NML综述｜石墨烯应用于生物医学领域

Comprehensive Application of Graphene: Emphasis on Biomedical Concerns

S. Syama¹, P. V. Mohanan¹

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 6

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0237-5

本文亮点

1 综述了石墨烯的生物医学应用和细胞相互作用。2 总结了蛋白冠在调节细胞相互作用中的重要性。3 解释了当石墨烯在细胞和器官层面暴露于活生物体时可能的生物学结果和毒性。

内容简介

石墨烯是所有石墨材料的基本结构，是以蜂窝晶格结构排列的二维碳原子片。石墨烯的突出特性包括其机械强度、导电性、导热性和大表面积，使其得以广泛应用。

石墨烯衍生物如原始（非氧化的）石墨烯片，氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（RGO）已被广泛用于生物医学领域。原始石墨烯片由于其疏水性和不能形成稳定的均匀分散体，其性能不如GO和RGO。因此，石墨烯的高度氧化形式（GO）和较少氧化形式（RGO）研究最为广泛，因为这两者可以形成更稳定的水性悬浮液。

由于GO的还原导致其表面的官能团损失，疏水性增加。RGO的表面积由于在还原过程中的聚集或沉淀以及不完全剥离而降低。尺寸，形状，表面官能度，横向尺寸，氧化状态，附聚和污染物的存在都影响着石墨烯的潜在生物响应性。因此，应该对石墨烯材料进行受控合成，以将其从实验室转移到临床以用于各种生物学应用。

P. V. Mohanan教授综述了石墨烯合成的不同方法和生物医学应用，以及石墨烯衍生物所带来的主要生物学后果。此外，详细讨论了蛋白冠在调节细胞相互作用中的重要性。同时解释了当石墨烯暴露于生物体时，细胞和器官水平的不利生物学结果和毒性。

图文导读

1 石墨烯的合成

由石墨合成石墨烯 Geim和Novoselov开发了使用透明胶带从热解石墨中机械剥离石墨烯。该方法的优点在于其保持石墨烯片的结构完整性，而缺点是所得石墨烯片的尺寸和厚度不可控制，并且该方法也不能外推用于大规模合成。▲ 石墨的机械剥离

石墨的化学剥离仍然是生产亲水性GO的简单有效且成本低廉的方法（图1）。合成氧化石墨(GtO)的主要途径是由通过在高锰酸钾和硫酸的混合物中混合石墨来实现的。可以使用不同的氧化剂如硝酸，氯酸钾和高锰酸钾来引发石墨缺陷部位的氧化。

GtO的进一步剥离导致形成单层或几层GO。使用机械力（超声处理/离心）将GtO在水中剥离以分离堆叠结构。石墨的剥离原理是通过在石墨层之间插入氧部分来增加晶面间空间，从而削弱碳平面之间的相互作用。▲ 石墨的化学剥离

图1 石墨烯合成的过程。将石墨剥离并氧化以形成亲水性氧化石墨烯（棕色溶液）。进一步还原氧化石墨烯以获得还原的氧化石墨烯，其在水中不太稳定（黑色溶液）。

氧化石墨合成石墨烯 在>100℃下剥离和还原硫酸插层的GtO，使其在DMF中分散成平均直径为1.07μm的单层石墨烯片。当石墨在硫酸存在下被氧化时，硫酸分子嵌入片材之间并与插入的硫酸（ISA）反应形成硫酸插层的GtO。

ISA催化脱水（去除O和H原子），产生分解羰基的高压蒸汽或热。通过该方法生产的石墨烯片具有高导电性并且具有较少的缺陷和较低的氧含量。

2 石墨烯的生物医学应用

本文综述了石墨烯基质用于药物传递、石墨烯基质用于基因和蛋白质传递、石墨烯基质用于光热疗法和光动力疗法、石墨烯衍生物的生物成像应用、石墨烯衍生物作为抗菌剂等五个方面的应用。（▼ 详情请查看原文，以下主要介绍石墨烯基质用于光热疗法）

石墨烯基质用于光热疗法 光热疗法（PTT）最近被认为是用于癌症治疗的微创和高效方法。PTT可以在照射下通过某些光吸收剂将光能转换成热能，当受激发的分子达到基态时，它们以热的形式释放能量，导致癌症的热消融。具有近红外吸收的纳米材料对于PTT有非常重要的意义，因为它们避免了来自其他生物组织的干扰。

与常用的PPT试剂如金纳米粒子相比，原始GO的较低功率密度（2 W/cm²）在体内提供有效的PTT效率。此外，石墨烯中可用的高表面积提供了有效的药物负载能力和与配体分子的结合，以实现靶向和强大的治疗效果。此外，石墨烯也可以通过与FBS，PEG和葡聚糖的生物功能化来改善其生物相容性，提高光热效率，并增加体内血液循环时间和生物利用度。

图3 抗癌治疗。(a)gQD暴露和照射后对肿瘤细胞的光热破坏。(b)开发用于亚细胞靶向和选择性破坏肿瘤细胞的光毒性开/关系统。(c)在NIR照射下使用载药石墨烯纳米片对肿瘤细胞进行化学和光热破坏。(d)使用用适体和ICG光敏剂功能化的磁性GO纳米缀合物进行光动力疗法，以实现靶向癌细胞破坏。

3 蛋白冠的重要性当纳米粒子注入体内时，它会立即进入循环系统。存在于血流中的生物分子，特别是蛋白质，会迅速吸附在纳米颗粒上，形成称为“冠”的复合物。蛋白质冠的形成改变了纳米颗粒的物理化学性质，调节了它们与生物系统相互作用的方式，并定义了纳米材料的生物命运。通常，在纳米颗粒表面上形成的蛋白质冠被分为两层：“硬”和“软”冠（图7a）。硬冠状蛋白强烈粘附在纳米颗粒表面上，而软冠状蛋白的结合比较松散，后来会被强亲和蛋白取代（图7b）。一些研究报道，蛋白质与纳米颗粒表面的结合大大降低了其毒性。最常见的蛋白质如BSA，免疫球蛋白，转铁蛋白和牛纤维蛋白原都会结合到纳米颗粒的表面上。

图5 蛋白质冠。(a)在纳米颗粒与血清孵育之后，在纳米颗粒表面上形成硬和软的冠。(b)通过反复离心和洗涤分离与石墨烯片结合的硬冠状蛋白质。(c)从不同时间段（5分钟，30分钟和2小时）与FBS孵育的PRGO分离的硬冠状蛋白的SDSPAGE分析。只有BSA（~66kDa）通过在不同反应条件下强烈结合到PRGO表面上而形成硬冠。4 石墨烯衍生物的不利影响石墨烯和生物系统间复杂的相互作用在细胞内能够引起许多反应。有几种物理化学因素会影响石墨烯与哺乳动物细胞相互作用的后果。其中，尺寸，形状，横向尺寸，表面化学，杂质的存在和附聚对于纳米生物相互作用是至关重要的。事实上，纳米材料在合成过程中经常被内毒素污染，并且在给药后可能引起脓毒性休克的处理。

图6 石墨烯-生物相互作用。(a)石墨烯纳米材料诱导哺乳动物细胞毒性（氧化应激，细胞凋亡和炎症）的机制。(b)石墨烯给药后在动物体内诱导的体内器官毒性。(c)在小鼠中单次（i）和重复（ii）施用PRGO后的生化参数。(d)肝脏的组织病理学切片（i-control，iii-PRGO组）和肾脏（ii-对照组，iv-PRGO组）