石墨烯在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

1、一、石墨烯概述石墨烯（Graphene）是一種由sp2雜化的碳原子呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)緊密排列而成的單原子層 二維材料。Andre Geim和Konstantin Novoselov于2004年首次通過(guò)微機(jī)械力剝離高取向熱解 石墨（HOPG）成功制備并觀察石墨烯，二人因此分享2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。源于其特殊的單原子層二維結(jié)構(gòu)，石墨烯在電子學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)等方面擁有出色 的性能。2012年，Nature發(fā)表了關(guān)于石墨烯的前瞻性文章，指出石墨烯在電子學(xué)（柔性電子 材料、高頻晶體管、邏輯晶體管等）、光子學(xué)（光電探測(cè)器、光調(diào)制器、鎖模激光/太赫茲信號(hào)發(fā)生器、光學(xué)偏振控制器等）、復(fù)合材料、涂料、能源、傳

2、感器和生物醫(yī)用等領(lǐng)域具有良 好的應(yīng)用前景1。碳元素是有機(jī)生物體的基本組成元素之一，而且經(jīng)研究證實(shí)，經(jīng)一定修飾 的石墨烯確實(shí)具有良好的生物相容性，故石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有天然的優(yōu)勢(shì)。2008年，戴宏杰課題組基于石墨烯材料首次實(shí)現(xiàn)藥物傳送，開(kāi)啟了石墨烯在生物醫(yī)用領(lǐng)域研究和應(yīng)用 的新紀(jì)元2。由于真正意義上的石墨烯難以實(shí)現(xiàn)宏量制備，因此實(shí)際應(yīng)用多為石墨烯衍生物， 包括少層石墨烯（210層）、多層石墨烯（10層以上，但厚度小于100nm）、氧化石墨烯（GO）與經(jīng)還原的氧化石墨烯（rGO）等。目前，石墨烯和其衍生物經(jīng)研究證實(shí)可應(yīng)用于藥 物基因輸送、復(fù)合材料、腫瘤光熱治療、生物成像、電化學(xué)生物傳感器、抗菌

3、和組織工程等 生物醫(yī)用相關(guān)領(lǐng)域。二、石墨烯在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展1 .石墨烯的結(jié)構(gòu)性質(zhì)相關(guān)應(yīng)用石墨烯尤其GO比表面積大，并且在水中有很好的分散性。GO表面含有豐富的含氧官能團(tuán)，能將各種藥物和生物分子通過(guò)化學(xué)方式固定在其表面，故在藥物和基因輸送領(lǐng)域具有 良好的應(yīng)用前景。由于呈非水溶性，一些具有良好療效的芳香族藥物難以實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。戴 宏杰課題組通過(guò)非共價(jià)的 汽-汽相互作用成功將非水溶性抗腫瘤藥物喜樹(shù)堿衍生物（SN38）負(fù)載到經(jīng)聚乙二醇修飾的 GO表面，可很好分散在水中并保持其出色療效，證明石墨烯是一種 出色的藥物載體2。陳永勝課題組成功將鹽酸阿霉素（ DXR）負(fù)載到GO上，并研究了 DXR的釋

4、放過(guò)程，發(fā)現(xiàn) GO對(duì)DXR的裝載率可高達(dá) 2.35 mg/mg,且DXR的裝載率和釋放動(dòng) 力學(xué)均可通過(guò)調(diào)節(jié)pH值進(jìn)行調(diào)控3。Zhang等人4分別對(duì)GO進(jìn)行了磺酸基和葉酸分子修 飾以提高其在生理溶液中的穩(wěn)定分散性和MCF-7細(xì)胞靶向性，并將2種抗癌藥物阿霉素與喜樹(shù)堿共同負(fù)載于其表面，表現(xiàn)出優(yōu)于單藥物的MCF-7細(xì)胞毒性。除了用于輸送藥物，石墨烯還可作為基因載體用于基因轉(zhuǎn)染。GO表面含有大量的竣基、羥基等官能團(tuán)，使其較容易地通過(guò)表面修飾得到帶正電荷的石墨烯復(fù)合物以用于基因輸送轉(zhuǎn) 染相關(guān)研究。目前，聚乙烯亞胺、殼聚糖和1-花甲基胺等帶正電荷材料已被用于修飾石墨烯并充當(dāng)基因輸送載體。張智軍課題組5研究

5、發(fā)現(xiàn)經(jīng)聚乙烯亞胺（PEI）共價(jià)修飾的GO具有更低的細(xì)胞毒性，并表現(xiàn)出較 PEI更好的基因轉(zhuǎn)染效果，且能有效地將質(zhì)粒DNA輸送至細(xì)胞核。同時(shí)發(fā)現(xiàn)經(jīng) PEI修飾的GO可同時(shí)負(fù)載siDNA和抗腫瘤藥物 DOX ,將Bcl-2蛋白特異 性的siRNA輸送到腫瘤細(xì)胞內(nèi)可有效下調(diào)細(xì)胞內(nèi)Bcl-2蛋白的表達(dá)水平，增強(qiáng)細(xì)胞對(duì) DOX的敏感性，實(shí)現(xiàn)基因治療與化療對(duì)腫瘤細(xì)胞的協(xié)同治療。Kim等人的6相關(guān)研究表明，利用DNA的PEG -BPEI iGO載體在近紅外光的輻照下高效的光熱轉(zhuǎn)換能力可有效促進(jìn)負(fù)載質(zhì)粒 石墨烯載體從溶酶體內(nèi)釋放，實(shí)現(xiàn)近紅外光可控的基因輸送。2 .石墨烯的力學(xué)性質(zhì)相關(guān)應(yīng)用由于其碳原子層二維結(jié)構(gòu)

6、特點(diǎn)，石墨烯具有極好的力學(xué)性能，無(wú)支撐單層石墨烯的楊氏 模量高達(dá)1.0 TPa,內(nèi)稟強(qiáng)度為130GPa。因此，石墨烯可作為二維增強(qiáng)相應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng) 域。羥基磷灰石（HA）的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)與人體骨組織中的磷酸鈣鹽相似，故其具有優(yōu) 異的生物相容性，適宜成骨細(xì)胞的粘附、增殖和成骨礦化。但其固有的共價(jià)鍵或共價(jià)鍵 圈子 鍵共存的特征，使其斷裂韌性差，降低了HA的可靠性與服役時(shí)間。Zhang等7選用石墨烯納米片（GNSs）作為HA的二維增強(qiáng)相，研究了 HA及GNS/HA復(fù)合材料的力學(xué)性能（如顯 微硬度、彈性模量和斷裂韌性）。結(jié)果表明，1.0 GNS/HA （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的彈性模量、顯微硬度和斷裂韌性分

7、別比 HA增加了約40%、30%和80%。GNS的拔出、GNS在晶粒之間的橋接、 裂紋橋接、裂紋偏轉(zhuǎn)等是 GNS/HA復(fù)合材料中的主要增韌機(jī)制。Fan等8利用酰胺化反應(yīng)將酪蛋白磷酸肽接枝到竣基化石墨烯的表面，制備了酪蛋白磷酸肽石墨烯復(fù)合物以改善石墨烯 的骨整合能力。通過(guò)水熱法一步合成了石墨烯/羥基磷灰石納米棒復(fù)合新材料，研究發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料能顯著提高羥基磷灰石的楊氏模量和力學(xué)性能。同時(shí)，與石墨烯和羥基磷灰石相比， 該復(fù)合材料中含有40%羥基磷灰石時(shí)，表現(xiàn)出更高的骨整合能力、更好的生物相容性及優(yōu)異 的骨細(xì)胞繁殖誘導(dǎo)能力。作為人工關(guān)節(jié)材料之一，超高分子量聚乙烯（ UHMWPE ）雖然具有較好的耐磨性

8、能，但 在長(zhǎng)期使用過(guò)程中磨損仍不可避免，產(chǎn)生的磨屑會(huì)導(dǎo)致周?chē)侨芙?，進(jìn)而引起無(wú)菌性松動(dòng)， 影響人工關(guān)節(jié)服役壽命。通過(guò)引入 GO制備的GO/UHMWPE復(fù)合材料卻表現(xiàn)出更為優(yōu)異的 硬度和在不同潤(rùn)滑介質(zhì)下的耐磨T能。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA ）義齒基托材料具有出色的仿真美學(xué)效果和生物學(xué)性能，但其力學(xué)性能不能很好地滿(mǎn)足臨床要求，主要表現(xiàn)在耐磨性 差等。在其中添加一定量的 GO （質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.1%）,可有效提高其在人工唾液潤(rùn)滑介質(zhì) 下的耐磨性能。3 .石墨烯的熱學(xué)性質(zhì)相關(guān)應(yīng)用由于在近紅外光區(qū)域具有出色的光熱轉(zhuǎn)換能力，石墨烯與經(jīng)修飾的石墨烯被大量研究并 用于腫瘤的光熱治療。劉莊課題組于2010年發(fā)

9、現(xiàn)與碳納米管不同，經(jīng)聚乙二醇（ PEG）修飾的石墨烯可通過(guò)被動(dòng)靶向富集到腫瘤組織，而且利用其在近紅外區(qū)的良好光吸收能力，首次 將石墨烯基材料應(yīng)用于腫瘤的光熱治療9。該課題組還較系統(tǒng)地比較研究了具有不同尺寸和表面特性的rGO對(duì)體內(nèi)腫瘤的光熱治療效果，發(fā)現(xiàn)水合脫還原的氧化石墨烯經(jīng)PEG修飾后,在較傳統(tǒng)功率低一個(gè)量級(jí)的 808nm激光輻照下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤組織100%的消除。該課題組還制備了一種由四氧化三鐵和金納米粒子共同修飾的具有強(qiáng)順磁性和高近紅外吸收能力的氧 化石墨烯納米結(jié)構(gòu) GO-IONP-Au ,并經(jīng)PEG處理獲得了可在生理環(huán)境中穩(wěn)定存在的GO-IONP-Au-PEG,體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明

10、該復(fù)合材料無(wú)顯著毒性，且具有增強(qiáng)的腫瘤光熱治療效果。戴宏杰課題組研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)PEG修飾后超小尺寸（約 20nm）的rGO較GO具有更高的近紅外區(qū)光吸收能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤細(xì)胞的光熱殺傷，且在所需劑量下并無(wú)明顯生物 毒性10。除通過(guò)光熱治療直接殺死腫瘤細(xì)胞，石墨烯的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)還被廣泛應(yīng)用于腫瘤 的協(xié)同治療相關(guān)研究中。4 .石墨烯的光學(xué)性質(zhì)相關(guān)應(yīng)用由于具有良好的分散穩(wěn)定性、生物相容性和較強(qiáng)的熒光成像效果，石墨烯基材料作為一 種新興的熒光成像材料在生物活體成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。石墨烯自身在近紅外光激 發(fā)下即可發(fā)出熒光，且將一些熒光染料通過(guò)共價(jià)或非共價(jià)方式連接到石墨烯上可獲得具有更 優(yōu)熒光性能的

11、復(fù)合物。戴宏杰課題組制備了可在生理環(huán)境中可穩(wěn)定存在的聚乙二醇化的氧化 石墨烯（GO-PEG）,并發(fā)現(xiàn)GO-PEG在可見(jiàn)和近紅外光區(qū)均存在良好的光致發(fā)光性能，且 易與細(xì)胞的自發(fā)熒光區(qū)分開(kāi)，因此可用于進(jìn)行細(xì)胞成像。Yang等9將染料Cy7連接到經(jīng)聚乙二醇修飾的GO上，并通過(guò)靜脈注射方式將其注入種植有腫瘤的小鼠體內(nèi)，1天后經(jīng)Cy7修飾的石墨烯大量富集在腫瘤內(nèi)部，并呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的熒光，實(shí)現(xiàn)了腫瘤的標(biāo)記檢測(cè)。止匕外， 石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）具有優(yōu)異的水中分散性、出色的生物相容性和光致發(fā)光性質(zhì)，是一 種新興的生物成像材料，可作為一種出色的細(xì)胞標(biāo)記和成像材料。5 .石墨烯的電學(xué)性質(zhì)相關(guān)應(yīng)用石墨烯可促進(jìn)電子傳

12、遞，對(duì)一些生物小分子表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化行為，同時(shí)電化學(xué)檢測(cè) 方法具有易攜帶、靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，故在高性能電化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域，石墨烯也 受到廣泛關(guān)注。為研究石墨烯在電化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用前景，有必要對(duì)其基礎(chǔ)電化學(xué) 行為進(jìn)行研究。Zhou等人11發(fā)現(xiàn)經(jīng)rGO修飾的玻碳電極在 0.1 M磷酸緩沖液中的電位窗口 高到2.5V,與石墨修飾電極和玻碳電極接近，且對(duì)于多種無(wú)機(jī)和有機(jī)電活性化合物的電化學(xué) 相應(yīng)，rGO修飾電極表現(xiàn)出更低的電荷轉(zhuǎn)移電阻。簡(jiǎn)便快捷地檢測(cè)葡萄糖在預(yù)防、診斷和治 療糖尿病中具有重要意義。石墨烯作為電極表面和葡萄糖氧化酶氧化還原中心的導(dǎo)電原件， 可很好地保持葡萄糖氧化酶的生物

13、活性，并促進(jìn)電子信號(hào)從酶的活性中心向電極表面的傳遞。 且由于石墨烯具有較大的比表面積，酶可較好負(fù)載于其表面，基于此構(gòu)建的葡萄糖氧化酶電 化學(xué)生物傳感器具有較寬的檢測(cè)范圍。在食品、醫(yī)藥、臨床、人體健康等領(lǐng)域，過(guò)氧化氫（H2O2）、煙酰胺腺嗯吟二核甘酸（NADH ）和多巴胺等生物分子的電化學(xué)檢測(cè)具有重大的意義。經(jīng)石墨烯修飾的電極具有出 色的電催化活性，且其邊緣存在的缺陷可作為活性位點(diǎn)，提高被檢測(cè)生物分子的電子轉(zhuǎn)移速 度，降低電子轉(zhuǎn)移電阻。石墨烯修飾的電極可在同時(shí)存在多種生物分子的條件下，對(duì)其中一 種分子進(jìn)行檢測(cè)，具有分離效果好和檢測(cè)限低等優(yōu)點(diǎn)。在檢測(cè)選定DNA序列和疾病相關(guān)變異基因方面，電化學(xué) D

14、NA傳感器具有靈敏度高、選 擇性高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，有望提供一種簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確和廉價(jià)的臨床檢測(cè)平臺(tái)。石墨烯具有較寬 的電勢(shì)窗口，可直接檢測(cè)氧化還原電位較高的核酸分子。Zhou等11報(bào)道了基于rGO的DNA電化學(xué)傳感器，該傳感器可有效區(qū)分 DNA的4個(gè)自由基（鳥(niǎo)嗯吟、腺嗯吟、胸腺喀咤 和胞喀咤）在電極上的電化學(xué)反應(yīng)，并可在不需水解的前提下同時(shí)測(cè)定ssDNA和dsDNA6 .石墨烯的生物學(xué)性質(zhì)相關(guān)應(yīng)用（1）石墨烯的抗菌性Hu等人于2010年首次發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯（GO）和還原后的氧化石墨烯（rGO）均具有優(yōu) 異的抗菌性12,通過(guò)真空抽濾方法制備的 GO和rGO膜同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性。深入研 究結(jié)果表明，G

15、O和rGO片層結(jié)構(gòu)的邊緣堅(jiān)硬，可能會(huì)對(duì)大腸桿菌等細(xì)菌的細(xì)胞膜造成損傷。 Akhavan等人13通過(guò)電泳沉積方法在不銹鋼基底表面制備了GO薄膜，并通過(guò)水合脫還原得到了 rGO薄膜，兩者均會(huì)對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜的完整性產(chǎn)生破壞從而表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性。rGO薄膜較GO薄膜表現(xiàn)出對(duì)革蘭氏陰性菌（大腸桿菌）與革蘭氏陽(yáng)性菌（金黃色葡萄球菌）更好 的抑制效果，這主要是由于當(dāng)具有更加鋒利邊緣的rGO與細(xì)菌相互作用時(shí)具有更好的電荷轉(zhuǎn)移特性。Akhavan等人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，團(tuán)聚的 GO和rGO能夠通過(guò)捕獲大腸桿菌使其與外界環(huán) 境相分離，細(xì)菌由于不能有效獲得營(yíng)養(yǎng)成分而停止生長(zhǎng)甚至死亡，因此 GO和rGO表現(xiàn)出良 好的抗菌性。

16、Liu等人15通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)石墨烯基材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、片層大小均會(huì)影響其抗菌 性能。在相同條件下，GO表現(xiàn)出最好的抗菌性，其次分別是 rGO、石墨和氧化石墨；大尺 寸GO具有更加優(yōu)異的抗菌性能。同時(shí)發(fā)現(xiàn)石墨烯基材料的抗菌性主要來(lái)源于其尖銳的邊緣 與細(xì)菌的細(xì)胞膜相接觸時(shí)而產(chǎn)生的膜應(yīng)力，超氧陰離子氧化應(yīng)激也是抗菌原因之一。Fan等人16合成了不同質(zhì)量比的銀/石墨烯復(fù)合物，然后與聚丙烯酸和聚甲叉雙丙烯酰胺交聯(lián)制成 石墨烯復(fù)合水凝膠。當(dāng)水凝膠中銀與石墨烯的質(zhì)量比為5:1時(shí)，該水凝膠表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能以及優(yōu)異的抗菌性和生物相容性。由于GO的制備簡(jiǎn)便、成本低廉，GO的抗菌性有望在環(huán)境和臨床領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用

17、。不過(guò)，Ruiz等人研究發(fā)現(xiàn)17GO分散液和薄膜不但未能抑制細(xì)菌的增殖，反而起到促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)的作用。他們認(rèn)為在之前研究中，GO之所以能夠起到抗菌作用，其來(lái)源可能是 GO制備過(guò)程中遺留的污染物或低估了GO濃度，而他們所使用的是經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間透析的含雜質(zhì)比較少的GO。這說(shuō)明GO的制備工藝和質(zhì)量均會(huì)嚴(yán)重影響細(xì)菌數(shù)量。（2）石墨烯促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)分化Ruiz等人17發(fā)現(xiàn)GO薄膜可以通過(guò)促進(jìn)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的粘附和增殖而提高其生長(zhǎng)能力。石墨烯具有較低的細(xì)胞毒性，可加快骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（ hMSCs）向成骨細(xì)胞分化，其誘導(dǎo) 分化速度與BMP-2相差無(wú)幾。石墨烯表面適宜成骨細(xì)胞在其表面進(jìn)行貼附，而且成骨細(xì)胞的 貼附則直接

18、關(guān)系著其增殖、分化等細(xì)胞活動(dòng)，同時(shí)也有研究發(fā)現(xiàn)石墨烯有利于磷酸鹽和鈣鹽 在其表面礦化，即成骨礦化能力優(yōu)異，這一系列的細(xì)胞活動(dòng)對(duì)植入體表面新骨的生成具有促 進(jìn)作用。Chen等人18研究發(fā)現(xiàn)iPSCs可在GO和rGO表面粘附和增殖，但 rGO會(huì)抑制 iPSCs的分化，而GO卻可以促進(jìn)其分化，石墨烯的不同表面特性是調(diào)節(jié)iPSCs生長(zhǎng)和分化行為的重要因素。石墨烯材料在骨組織工程領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。石墨烯具有良好的生物相容性，可促進(jìn)hNSCs的粘附并誘導(dǎo)其向神經(jīng)元細(xì)胞分化而不是神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，且能夠明顯提升神經(jīng)突的數(shù)量和平均長(zhǎng)度，是一種潛在的神經(jīng)接口材料。程 國(guó)勝和戴建武等19合作開(kāi)發(fā)了一種三維石墨烯

19、泡沫神經(jīng)干細(xì)胞支架材料3D-GFs。神經(jīng)干細(xì)胞可在3D-GFs表面粘附增殖，且可進(jìn)一步定向分化為星形膠質(zhì)細(xì)胞尤其是神經(jīng)元細(xì)胞。美 國(guó)西北大學(xué)Ramille Shah課題組開(kāi)發(fā)出了可 3D打印石墨烯油墨（石墨烯含量高達(dá)60%）,該油墨除石墨烯之外的材料是主要具有良好生物相容性的可降解聚酯材料，這使得其能夠靈活安全地應(yīng)用于生物醫(yī)用領(lǐng)域（圖1）。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)采用該油墨 3D打印的石墨烯支架結(jié)構(gòu)具有良好的生物相容性。體外實(shí)驗(yàn)表明，石墨烯支架不會(huì)影響干細(xì)胞生存，且能促進(jìn)其繼續(xù) 分裂、增殖并轉(zhuǎn)化成類(lèi)似神經(jīng)元的細(xì)胞。石墨烯有望在神經(jīng)組織工程及神經(jīng)干細(xì)胞移植治療 等領(lǐng)域得到應(yīng)用。溶解的石墨烯聚合物分散液數(shù)毫升

20、數(shù)升高保真石艇端和支架資料來(lái)源：美國(guó)化學(xué)會(huì)，2015生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用圖1.可根據(jù)需要采用3DG漿料通過(guò)3D打印制備適于不同用途的石墨烯結(jié)構(gòu)三、石墨烯的生物安全性由于其出色的結(jié)構(gòu)、力熱光電和生物學(xué)性質(zhì)，石墨烯能夠應(yīng)用于生物醫(yī)用多個(gè)領(lǐng)域，但 要實(shí)現(xiàn)石墨烯材料的臨床應(yīng)用，其生物安全性是一個(gè)不可忽視的重要問(wèn)題。石墨烯的主要組 成元素是碳，而碳是組成生物有機(jī)體內(nèi)最基本的元素之一，因此石墨烯材料在生物醫(yī)用應(yīng)用 中具有天然的優(yōu)勢(shì)。由于制備工藝不同，石墨烯與其衍生物材料的物理化學(xué)性質(zhì)（如尺寸大 小、結(jié)構(gòu)形狀、表面化學(xué)狀態(tài)等）不盡相同，因此其與生物分子、細(xì)胞、組織和器官等相互 作用方式多種多樣。但目前大量研究表明石墨烯是一種生物相容性良好的碳納米材料。細(xì)胞毒性是評(píng)估材料生物安全性的重要指標(biāo)之一。石墨烯材料一般均表現(xiàn)出較低的細(xì)胞 毒性。雖個(gè)別研究發(fā)現(xiàn) GO呈現(xiàn)出較高的溶血率，但經(jīng)過(guò)聚乙二醇、殼聚糖、吐溫、人工過(guò) 氧化物酶、葡聚糖、蛋白等修飾