纳米碳纤维在肿瘤治疗中的应用研究进展

刘树森，李素英，刘 蓉

(南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226000 )

自从1991年日本研究员I. SUMIO[1]合成了中空碳纳米材料并检测了其晶体结构，首次提出并命名“碳纳米管”(CNTs)以来，碳基纳米材料的研究开始引起人们的广泛关注[2]。纳米碳纤维(CNFs)是在一定条件下催化裂解气相碳氢化合物制备成的非连续石墨纤维，介于石墨和球碳之间的材料，由纳米尺寸的石墨片层在空间与纤维的轴向成不同角度堆积而成[3-4]。

CNFs和CNTs都是一维碳纳米材料，具有纳米体系小尺寸效应，表面效应，量子尺寸效应，宏观量子尺寸隧道效应的基本特性[5]，二者区别在于不同的石墨化程度。CNTs是由单层或多层石墨烯薄膜卷曲而成具有空心结构的碳纳米材料，石墨化程度高，石墨片层定向平行于管轴排列；CNFs相对石墨化程度较低或者没有石墨化的结构，石墨片层排列杂乱无章，存在实心或空心结构，较低的石墨化程度使CNFs更易进行表面修饰。尽管CNFs在结构上不如CNTs完美，但相关研究证明[6-7]，CNFs表现出较强的光热转化能力，表面易修饰且其制备提纯工艺简单。CNFs在生物医疗领域具有较好的前景。

作者主要介绍了CNFs的表面功能化改性，了解CNFs在生物医疗领域用于肿瘤治疗中的应用和发展。

1 CNFs的表面功能化改性

CNFs尺寸小，与许多基本生物分子之间尺寸相近，可以很好地与生命体相互作用，且CNFs的比表面积大、光学性能独特，在生物医学领域具有广阔的应用前景。但正因为其小尺寸效应，使纳米粒子间范德华力大，容易团聚，难在溶剂中分散，因此要将CNFs应用在生物领域，需要对其进行表面功能化改性，改善其分散性和生物相容性。常用的方法有非共价表面功能化和共价表面功能化改性。

1.1 非共价表面功能化改性

非共价表面功能化是指通过物理吸附将大分子或者聚合物包覆在CNFs表面，这种改性方法对碳纳米材料的结构损伤和固有性能的干扰最小。非共价功能化可以保留CNFs中由sp2石墨碳原子组成的原始蜂窝状结构，利用静电吸引，π-π键的结合及疏水和亲水作用等在CNFs表面吸附，缺点是非共价之间的作用力相对较弱，修饰过的CNFs稳定性差[8-9]。目前，CNFs主要以表面包覆活性剂[10-11]、脱氧核糖核酸(DNA)[12-15]、蛋白质[16-17]甚至是病毒[18]等方式实现表面功能化。吴波[19]在探究碳纤维界面性质与其分散行为的关系时，分别选用了脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸、季铵盐和脂肪醇聚氧乙烯醚3种不同类型的表面活性剂对CNFs进行预处理，并找出了每种表面活性剂的最佳浓度。经处理后CNFs表面羟基和C—O—C基团有大幅度的增加，表明CNFs表面的活性基团被处理剂基团覆盖。王宝民等[20-21]分别证明了以甲基纤维素和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为分散剂可有效地提高CNFs的水溶性。

1.2 共价表面功能化

共价表面功能化主要是通过共价键接枝的方式将一些基团引入碳纳米材料结构中，从而增加其水溶性。此外，引入的官能团还可以提供与其他功能分子进一步结合的机会，从而进一步改善材料的分散性或赋予某种新的功能。相比于同维度石墨烯片层完美、惰性较强、化学稳定性高的CNTs,CNFs没有高度石墨化的六元环结构，纤维表面含有一种或多种官能团，如羟基、羧基及其他官能团，本质上具有了一定的水溶性，更容易进行共价表面功能化。采用一种或多种氧化剂[22-24](硫酸、硝酸、高锰酸钾等)对CNFs进行共价表面功能化是目前CNFs普遍采用的方式。S.G.KIM等[25]通过浓硝酸和硫酸对多孔纳米碳纤维(MCNFs)进行了预处理，并研究了氧化的时间对MCNFs表面的影响，其X射线光电子能谱(XPS)结果显示随着氧化时间的增加，羰基含量逐渐增加；但当氧化时间超过12 h，过度酸化的MCNFs会出现孔道坍塌。通过扫描电镜(SEM)发现[26-27]，采用不同浓度的硝酸处理CNFs后，纤维表面变得粗糙，且硝酸浓度越高表面粗糙的越明显。这表明硝酸刻蚀了CNFs表面，增大了纤维的比表面积。

采用一种或多种强氧化剂的功能改性方法在CNFs表面引入活性基团的同时会对CNFs表面造成刻蚀，破坏CNFs的结构特征，从而影响CNFs的性能。法国科学家Fenton发现的Fenton氧化法[28]既可减少氧化剂对CNFs原有特征的破坏，又能实现其表面共价功能化。具体方法是在酸性条件下，双氧水经Fe2+的催化作用产生羟基自由基，这种氧化剂主要用于处理难降解的有机污染方面。刘超[29]采用Fenton试剂法，使双氧水在催化剂Fe2+/Fe3+的存在下分解成具有强氧化能力的羟基自由基，然后在CNFs表面引入羟基、羧基等功能基团，提高了CNFs在水中的分散性，整个过程对CNFs的实际损伤较轻。

为了进一步提高碳纳米材料的分散性，可以将氧化后的材料与高分子聚合物进行接枝反应，如将酸化的多壁纳米碳管(MWCNTs-COOH)与端基是氨基的聚乙二醇(PEG)接枝共聚[30]，或者先用亚硫酰氯先活化管壁上的羧基，得到更加活泼的酰氯基团，方便与其他基团反应[31]。

2 CNFs在肿瘤治疗中的应用

2.1 毒性

任何用于生物体的外来材料都需要经过体外细胞毒性、体内药代动力学和毒理学等严格的生化标准的检测，以此来说明该物质的生物相容性。目前，纳米碳材料在生物医学方面的研究主要集中在再生、辅助肿瘤治疗和抗病毒等方面，相关的毒性研究尤其是石墨烯[32-33]，CNTs[34]等的毒性数据库日趋完善，在精确控制浓度的情况下，纳米碳材料具有很高的细胞学和生物医学应用的潜力[35]。

对于碳基纳米材料，体内和体外毒性很大程度上取决于形状、大小和表面功能化。C.GRABINSKI等[36]分别对原始碳纤维、CNFs、单壁纳米碳管(SWCNTs)和多壁纳米碳管(MWCNTs)做了细胞毒性测试分析，结果显示CNFs表现出轻微的毒性，细胞形态较对照组没有变化；原始碳纤维表面的细胞有明显的形态学变化，细胞具有一定的存活率；在暴露24 h后，CNFs表现出的细胞毒性较低，而SWCNTs和MWCNTs的毒性水平相似，这表明维度可能在一定程度上起到毒性作用，但是一旦维度低于某一点，其他因素对细胞活力的影响就更大，如材料的表面能，长径比等。D.NASKAR等[37]对CNFs采用了非共价表面活性剂进行功能化处理，并进一步地通过溶血实验、噻唑蓝毒性实验、免疫反应、基因表达及体内实验包括观察45 d和90 d的骨组织生长，以及对排泄器官即肾脏和肝脏进行组织学评估等，检测结果显示以CNFs为基本材料的3D复合支架具有良好的生物相容性，能够支持体外和体内的骨再生，但会有轻微炎症反应。表面功能化能够降低细胞毒性，这是因为表面功能化的碳纳米材料可以显示出类似的细胞融合、黏附和形态，因此不会引起明显毒性。YAN X B等[38]也以CTAB作为SWCNTs与寡核苷酸之间的交联剂用于生物传感，实验表明被CTAB包被的SWCNTs毒性比SWCNTs小，而且其细胞毒性取决于CTAB的浓度。

2.2 光热转化剂

光热疗法(PTT)是除了传统的外科手术治疗、放射治疗和化学治疗外常用的辅助抗癌的一种治疗手段，具体为向体内注射具有光热转化性能的试剂，在近红外(NIR)的照射下，利用温度差杀死肿瘤细胞[39]。PTT的光照空间和功率强度均为可控，有效地降低了全身毒性。无机碳纳米材料与贵金属纳米材料表面一样具有等离子共振(SPR)效应，在NIR区有明显的吸收，而生物体对这个区域不敏感，吸收较少，所以NIR可以轻易地穿透生物组织。以同为一维碳纳米材料的CNTs为例，J.T.ROBINSON等[40]用聚乙二醇化磷脂(PEG衍生物)功能化的CNTs(PEG-SWNTs)结合NIR照射治疗小鼠，180 d后小鼠体内肿瘤完全消除且未表现出任何毒副作用，H.K.MOON等在实验中证实了注射的SWCNTs在60 d内可以通过各种排泄方式排出体外[41]。作为第二代光热试剂，纳米碳材料用于肿瘤治疗已有较为深入的研究，而多级CNFs也不断地在发展，现应用较多的是用于运输载体。

2.3 药物运输

给药系统可用来提高药物的治疗效果和安全性，选择合适的输送载体需结合具体的应用要求，如基因传送，主要有病毒载体系统和非病毒载体系统两大体系[42-44]。病毒载体基因传递效率高，但存在潜在安全性；非病毒载体有脂质体、DNA，其释放能力强但在传送的过程中易被细胞自噬。纳米材料拥有与生物分子类似的维度，具有传递药物或生物活性分子的能力，近年来得到了广泛研究。CNFs包括实心CNFs、中空CNFs，MCNFs和中空MCNFs，既可以作为光热试剂实现肿瘤的消融，也可以作为药物载体，实现光热治疗与其他疗法协同治疗，提高肿瘤治疗效率。如DAI J M等[6-7]以聚丙烯腈(PAN)为基材，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为制孔剂，采用静电纺丝技术制备MCNFs，负载盐酸多柔比星(DOX)用于抑制肿瘤。实验结果显示多孔的结构不仅增大了CNFs的比表面积，而且有利于药物的吸附，载药的MCNFs抗肿瘤效果明显。ZHANG M等[45]以MWCNTs负载DOX实现了光热治疗与化学治疗协同治疗。ZHOU F等[46]以糖基化的壳聚糖(GC)为免疫剂修饰SWNTs，SWNTs-GC系统保留了SWNTs独特的光学性质，且具有GC的免疫功能。SWNTs-GC系统在980 nm激光的照射下完成了光热治疗与免疫效应，起到了破坏肿瘤细胞的协同作用。WANG L等[47]利用碳纳米材料的这一特性负载小干扰核糖核酸(siRNA)，待药物到达肿瘤部位经激光照射SWNTs产热并促进释放siRNA，促使细胞凋亡，具有对肿瘤细胞明显抑制作用，实现了基因治疗与光热治疗的协同作用。

肿瘤的药物输送是通过瘤内注射或静脉注射两种手段将药物被动或主动地送到目标器官或组织的过程，而静脉注射的操作手段更能够减轻患者的痛苦，所以药物的靶向运输则显得很重要。肿瘤的靶向治疗是在细胞分子水平上，根据癌变细胞上过度表达的受体，针对性的设计治疗剂上携带的配体，将药物主动输送到肿瘤部位，尽量减少了药物对健康组织器官的副作用，常用作靶向配体的有叶酸、基因、蛋白等。ZHU X等[48]制备的叶酸介导西紫杉醇负载氧化单壁碳纳米管(FA-DTX-OSWNT-SLN)光热转化系统，发现CNTs能够有效地跨越细胞膜抑制肿瘤细胞，在808 nm近红外激光的照射下增强癌细胞抑制作用。E.G.GRAMHAM等[49]成功用叶酸功能化MWCNTs治疗结肠直肠癌，且比非靶向的MWCNTs治疗效率高出4～5倍。WANG C等[50]采用PEG功能化的SWNTs联合细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4(CTLA-4)治疗肿瘤，其中CTLA-4可识别并阻滞原发性肿瘤细胞的转移。L. F. F. NEVES等[51]利用膜联蛋白V(AV)与细胞膜表面的阴离子磷脂特异性结合的特性，以SWNTs为载体用于治疗乳腺肿瘤，并证实了该方法有效且副作用小。

2.4 荧光成像

CNFs较高的孔隙率和比表面积除了可以作为光热试剂及转载药物进行肿瘤治疗，还具有造影剂的能力，为肿瘤体内诊疗一体化、协同治疗提供了可能。随着药物传递特性的出现，关于转载荧光分子的研究越来越多。近年来，研究者已先后发现了富勒烯、石墨烯、碳量子点及CNTs的荧光效应。P.CHERUKURI等[52]在研究CNTs对生物体影响时发现吞噬细胞可主动吞噬CNTs且没有细胞毒性，当激光的照射波长大于1 100 nm时，吞噬细胞摄取的CNTs可以保持荧光显微成像。CNTs的分散性、溶液的pH值、激光的强度、照射波长等对荧光效应具有一定的影响。CNTs越聚集，溶液酸化程度越高，CNTs的荧光强度就会越低，诸如浓硫酸、浓硝酸这类强氧化剂能共价修饰CNFs表面的同时会降低荧光量子率的产生，但适当的加入表面活性剂可以获得较高的荧光量子产率。在探究纳米荧光强度与激光激发强度的关系时，发现两者并不呈线性关系，具体还有待进一步的研究[53]。如YANG C Y等[54]的实验表明合成的掺氮碳点，不仅可以通过高效的光热转换性能杀死癌细胞，其在体内的荧光成像和光声成像的双模成像在治疗肿瘤方面也显示出了很大的潜力。这是因为碳纳米材料在NIR-I窗口(700～1 100 nm)能将吸收的光子能量转化成热能，是非常理想的光热转化试剂；在NIR-II窗口(1 100～1 700 nm)吸收光子能量进行荧光发射。而NIR-I窗口和NIR-II窗口都是“生物透明窗”，生物体在这两段波长的吸收低、散射小、自荧光小[55]。这些特点都使CNFs作为荧光成像剂成为可能。

3 结语

CNFs因其类CNTs的特性有望在肿瘤抑制领域成为继CNTs和石墨烯后理想的纳米载体，进行光热治疗和药物运输。CNFs和CNTs最大的区别是石墨化程度，正是由于这样的缺陷结构使得CNFs更易修饰。CNTs的制备过程一般需要过渡金属催化剂，若用于生物医学领域需要进行复杂的纯化过程，大大提高了生产成本；而CNFs的制备采用静电纺丝技术，具有操作简单、成本较低、产品纯度高等特点。虽然现今有关CNFs在肿瘤治疗方面的报道较少，但已有的研究成果显示CNFs光热转化效率高，可以吸收光子选择性的破坏细胞，使肿瘤细胞凋亡；且CNFs的细胞毒性在安全范围内，表面功能化后毒性降低，生物相容性提高；中空MCNFs极高的孔隙率和比表面积具备转载药物和成像造影剂的能力等，为体内诊疗一体化、协同治疗提供了可能。以上均证明了CNFs作为治疗药物的潜力。但目前CNFs用于抑制肿瘤尚处于研究阶段，离临床实践的要求相距甚远，还有许多问题亟待解决：(1)CNFs的“乱层石墨结构”使其性能没有CNTs和石墨烯稳定；(2)没有完善的药代动力学和毒理学数据库，如CNFs高的长径比，由于高渗透长滞留效应(EPR滞留效应)会使得半衰期延长，在体内滞留的时间延长，从而可能引起人体毒性；(3)没有完整的表面功能化和钝化的方法库，虽然已有少数报道证明CNFs经过适当的表面功能化毒性降低，但仍没有具体的数据支持。