO 之間的靜電作用來(lái)制備 CS 功能化的 GO（GO-CS）。CS 賦予 GO-CS 正 zeta 電勢(shì)，這可能促使 GO-CS 與帶負(fù)電荷的細(xì)胞膜相互作用，以促進(jìn)細(xì)胞攝取。同CS 一樣，多環(huán)芳烴也帶有正電荷，可以與 GO 通過(guò)靜電作用結(jié)合[25]。蛋白質(zhì)、多肽等通過(guò)多種氨基酸組合的復(fù)雜大分子物質(zhì)由于其疏水性和芳香性，可以通過(guò)π-π堆積或疏水作用使 GO 功能化。如牛血清白蛋白和轉(zhuǎn)鐵蛋白，兩者都可以通過(guò)π-π堆積或疏水作用使 GO功能化;靶向分子與某些蛋白質(zhì)的復(fù)合物也可以物理吸附到 GO 上來(lái)構(gòu)建基于 GO 的靶向遞送載體，應(yīng)用于藥物輸送。

2FGO 的應(yīng)用

2.1 疫苗載體

疫苗是預(yù)防和控制傳染病、非傳染病和癌癥的最有效策略之一。佐劑和載體已被適當(dāng)?shù)靥砑拥揭呙缗浞街?，以提高抗原的免疫原性并誘導(dǎo)持久的免疫。一些批準(zhǔn)用于人體的佐劑功能有限，迫切需要開(kāi)發(fā)新的通用佐劑。 GO 在裝載和遞送抗原方面表現(xiàn)優(yōu)異，而且顯示出激活免疫系統(tǒng)的潛力，因此，廣泛應(yīng)用于生物分子的遞送。

2013年，王亞培[26]在 GO 表面共價(jià)修飾靶向分子透明質(zhì)酸（hyaluronic acid， HA），形成 GO-HA 納米藥物載體材料，并進(jìn)一步研究了所得材料的生物相容性以及載藥材料對(duì)荷瘤裸鼠的治療效果。2017年，Zhang 等[27]報(bào)道了GO-CS（77.6μg/mg）比GO （小于40μg/mg）表現(xiàn)出更高的負(fù)載效率;另一種FGO-PEG-PEI 作為 CpG ODNs（CpG oligonucleotide） 的高效載體，也促進(jìn)了細(xì)胞對(duì) CpG ODNs 的攝取和細(xì)胞因子的表達(dá)，這歸因于帶正電荷的 PEI 和帶負(fù)電荷的細(xì)胞膜之間的相互作用。2016年， Luo 等[28]證實(shí)整合素（αvβ8）通過(guò)與插膜或膜吸附的 GO- PEG 相互作用而被激活，隨后觸發(fā)下游信號(hào)通路的激活和細(xì)胞因子的有效釋放而激活巨噬細(xì)胞。圖4為nGO-PEG 刺激αvβ8上調(diào)，然后激活 FAK 相關(guān)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)通路，以促進(jìn)巨噬細(xì)胞的細(xì)胞因子合成和分泌示意圖。隨后，免疫系統(tǒng)被這些細(xì)胞因子激活，包括白細(xì)胞介素-6（Interleukin-6， IL-6）、腫瘤壞死因子-α（Tumor necrosis factor-α， TNF-α）和干擾素-γ（Interferon-γ， IFN-γ），PEG 引發(fā)強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)，而不會(huì)顯著損傷巨噬細(xì)胞，這使得它成為疫苗配方中一種有前途的佐劑。另一項(xiàng)研究報(bào)告表明， PEG 可以誘導(dǎo)RAW264.7細(xì)胞（小鼠單核巨噬細(xì)胞白血病細(xì)胞）高分泌 IL-6，這也證明了其免疫激活的活性[17]。

結(jié)合 GO-PEG-PEI 的樹(shù)突狀細(xì)胞（ dendritic cells， DCs）與未經(jīng)處理的 DCs 相比，會(huì)導(dǎo)致對(duì)toll樣受體（toll-like receptor， TLR） TLR2（1.5倍）和 TLR4（1.7倍）的上調(diào)，及 TLR2和 TLR4陽(yáng)性的比例增加了1.4倍和5.7倍。通過(guò)與過(guò)度表達(dá)的 TLR 結(jié)合， GO-PEG-PEI 可以有效地誘導(dǎo) CD80和 CD86等共刺激分子的調(diào)節(jié)（CD80、CD86是活化 T 淋巴細(xì)胞時(shí)的協(xié)同刺激因子），導(dǎo)致 DCs 的成熟達(dá)到一個(gè)更高的水平。結(jié)合UreB（幽門(mén)螺桿菌尿素酶 B）后，GO-PEG-PEI-UreB疫苗大大增強(qiáng)了 T 細(xì)胞增殖和 TNF-α、IFN-γ和 IL-17（白細(xì)胞介素17，interleukin 17）等的分泌。這些結(jié)果證實(shí)了 GO-PEG-PEI 可以改善抗原的免疫原性，并刺激強(qiáng)大的細(xì)胞免疫力，從而， GO 可以作為潛在的輔助劑[29]。圖 5為接種 GO-PEG-PEI-UreB疫苗促進(jìn)體內(nèi)體液免疫和細(xì)胞免疫示意圖，表1為FGO 在疫苗載體中的應(yīng)用。

2.2 癌癥治療

癌癥是一種高度復(fù)雜的疾病，目前，癌癥的治療方式包括手術(shù)、化療、放療、激素、靶向和聯(lián)合治療等[33-34]?；熅哂袕V譜、高效的抑制作用，是臨床抗癌應(yīng)用中最常用的策略。然而，抗癌藥物，如阿霉素（doxorubicin，DOX）、喜樹(shù)堿（camptothecin，CPT）、紫杉醇（paclitaxel，PTX）、血根堿（sanguinarine， Sa）等，通常不溶于水，給臨床應(yīng)用帶來(lái)很大不便，生物利用度較差。此外，抗癌藥物還具有非特異腫瘤靶向性、血液循環(huán)時(shí)間短、通過(guò)代謝迅速消除等缺點(diǎn)[35]。大量研究指出，將 GO 用作抗癌藥物的載體可顯著改善其理化性質(zhì)并增強(qiáng)其抗癌功效。最初的研究主要集中在 GO 的高載藥量和生理穩(wěn)定性方面。 Zhou 等[36]報(bào)道的 GO 的載藥率在200%以上，高載藥率主要是由于單層 GO 兩側(cè)藥物分子通過(guò)π-π堆積和疏水作用的高效吸附。對(duì)于臨床應(yīng)用來(lái)說(shuō)，載體上的藥物濃度越高，意味著對(duì)癌細(xì)胞的殺傷更高效，另一方面，細(xì)胞對(duì)藥物的吸收也是一個(gè)重要問(wèn)題。通過(guò)能量介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑，載藥 GO 可以有效進(jìn)入細(xì)胞，然后釋放藥物殺死癌細(xì)胞[37]。大多數(shù)用于癌癥治療的化療劑都具有一些缺點(diǎn)，包括對(duì)生物降解的敏感性、在血液循環(huán)中的低半衰期、差的藥物代謝動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和向細(xì)胞中的被動(dòng)擴(kuò)散等。外排泵和藥物轉(zhuǎn)運(yùn)體通常在癌細(xì)胞中過(guò)度表達(dá)，如糖蛋白，進(jìn)一步降低細(xì)胞內(nèi)的藥物濃度，限制了其治療效果[38-39]。這產(chǎn)生了對(duì)合適的藥物遞送載體的需求。 GO 載體，像其他納米材料一樣，可以保護(hù)藥物免受降解，并以所需的劑量直接將藥物（包括藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)較差的藥物）輸送到細(xì)胞、細(xì)胞質(zhì)中。

杜士彬[40]通過(guò)改良的 Hummers 法制備出的 GO，平均粒徑為（204.20±4.56）nm，電勢(shì)為?34.2 mV，用 PEG 與 GO 共價(jià)耦合得到復(fù)合物 GO-PEG。相比 GO，GO-PEG 生物相容性更好、毒性更低。許多腫瘤細(xì)胞表面葉酸受體過(guò)表達(dá)，葉酸受體可以與葉酸特異性結(jié)合。將葉酸（folate acid， FA）共價(jià)偶聯(lián)到 GO 表面，得到一種具有細(xì)胞靶向功能的載體 GO- PEG-FA，GO 的載藥率高達(dá)17.79%。GO-PEG-FA 將藥物 DOX 靶向輸送到腫瘤細(xì)胞，釋放出藥物殺死腫瘤細(xì)胞，達(dá)到腫瘤治療的目的。

據(jù)報(bào)道，羧甲基纖維素（carboxymethyl cellulose， CMC）共軛 GO 的 GO-CMC 負(fù)載 DOX 的復(fù)合物，在 pH 為5.5時(shí)，100 h 內(nèi)釋放出約65%的負(fù)載藥物。然而，較高的 pH 時(shí)（6.5和7.4），藥物釋放分別限制在20%和10%[41]。在另一項(xiàng)研究中，GO 與 PEG 和多巴胺（dopamine， DA）修飾的聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）共軛，然后裝載 DOX。與 pH 為7.4（藥物釋放約6%）相比，制備的復(fù)合材料在 pH 為5.0（藥物釋放約31%）時(shí)，顯示出顯著增強(qiáng)的 DOX 釋放性能。負(fù)載藥物在酸性條件下的快速釋放主要是由于質(zhì)子化介導(dǎo)的 DOX 溶解度增強(qiáng)，這也與 DA 的表面修飾有關(guān)[42]。CS 在 GO 納米片上的層層自組裝被用于開(kāi)發(fā)新的 DOX 傳遞載體[43]。圖6為 GO- CS/Dex表面修飾和 DOX 負(fù)載的示意圖。體外藥物釋放研究表明，在 pH 為5時(shí)，藥物釋放高于在 pH為7.4時(shí)的。除了 pH外，基于谷胱甘肽的氧化還原、近紅外光或酶的存在/不存在也被用作觸發(fā)藥物釋放的潛在刺激。在谷胱甘肽介導(dǎo)的氧化-還原反應(yīng)的幫助下，納米復(fù)合材料的累積釋放進(jìn)一步增加。除此之外，用近紅外（波長(zhǎng)808 nm）照射也導(dǎo)致在 pH 為7.4時(shí)藥物釋放的突然增加[44]。

王萍悅[45]在普朗克127（Pluronic F127）修飾 GO（PF127-GO）載鹽酸阿霉素抗人神經(jīng)膠質(zhì)瘤的體外研究中發(fā)現(xiàn)，在低濃度時(shí)， PF127-GO 及 GO 對(duì)人星形膠質(zhì)細(xì)胞和人神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞無(wú)毒性作用，體外試驗(yàn)中， PF127-GO-DOX對(duì)人神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞有較強(qiáng)的殺傷作用。

2.3 藥物輸送

醫(yī)用藥物在臨床實(shí)踐中發(fā)揮著不可替代的作用，但游離藥物在體內(nèi)的釋放往往存在缺陷，包括非特異性靶向性、血液循環(huán)時(shí)間短、突釋等，導(dǎo)致其可用性低、治療效果差、副作用大[46]。為了避免上述游離藥物的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)智能可控的治療性能，藥物傳遞系統(tǒng)（drug delivery system， DDS）是通過(guò)將藥物封裝在特定載體中而開(kāi)發(fā)的。在過(guò)去的幾十年中，開(kāi)發(fā)了脂質(zhì)體、聚合物膠束、樹(shù)枝狀大分子、無(wú)機(jī)介孔材料、金屬有機(jī)框架、金屬氧化物、貴金屬和碳納米材料等作為DDS 的載體[47-48]。其中，石墨烯基材料，尤其是 GO，由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)、超大的表面積、優(yōu)異的穩(wěn)定性、易修飾的表面特性、良好的生物相容性，以及有前景的產(chǎn)業(yè)化潛力，引起了人們的極大興趣[49]。單原子層骨架結(jié)構(gòu)有利于藥物分子在 GO 表面的吸附和錨定，有助于提高藥物的負(fù)載能力。 GO 邊緣和表面豐富的含氧官能團(tuán)賦予其優(yōu)異的水溶性，這將大大提高不溶性藥物的親水性。此外，含氧基團(tuán)易于修飾，為特定需求帶來(lái)多功能和可控的表面改性潛力。

例如，結(jié)合 CS 的 GO 被用于遞送 DOX 和聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯（polypropanediol terephthalate， PTT），對(duì)細(xì)胞發(fā)揮抗癌活性[43]。將負(fù)載半胱氨酸和HNPa（感光劑）的 CS 進(jìn)行改性，然后與 GO 相結(jié)合用于肝癌細(xì)胞的化療、靶向治療[50]。這種顆粒表現(xiàn)出靶向受體的細(xì)胞內(nèi)遞送，其中 DOX 和HNPa被釋放（刺激反應(yīng)性化療的一部分）。HNPa和 GO 被近紅外光照射導(dǎo)致活性氧（reactive oxygen species， ROS）產(chǎn)生，從而 PDT（PDT，光動(dòng)力療法）產(chǎn)生良好的協(xié)同療效。

吳少玲[51]在用 GO 吸附 DOX 的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， GO 在研究的濃度范圍內(nèi)（0～100 mg/L）對(duì)多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞有低毒性; GO 不降低 DOX對(duì)多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞的細(xì)胞毒性，也不影響多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞的細(xì)胞周期; GO 不誘導(dǎo)多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞調(diào)亡，也不影響 DOX 誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的能力。表明 GO 是一種良好的納米藥物載體。

PEG 是一種應(yīng)用廣泛的表面改性聚合物，可以避免 GO 在生理環(huán)境中的非特異性蛋白質(zhì)吸附和聚集。因此， PEG 修飾的 GO 表現(xiàn)出更好的生理穩(wěn)定性和更高的生物安全性[13]。Xu 等[52]利用 PEG 修飾的 GO 的獨(dú)特性質(zhì)，采用 GO-PEG 作為 PTX 遞送的納米載體，所制備的 GO-PEG-PTX 在磷酸鹽緩沖液和培養(yǎng)基中均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，而未改性的 GO 樣品發(fā)生聚集和沉淀。聚丙烯酸（polyacrylic acid， PAA）用于提高生物材料的水溶性，增強(qiáng)其生理穩(wěn)定性。對(duì)于 GO 的表面改性， PAA 被認(rèn)為是比 PEG 更合適的聚合物[53]。PAA 的接枝不僅增加了 GO 在生理溶液中的分散性和溶解性，而且保持了 GO 超高的抗癌藥物負(fù)載量。 Lu 等[54]報(bào)道了利用 GO-PAA 遞送卡莫司?。╟armustine，BCNU），并評(píng)價(jià)了其化療效果。負(fù)載 BCNU 的 GO-PAA 顯示出良好的溶解性和穩(wěn)定性，優(yōu)異的載藥性能，并顯著增強(qiáng)了對(duì) GL261（小鼠神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞系，immortalised cell line）的毒性。水楊酸修飾的 GO 也具有良好的生物安全性和穩(wěn)定性，高的 DOX 負(fù)載量，對(duì) Hela 細(xì)胞（宮頸癌細(xì)胞系）有很好的抑制作用，并能傳遞5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil，5-FU）用于肺癌治療[55]。Zhao 等[56]已報(bào)道了使用 CS 修飾的 GO 納米粒子 GON作為 DOX 的載體，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝載、運(yùn)輸和釋放的控制。圖7為 CS 修飾的 GON 用于 DOX 載藥和對(duì)酸堿度敏感的藥物釋放示意圖。由于腫瘤細(xì)胞所處的酸性微環(huán)境中 CS 的溶解，當(dāng)納米粒子在腫瘤中積累時(shí)，載體崩解，釋放更多的藥物分子，導(dǎo)致化療增強(qiáng)。表2為 GO 與不同物質(zhì)結(jié)合后用于藥物輸送數(shù)據(jù)。

2.4 基因治療

基因治療被廣泛認(rèn)為是治療疾病的理想策略，包括癌癥，這是與基因損傷相關(guān)的最嚴(yán)重的疾病之一[64]。成功的基因治療需要強(qiáng)大的載體將基因轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中，被認(rèn)為克服了傳統(tǒng)方法的非特異性傳遞、潛在的細(xì)胞毒性和免疫原性[65]。在各種基因傳遞載體中， GO 因其超高的比表面積和吸附能力、良好的生物相容性和生物安全性、易于表面修飾而被認(rèn)為是優(yōu)良的載體。

在初期的研究中， Lu 等[66]發(fā)現(xiàn) GO 可以有效地吸附單鏈 DNA，顯示了 GO 作為基因傳遞載體的潛力。從那時(shí)起，基于基因工程的基因傳遞系統(tǒng)被廣泛研究。例如，Chen 等[67]報(bào)道了一種用于質(zhì)粒DNA 遞送的 PEI 修飾 GO。該基因能有效地進(jìn)入 Hela 細(xì)胞，并顯示出增強(qiáng)的轉(zhuǎn)染效率。 PEI 是一種帶正電荷的水溶性聚合物，可被細(xì)胞有效吸收并與核酸牢固結(jié)合。 PEI 的使用可以提高基因轉(zhuǎn)染效率，但它也存在固有毒性和穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。與 GO 結(jié)合后， PEI 的毒性降低，轉(zhuǎn)染效率提高。為了進(jìn)一步提高基因的傳遞效率，獲得更高的轉(zhuǎn)染效果，采用無(wú)創(chuàng)可控近紅外光進(jìn)行刺激，精確調(diào)節(jié)基因的表達(dá)和沉默。為此，F(xiàn)eng 等[68]設(shè)計(jì)了一種 PEG 和 PEI 共同修飾的 GO （GO-PEG-PEI）作為 DNA 的載體。他們證明了 GO-PEG-PEI 可以被細(xì)胞有效地吸收，并且通過(guò)近紅外光譜的調(diào)整提高了基因轉(zhuǎn)染效率。利用 GO-PEG-PEI作為近紅外敏感基因載體，可控近紅外輻射還可以促進(jìn) siRNA 傳遞，調(diào)節(jié)基因的表達(dá)或沉默。在另一項(xiàng)研究中， Kim 等[69]也證明了 PEG 和 PEI 共價(jià)修飾的 GO 具有良好的穩(wěn)定性和高的pDNA遞送能力，并且通過(guò)受控的近紅外輻射介導(dǎo)的光熱效應(yīng)顯示出增強(qiáng)的轉(zhuǎn)染效率。圖8為 EG-nrGO-PEI（RGPP）和 PEG- nGO/PEI（GPP）納米復(fù)合物的合成示意圖。

3.結(jié)論

隨著生物醫(yī)學(xué)材料需求的快速增長(zhǎng)，石墨烯及其衍生物在疫苗載體、癌癥治療、藥物輸送和基因治療等領(lǐng)域顯示出光明的前景。由于生理環(huán)境的物理化學(xué)特性， GO 因其突出的親水性和易修飾的表面特性而優(yōu)于石墨烯。 GO 大的表面積、疏水的六元芳香環(huán)結(jié)構(gòu)和易修飾的氧官能團(tuán)，使抗癌藥物、基因、蛋白質(zhì)、成像劑、治療劑和表面修飾基團(tuán)等可以通過(guò)π-π堆積、靜電相互作用或共價(jià)鍵有效地與 GO 結(jié)合，形成 FGO，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，特別是癌癥的診斷和治療。目前為止，研究人員通過(guò)使用合理設(shè)計(jì)的 FGO，從最初用于藥物/基因的遞送系統(tǒng)、單一診斷或治療方式的載體，到用于指導(dǎo)成像以提高精確腫瘤治療的組裝，形成良好的治療平臺(tái)，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。多項(xiàng)研究表明， GO 在納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但其在臨床應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題和迫切的挑戰(zhàn)，如 GO 在生理?xiàng)l件下的穩(wěn)定性、GO 與細(xì)胞的相互作用、細(xì)胞對(duì) GO 的反應(yīng)、GO 的細(xì)胞攝取方式、GO 在不同組織/器官中的生物分布和積累、GO 在體內(nèi)的轉(zhuǎn)化和代謝途徑以及 GO 的急性/潛在毒性等等。

總之，在納米材料、納米技術(shù)和納米生物醫(yī)學(xué)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上， GO 將是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的一種杰出的物質(zhì)，在疾病的診斷和治療中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

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