氧化石墨烯在生物医用材料中的应用研究

孙 彬，徐乐凤

（泰山科学技术研究院，山东 泰安 271000）

1 研究背景及意义

2004 年，Novoselov 等在实验室中使用一种简单的微机械胶带方法分离了石墨烯。由于石墨烯是由密集的碳杂化原子组成的单原子层材料，其分布为六部分碳环的双面蜂窝结构，许多人员关注于这样的结构，在药物与蛋白质传递、再生工程和医学成像等的生物医学方向广泛研究与应用。大多数研究都集中在生物上。由于石墨烯氧化转化，氧化石墨烯（GO）是石墨烯的多级氧化和超声提纯，它的两侧含有羟基和环氧基，羧基边界处的活性基团为氧化石墨化合物，具有显著的表面性质、高亲水性和生物相容性。在生物研究中，氧化石墨烯是目前最热门的研究领域之一，也是生物医药产品中最有效的生物制品之一。

胶原蛋白是医学领域常用的天然高分子化合物之一，可以作为骨架结构存在于细胞外基质，因为胶原的生物相容性、生物降解性和生物活性是相容的。其他合成聚合物被人体吸收，促进细胞存活和生长，许多分子可以与胶原蛋白发生反应，在细胞基质、生物合成和降解过程中发挥生物学作用，因此，胶原蛋白在生物医学领域是非常需要的。

然而，由于内部胶原机械结构的缺点，如强度不足、降解最小和性能不足以满足需求，胶原蛋白经常与其他天然高分子材料或聚合物混合，形成不同类型的生物医学应用。因此，氧化石墨烯和胶原蛋白在生物领域得到了广泛的研究和应用，成为该领域的研究中心。在医学材料的研究中，复合材料往往具有不同的功能，因此生物领域氧化石墨烯的应用，特别是在胶原蛋白相关生物领域的应用，将为生物发展提供新的可能性。本文综述了氧化石墨的形成和结构，以及氧化石墨在细胞中的毒性和生物相容性，综述了氧化石墨在胶原化合物中的应用，以及基于胶原损伤的绉状胶原结构在生物医学中的应用[1]。

2 氧化石墨烯的生物相容性

2.1 氧化石墨烯（GO）细胞毒性的研究

如果生物医学物质不用于临床环境，则应首先根据生物安全标准进行生物学测试，细胞毒性是一个重要的诊断指标。因此，诊断程序之一对于评估物质的细胞毒性很重要。在肺腺癌细胞（A549 细胞）中研究了氧化石墨烯的体外毒性，并对其毒性进行了分析和评估，以确定A549 细胞膜的形态、存活率、死亡率和完整性。结果表明，少量氧化石墨烯（GO）实际上并没有进入细胞，没有明显的细胞毒性，具有良好的细胞亲和力。GO 导致细胞内氧化物的依赖性在高浓度下细胞功能轻微丧失。分析结果总结，GO 可被认为是细胞水平上最安全的东西。同时，实验表明，GO 有利于细胞的生长，作为纳米材料，GO 在体内的毒性引起了人们的广泛关注。一些科学家研究了石墨烯和氧化石墨烯的毒性。适当的研究表明，两项体内毒性研究是有限的，综述和分析了氧化石墨烯的毒性及其表面（化学结构和涂层性能）、尺寸、层理度和细胞类型，以及运输方式、剂量、暴露时间和体内掺入量。通过对人皮肤细胞（crl-2522）中GO 的细胞毒性和生物氧化石墨（rgo）的研究表明：mtt 法不适合于实验性细胞毒性分析，因为石墨烯产生了错误的结论[2]。

因此，氧化石墨对细胞的毒性和一系列与生物安全及氧化石墨毒性相关的因素有关，应仔细考虑和评估GO。为了研究GO 在生物医学特性中的多种用途，应根据实际情况和实验条件确定其细胞毒性的测试和研究方法。这对于在医疗设备中的使用废气尤为重要。

2.2 改善氧化石墨烯（GO）生物相容性的研究

验证材料的相容性，必须遵守生物安全和生物功能的原则，这些原则不仅要求生物毒性低，而且要求生物材料在某些系统中可有效促进适当的身体功能。为了研究GO 的生物相容性，对人成纤维细胞进行细胞毒性试验，通过动物实验研究GO 对小鼠重要器官寿命的影响。实验研究表明，低剂量GO 对小鼠无毒害，高剂量GO 有慢性毒害。在本例中，4/9 的小鼠死亡并出现肺肉芽肿。通过上述实例可得出GO 对动物和人的剂量应考虑GO 与自然的相容性。对GO 生物材料的研究也探讨了如何提高GO 的生物相容性，生物聚合物涂层和表面活性剂的应用在一定程度上提高了气体的生物相容性和生物分布。用氧化石墨（rgo）作为还原剂和活性分子制备生物聚合物，研究表明，DA 使用人血细胞和脐带细胞（HUVEC），可减少GO 的量，研究了功能性生物聚合物RGO 的生物相容性，结果表明，即使在高浓度下，溶血率也很低（＜1.8%），细胞毒性分析也表明HUVEC 物质与细胞有良好的相关性。研究了氨基石墨（go-NH2）、氧化石墨（go-pam）、聚丙烯酰胺和聚丙烯酸对改性GO表面的生物相容性。功能性石墨氧化物（GO-PAA）、合成衍生物、功能性石墨氧化物（GO-PEG）和GO 聚乙二醇在体内的细胞毒性相似，结果表明，在体内go-peg 和go-paa 的主要毒性物质在小体积时毒性较大，GO-PAA在体内外的生物学上是最可接受的[3]。

氧化石墨的细胞毒性和生物相容性研究有限，大量的研究和文献指出了石墨在生物医学材料中的潜力，可以检测到石墨的生物相容性。基于此，类似于在医疗器械中使用氧化石墨烯的能力显着提高。

3 氧化石墨烯作为药物、基因递送载体材料的研究

近年来，氧化石墨烯纳米材料由于其尺寸大和独特的物理化学性质，在载药、基因传递等生物医学领域取得了长足的进步，具有强大的负载能力，可用于可控的药物传递系统。

3.1 肿瘤药物递送载体

采用先进的锤击法，将石墨作为氧化合成石墨的原料，与氯酸（CA）等抗癌药物结合使用。合成了氯氢酸-氧化石墨烯GO-CA 纳米复合材料，拉曼光谱证实了该复合材料与氯酸的有效结合。通过GO 和CA 之间的氢键和π 键的相互作用，对其红外光谱和x 射线衍射进行了分析。分析发现，可见紫外光谱表明复杂的释放曲线在pH 条件下具有良好的依赖性和稳定性；此外，与对照药物相比，抗癌纳米复合材料具有稳定性。体外细胞毒性试验结果表明，当正常细胞无明显细胞毒性时，GO-CA 纳米材料的浓度为50 μ。正常细胞存活率为50%。由于n-异丙基酰胺（NIPAM）在石墨氧化链中与丙烯酸（AA）结合，对癌细胞株、肺癌上皮细胞株A549 和宫颈癌细胞株具有较高的毒性。在纳米凝胶中加入强力霉素DOX，合成了一种新型的纳米凝胶。中低温条件下pH 值显著升高，高温条件下不发生爆炸，其他相关研究表明，含GO 的药物具有良好的生物导向性[4]。

3.2 化学合成药物的负载

此外，GO 还可用于装载含有化学物质的药物。氟尿嘧啶（5-Fu）是β-环糊精（β-CD）和氧化石墨中的一种选择性抗肿瘤代谢物，由β-CD-GO-5-Fu 氢键形成。按标准曲线加载率为105%，β-CD 表面有许多羟基，与碳水化合物一样，有助于新陈代谢，防止药物在体内蓄积，同时提高药物稳定性，减少5-Fu 对胃肠道的刺激。在动物实验中比较负载GO 的5-Fu 本身对肿瘤细胞的杀伤效果，发现含有GO-5-Fu 的能力相同量的药物，杀死4T1 乳腺癌细胞的效果比5-Fu 本身要高很多，装药后，可以提高药物的疗效。

3.3 传统中药的负载

GO 也在进行中药装载的研究。

PEG-GO 用于将贝壳杉烷二萜类化合物毛萼乙素加载到PEG-GO 中，以提高其在盐水中的亲水性和稳定性。根据预先准备好的标准曲线计算，PEG-GO 药物的加载率为18%，在A549 细胞中，100 mg/L 的PEG-GO 在48 h 后达到85%以上的细胞活性，表明PEG-GO 的细胞毒性较低，制备48 h，用细胞学方法检测A549 对肺癌细胞的毒性，移动组细胞存活率为28.5%。PEG-GO 负载下毛萼乙素的细胞存活率仅为21.8%，表明这些物质对A549 细胞有明显的影响。GO 衍生物在其他药物中的具体情况[5]，见表1。

表1 GO 在药物传递中的应用

3.4 基因递送载体

直接基因转移可用于治疗人类和遗传性疾病，也可用于治疗保护DNA 免受核酸酶损伤的载体。聚氯乙烯（pvc）是应用最广泛的纳米材料，然而，PEI 的生物相容性和细胞毒性均低于纯PEI。Go-pei 具有较低的细胞毒性和较高的疾病传播效率，作为一种合适的基因载体，小分子靶点通常较小，易于在短时间内被生物体吸收。将载体分子安全地转移到靶位是非常重要的，氧化石墨烯是值得被选择的。据报道，GO 可以成功地将分子信标（MBS）传递到在太空中直接检测到生物分子的细胞。以往的研究表明，氧化石墨通过不适当的吸附和叠加可以合成单链DNA（ssDNA）和RNA。而静电相互作用等能够表明氧化石墨可能是一种潜在的基因。研究表明，氧化石墨烯可以保护核酸免受酶的破坏，并且可以将单链DNA 移动到细胞中。具有GO 纳米结构图案的基板旨在创建一个在多个细胞系中按基因序列顺序进行基因修饰的系统，系统使用GO 底物作为DNA 的浓缩物，最终可以逐渐释放，与PEI 连接的GO 纳米载体也已用于传递siRNA和化学品[6]。

3.5 药物控释

为了在正确的时间以正确的数量递送药物，已经开发出可以在内部（体温、pH、某些化学反应）或外部（使用超声波、磁场）发生反应的新药物载体。曾报道了一些基于GO 的环境友好型药物输送计划，如果药物通过pH 敏感传感器附着在药物载体上，药物的释放可以通过控制局部pH 值来控制。这一简单的程序有效避免了不良药物在运输过程中的释放。药物在靶器官的释放效率也得到了提高，许多研究人员利用氧化石墨制备了高pH 值的高灵敏度药物载体。开发了作用于磷脂膜的单层氧化石墨烯，新型的纳米复合材料显示出受pH 值调节的药物释放，并具有70%的负载能力[7]。

此外，利用电场、超声波等便携式技术促进纳米材料释放的概念得到了成功的应用，提出了一种简单的制备go/Fe3O4化合物的方法，使磁场易于控制药物的释放外部，高达200%的药物，这意味着药物的释放模式和成本可以在治疗后得到控制。应特别注意伤口涂层中石墨的氧化，以刺激皮肤组织的细胞生长和再生，同时石墨本身具有抗菌和抗炎的作用，这对活性涂层非常重要，可增加石墨氧化物的用量[8]。

3.6 免疫增强剂

纳米等级材料的化学成分、物理性能特征等在很大程度上影响着其作为生物类型材料的实际应用前景。与此同时，科学研究表明免疫器官是纳米级别雷克在全身分布的核心部位[9]。以GO 作为核心的纳米级别材料可有效对免疫细胞的发育进程进行专项调控，同时诱导小鼠的肺部炎症。近几年来的一些专业研究，也充分证明GO 展现出了较为显著的免疫增进效果。所以，GO 及免疫系统之间的互为作用也受到了深入的关注。

不过，在GO 被运作为免疫增强剂的过程之中，机体会进一步出现氧化应激等多样化的负面化作用。所以，亟需进一步研发负面作用相对较低且立足于氧化石墨烯的专项免疫佐剂[10]。

3.7 光热学专项治疗

氧化石墨烯与生物医疗的有效结合，也有着非常可观的应用意义，比如在光热化治疗过程中，尤其整体光热转化性能，在红外激光照射下迅速产生较高的温度，以实现对有害细胞的清除。特别是诸如挑选应用卟啉修饰氧化石墨烯，从而可以获取PGO，专业的医学研究已经证明，在红外激光照射的整体影响之下，PGO 的光热转化率相比氧化石墨烯显著较高，可消除大批量的脑部肿瘤细胞，同时不会给良性的细胞带来负面性影响。

而在光动力学的具体治疗中，氧化石墨烯可以作为高效化的载体，例如可有效结合应用甲氧基聚乙二醇修饰NGO 负载光敏剂酞菁锌，所形成的负载率非常可观，在被专项细胞内涵之后，可展现出较为显著的消毒特性[11]。

3.8 氧化石墨烯应用于抗菌材料

生物医学领域之中抗菌材料的应用极具广泛性特征，也是重要的医用材料代表，其更是安全与健康的重要保障，例如抗生素等诸多类型材料皆可在材料表层控制细菌的滋生，不过仍然有相对较多的材料存在运作成本相对较高的问题，对于氧化石墨烯而言，因为其本身便具有较为显著的抗菌性特征，这也让氧化石墨烯可被研制成为抗菌类型材料，对于此，相关的医学科技工作人员也展现了专项的探究，也全面验证了其具有着较为突出的抗菌特性，举例而言，氧化石墨烯可以与AG 等组合成为全新的复合物，而相关的复合物也具有着优异的抗菌功能[12]。

4 结束语

因此，对氧化石墨烯（GO）的生物安全性研究证实，氧化石墨烯对人体具有毒性，按体积计，低浓度时无明显毒性，表明其生物相容性良好。现代氧化石墨烯的价格降低了材料成本，因此在生物领域中，氧化石墨的研究和应用将大大增加。然而，氧化石墨烯的毒性尚未达成共识，如果要在成熟的临床环境中使用，仍需要深入的GO 生物安全性研究。