詳解石墨烯生物醫(yī)用領(lǐng)域的應用

　　石墨烯作為新材料之王，由于其出色的結(jié)構(gòu)、力熱光電和生物學性質(zhì)，石墨烯能夠應用于生物醫(yī)用多個領(lǐng)域，但要實現(xiàn)石墨烯材料的臨床應用，其生物安全性是一個不可忽視的重要問題。

　　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年首次通過微機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年諾貝爾物理學獎。

　　源于其特殊的單原子層二維結(jié)構(gòu)，石墨烯在電子學、光學、力學和熱學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（柔性電子材料、高頻晶體管、邏輯晶體管等）、光子學（光電探測器、光調(diào)制器、鎖模激光/太赫茲信號發(fā)生器、光學偏振控制器等）、復合材料、涂料、能源、傳感器和生物醫(yī)用等領(lǐng)域具有良好的應用前景［1］。碳元素是有機生物體的基本組成元素之一，而且經(jīng)研究證實，經(jīng)一定修飾的石墨烯確實具有良好的生物相容性，故石墨烯在生物醫(yī)學領(lǐng)域具有天然的優(yōu)勢。2008年，戴宏杰課題組基于石墨烯材料首次實現(xiàn)藥物傳送，開啟了石墨烯在生物醫(yī)用領(lǐng)域研究和應用的新紀元［2］。由于真正意義上的石墨烯難以實現(xiàn)宏量制備，因此實際應用多為石墨烯衍生物，包括少層石墨烯（2～10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)研究證實可應用于藥物基因輸送、復合材料、腫瘤光熱治療、生物成像、電化學生物傳感器、抗菌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)域的應用進展

　　1.石墨烯的結(jié)構(gòu)性質(zhì)相關(guān)應用

　　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，能將各種藥物和生物分子通過化學方式固定在其表面，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現(xiàn)實際應用。戴宏杰課題組通過非共價的π-π相互作用成功將非水溶性抗腫瘤藥物喜樹堿衍生物（SN38）負載到經(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）負載到GO上，并研究了DXR的釋放過程，發(fā)現(xiàn)GO對DXR的裝載率可高達2.35 mg/mg，且DXR的裝載率和釋放動力學均可通過調(diào)節(jié)pH值進行調(diào)控［3］。Zhang等人［4］分別對GO進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細胞靶向性，并將2種抗癌藥物阿霉素與喜樹堿共同負載于其表面，表現(xiàn)出優(yōu)于單藥物的MCF-7細胞毒性。

　　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表面含有大量的羧基、羥基等官能團，使其較容易地通過表面修飾得到帶正電荷的石墨烯復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-芘甲基胺等帶正電荷材料已被用于修飾石墨烯并充當基因輸送載體。張智軍課題組［5］研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)聚乙烯亞胺（PEI）共價修飾的GO具有更低的細胞毒性，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輸送至細胞核。同時發(fā)現(xiàn)經(jīng)PEI修飾的GO可同時負載siDNA和抗腫瘤藥物DOX，將Bcl-2蛋白特異性的siRNA輸送到腫瘤細胞內(nèi)可有效下調(diào)細胞內(nèi)Bcl-2蛋白的表達水平，增強細胞對DOX的敏感性，實現(xiàn)基因治療與化療對腫瘤細胞的協(xié)同治療。Kim等人的［6］相關(guān)研究表明，利用PEG–BPEI–rGO載體在近紅外光的輻照下高效的光熱轉(zhuǎn)換能力可有效促進負載質(zhì)粒DNA的石墨烯載體從溶酶體內(nèi)釋放，實現(xiàn)近紅外光可控的基因輸送。

　　2.石墨烯的力學性質(zhì)相關(guān)應用

　　由于其碳原子層二維結(jié)構(gòu)特點，石墨烯具有極好的力學性能，無支撐單層石墨烯的楊氏模量高達1.0 TPa，內(nèi)稟強度為130GPa。因此，石墨烯可作為二維增強相應用于復合材料領(lǐng)域。

　　羥基磷灰石（HA）的化學成分、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，適宜成骨細胞的粘附、增殖和成骨礦化。但其固有的共價鍵或共價鍵/離子鍵共存的特征，使其斷裂韌性差，降低了HA的可靠性與服役時間。Zhang等［7］選用石墨烯納米片（GNSs）作為HA的二維增強相，研究了HA及GNS/HA復合材料的力學性能（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)量分數(shù)）的彈性模量、顯微硬度和斷裂韌性分別比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復合材料中的主要增韌機制。Fan等［8］利用酰胺化反應將酪蛋白磷酸肽接枝到羧基化石墨烯的表面，制備了酪蛋白磷酸肽石墨烯復合物以改善石墨烯的骨整合能力。通過水熱法一步合成了石墨烯/羥基磷灰石納米棒復合新材料，研究發(fā)現(xiàn)該復合材料能顯著提高羥基磷灰石的楊氏模量和力學性能。同時，與石墨烯和羥基磷灰石相比，該復合材料中含有40%羥基磷灰石時，表現(xiàn)出更高的骨整合能力、更好的生物相容性及優(yōu)異的骨細胞繁殖誘導能力。

　　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能，但在長期使用過程中磨損仍不可避免，產(chǎn)生的磨屑會導致周圍骨溶解，進而引起無菌性松動，影響人工關(guān)節(jié)服役壽命。通過引入GO制備的GO/UHMWPE復合材料卻表現(xiàn)出更為優(yōu)異的硬度和在不同潤滑介質(zhì)下的耐磨性能。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）義齒基托材料具有出色的仿真美學效果和生物學性能，但其力學性能不能很好地滿足臨床要求，主要表現(xiàn)在耐磨性差等。在其中添加一定量的GO（質(zhì)量分數(shù)約為0.1%），可有效提高其在人工唾液潤滑介質(zhì)下的耐磨性能。

　　3.石墨烯的熱學性質(zhì)相關(guān)應用

　　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)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被動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對體內(nèi)腫瘤的光熱治療效果，發(fā)現(xiàn)水合肼還原的氧化石墨烯經(jīng)PEG修飾后，在較傳統(tǒng)功率低一個量級的808nm激光輻照下即可實現(xiàn)對腫瘤組織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)和體外實驗結(jié)果均證明該復合材料無顯著毒性，且具有增強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，可實現(xiàn)對腫瘤細胞的光熱殺傷，且在所需劑量下并無明顯生物毒性［10］。除通過光熱治療直接殺死腫瘤細胞，石墨烯的光熱轉(zhuǎn)換效應還被廣泛應用于腫瘤的協(xié)同治療相關(guān)研究中。

　　4.石墨烯的光學性質(zhì)相關(guān)應用

　　由于具有良好的分散穩(wěn)定性、生物相容性和較強的熒光成像效果，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共價或非共價方式連接到石墨烯上可獲得具有更優(yōu)熒光性能的復合物。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在可見和近紅外光區(qū)均存在良好的光致發(fā)光性能，且易與細胞的自發(fā)熒光區(qū)分開，因此可用于進行細胞成像。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)出強烈的熒光，實現(xiàn)了腫瘤的標記檢測。此外，石墨烯量子點（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胞標記和成像材料。

　　5.石墨烯的電學性質(zhì)相關(guān)應用

　　石墨烯可促進電子傳遞，對一些生物小分子表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化行為，同時電化學檢測方法具有易攜帶、靈敏度高、成本低等優(yōu)點，故在高性能電化學生物傳感器領(lǐng)域，石墨烯也受到廣泛關(guān)注。為研究石墨烯在電化學生物傳感器領(lǐng)域的應用前景，有必要對其基礎(chǔ)電化學行為進行研究。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，且對于多種無機和有機電活性化合物的電化學相應，rGO修飾電極表現(xiàn)出更低的電荷轉(zhuǎn)移電阻。簡便快捷地檢測葡萄糖在預防、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電原件，可很好地保持葡萄糖氧化酶的生物活性，并促進電子信號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，酶可較好負載于其表面，基于此構(gòu)建的葡萄糖氧化酶電化學生物傳感器具有較寬的檢測范圍。

　　在食品、醫(yī)藥、臨床、人體健康等領(lǐng)域，過氧化氫（H2O2）、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和多巴胺等生物分子的電化學檢測具有重大的意義。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，提高被檢測生物分子的電子轉(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存在多種生物分子的條件下，對其中一種分子進行檢測，具有分離效果好和檢測限低等優(yōu)點。

　　在檢測選定DNA序列和疾病相關(guān)變異基因方面，電化學DNA傳感器具有靈敏度高、選擇性高和成本低等優(yōu)點，有望提供一種簡單、準確和廉價的臨床檢測平臺。石墨烯具有較寬的電勢窗口，可直接檢測氧化還原電位較高的核酸分子。Zhou等［11］報道了基于rGO的DNA電化學傳感器，該傳感器可有效區(qū)分DNA的4個自由基（鳥嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶）在電極上的電化學反應，并可在不需水解的前提下同時測定ssDNA和dsDNA。

　　6.石墨烯的生物學性質(zhì)相關(guān)應用

　　（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，GO和rGO片層結(jié)構(gòu)的邊緣堅硬，可能會對大腸桿菌等細菌的細胞膜造成損傷。Akhavan等人［13］通過電泳沉積方法在不銹鋼基底表面制備了GO薄膜，并通過水合肼還原得到了rGO薄膜，兩者均會對細菌細胞膜的完整性產(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)出對革蘭氏陰性菌（大腸桿菌）與革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌）更好的抑制效果，這主要是由于當具有更加鋒利邊緣的rGO與細菌相互作用時具有更好的電荷轉(zhuǎn)移特性。Akhavan等人進一步發(fā)現(xiàn)，團聚的GO和rGO能夠通過捕獲大腸桿菌使其與外界環(huán)境相分離，細菌由于不能有效獲得營養(yǎng)成分而停止生長甚至死亡，因此GO和rGO表現(xiàn)出良好的抗菌性。Liu等人［15］通過比較發(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。同時發(fā)現(xiàn)石墨烯基材料的抗菌性主要來源于其尖銳的邊緣與細菌的細胞膜相接觸時而產(chǎn)生的膜應力，超氧陰離子氧化應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)制成石墨烯復合水凝膠。當水凝膠中銀與石墨烯的質(zhì)量比為5:1時，該水凝膠表現(xiàn)出較好的力學性能以及優(yōu)異的抗菌性和生物相容性。由于GO的制備簡便、成本低廉，GO的抗菌性有望在環(huán)境和臨床領(lǐng)域得到廣泛的應用。不過，Ruiz等人研究發(fā)現(xiàn)［17］GO分散液和薄膜不但未能抑制細菌的增殖，反而起到促進細菌生長的作用。他們認為在之前研究中，GO之所以能夠起到抗菌作用，其來源可能是GO制備過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)長時間透析的含雜質(zhì)比較少的GO。這說明GO的制備工藝和質(zhì)量均會嚴重影響細菌數(shù)量。

　?。?）石墨烯促進細胞生長分化

　　Ruiz等人［17］發(fā)現(xiàn)GO薄膜可以通過促進哺乳動物細胞的粘附和增殖而提高其生長能力。石墨烯具有較低的細胞毒性，可加快骨髓間充質(zhì)干細胞（hMSCs）向成骨細胞分化，其誘導分化速度與BMP-2相差無幾。石墨烯表面適宜成骨細胞在其表面進行貼附，而且成骨細胞的貼附則直接關(guān)系著其增殖、分化等細胞活動，同時也有研究發(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，這一系列的細胞活動對植入體表面新骨的生成具有促進作用。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會抑制iPSCs的分化，而GO卻可以促進其分化，石墨烯的不同表面特性是調(diào)節(jié)iPSCs生長和分化行為的重要因素。石墨烯材料在骨組織工程領(lǐng)域具有良好的應用前景。

　　石墨烯具有良好的生物相容性，可促進hNSCs的粘附并誘導其向神經(jīng)元細胞分化而不是神經(jīng)膠質(zhì)細胞，且能夠明顯提升神經(jīng)突的數(shù)量和平均長度，是一種潛在的神經(jīng)接口材料。程國勝和戴建武等［19］合作開發(fā)了一種三維石墨烯泡沫神經(jīng)干細胞支架材料3D-GFs。神經(jīng)干細胞可在3D-GFs表面粘附增殖，且可進一步定向分化為星形膠質(zhì)細胞尤其是神經(jīng)元細胞。美國西北大學Ramille Shah課題組開發(fā)出了可3D打印石墨烯油墨（石墨烯含量高達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用于生物醫(yī)用領(lǐng)域（圖1）。體內(nèi)實驗證實采用該油墨3D打印的石墨烯支架結(jié)構(gòu)具有良好的生物相容性。體外實驗表明，石墨烯支架不會影響干細胞生存，且能促進其繼續(xù)分裂、增殖并轉(zhuǎn)化成類似神經(jīng)元的細胞。石墨烯有望在神經(jīng)組織工程及神經(jīng)干細胞移植治療等領(lǐng)域得到應用。

　　圖1.可根據(jù)需要采用3DG漿料通過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)、力熱光電和生物學性質(zhì)，石墨烯能夠應用于生物醫(yī)用多個領(lǐng)域，但要實現(xiàn)石墨烯材料的臨床應用，其生物安全性是一個不可忽視的重要問題。石墨烯的主要組成元素是碳，而碳是組成生物有機體內(nèi)最基本的元素之一，因此石墨烯材料在生物醫(yī)用應用中具有天然的優(yōu)勢。由于制備工藝不同，石墨烯與其衍生物材料的物理化學性質(zhì)（如尺寸大小、結(jié)構(gòu)形狀、表面化學狀態(tài)等）不盡相同，因此其與生物分子、細胞、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。

　　細胞毒性是評估材料生物安全性的重要指標之一。石墨烯材料一般均表現(xiàn)出較低的細胞毒性。雖個別研究發(fā)現(xiàn)GO呈現(xiàn)出較高的溶血率，但經(jīng)過聚乙二醇、殼聚糖、吐溫、人工過氧化物酶、葡聚糖、蛋白等修飾后，石墨烯材料的細胞毒性能顯著降低。動物毒性是評估材料生物安全性的又一重要指標。雖石墨烯與其衍生物可在肺部富集并存在較長時間，進而導致肺部水腫和肉芽腫瘤的形成，誘發(fā)肺部損傷，但經(jīng)聚乙二醇、葡聚糖、殼聚糖等聚合物修飾可顯著降低石墨烯基材料的體內(nèi)毒性。且有研究表明，生物體內(nèi)存在的辣根過氧化物酶、人髓過氧化物酶等酶分子會引發(fā)石墨烯材料的降解，這種酶促降解行為可在很大程度上降低石墨烯材料的生物毒性尤其是長期生物毒性，使其更為安全有效地應用于生物醫(yī)用領(lǐng)域。

　　因其出色的結(jié)構(gòu)、力學、熱學、光學、電學和生物學等性質(zhì)，石墨烯和其衍生物有望廣泛應用于藥物/基因輸運、生物材料、腫瘤的光熱治療、生物熒光成像、組織工程、電化學生物傳感和抗病毒/抗菌等生物醫(yī)用領(lǐng)域。石墨烯在生物醫(yī)用領(lǐng)域的巨大研究進展是鼓舞人心的，但不能否認所面臨的挑戰(zhàn)也同樣艱巨。由于石墨烯基材料的多樣性和生物系統(tǒng)的復雜性，對石墨烯與生物分子、細胞、組織、器官乃至生物體相互作用的機制缺乏系統(tǒng)詳盡的研究。目前，石墨烯作用于生物分子和細胞后引發(fā)的生理生化反應以及機制通過體外實驗取得了一些積極成果，但體內(nèi)實驗研究甚少。毫無疑問，如何在保持石墨烯材料出色特性的前提下，改善其生物相容性和穩(wěn)定性是值得研究的重要方向。同時也應注意到，石墨烯雖然具有眾多優(yōu)異性質(zhì)，但并非“萬能材料”，需針對各具體應用對其進行修飾改進，開發(fā)相應的石墨烯衍生材料，這就需要具有不同學科背景的科研人員共同協(xié)作努力攻關(guān)。不過，隨著研究的不斷開展和深入，石墨烯材料必將在不遠的將來在生物醫(yī)用診斷和治療領(lǐng)域取得實質(zhì)應用。