碳纳米管作为载体在生物医学中的研究进展

摘要：随着人们对纳米技术的深入探索，各种纳米材料被广泛应用于生物医学领域中。其中碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）具有体积小、比表面积高等独特的物理化学性质，能够吸附或偶联生物大分子或药物，并可穿透细胞膜，有效跨越生物屏障，发挥了其作为载体的特性，在蛋白质、基因和药物传递方面具有广阔的应用前景，受到越来越多研究者的关注。作为一种新型纳米材料，CNTs在溶液中的分散性、稳定性以及组织相容性未来可通过功能化得到进一步提高，从而最大限度地提高其与生物分子的偶联率和活性，进一步实现对CNTs的有效利用。本文通过综述CNTs的性质、功能化及其作为载体运输核酸、基因、蛋白质和药物等方面的研究成果，以期为CNTs作为载体在生物医学领域的应用研究提供参考。

细胞对蛋白质和核酸等外来物质渗透性较差，使这些生物分子不易穿越细胞膜进入细胞。因此有必要寻求可在细胞内运输生物分子（如DNA、蛋白质、药物等）的新型载体，以便有效突破细胞膜屏障，运送和使用细胞外的药物并使其发挥功能。目前诸多药物载体的出现降低或避免了药物在单独使用过程中存在的组织分布差、溶解率低、选择性缺乏等不足。随着人们对纳米技术的深入探索，各种纳米材料已被广泛应用于生物医学领域中。其中，具有特殊性能的碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）能有效跨越生物屏障，穿透多种细胞。与传统药物载体相比，CNTs具有体积小、比表面积高、可功能化、细胞穿透能力强，以及可与更多的生物大分子和药物结合的特点，成为一类新型载体，使其在蛋白质、基因和药物的传递方面具有广阔的应用前景。

1、CNTs的分类

CNTs可分为单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）。SWCNTs由单个石墨烯组成，直径通常为0.4~3.0 nm，长度通常为20~1 000 nm；MWCNTs由多层石墨烯组成，直径通常为1.4~100.0 nm，长度通常为1~50 μm。CNTs的每个碳原子以sp2键结合，比金刚石中的sp3键更强，使得CNTs具有独特的物理化学性质，如表面易修饰、能进入细胞、生物相容性好、非免疫原性等。

2、CNTs进入细胞的方式

通常认为CNTs进入细胞有内吞作用和被动扩散两种方式。内吞作用是细胞膜依靠能量吞噬细胞外物质，可进一步分为胞饮作用、吞噬作用和网格蛋白介导作用；被动扩散是CNTs直接渗透到细胞质，通常是指CNTs与脂膜的亲脂作用，从而发生内化。Zhu等将酿酒酵母细胞加入到4 ℃条件下氧化的SWCNTs悬液中，使用拉曼分光光度计定量测定酿酒酵母中氧化的SWCNTs，并用实时聚合酶链反应（real-time PCR）检测细胞内吞的相关基因，结果发现氧化的SWCNTs可通过内吞作用进入酿酒酵母细胞，并分布到细胞质、囊泡、溶酶体和细胞核中。Porter等将细胞与SWCNTs溶液混合2 d后发现，大多数SWCNTs位于细胞的吞噬小体和溶酶体内，体现了SWCNTs的吞噬作用；第4天，可观察到SWCNTs通过细胞膜转移到邻近的细胞质中，表明此过程是脂质双分子层的被动摄取。因此，SWCNTs进入细胞可能同时存在内吞作用和被动扩散两种方式。Dumortier等通过氧化/酰胺化处理和1,3-偶极环加成反应制备了两种类型功能化CNTs，研究发现经过功能化的CNTs在体外均可被B淋巴细胞、T淋巴细胞以及巨噬细胞摄取，并且通过氧化/酰胺化处理的CNTs可形成稳定的水悬浮液。

3、CNTs的功能化

CNTs难溶于多数溶剂，且因π-π共轭、疏水力、范德华力等作用，分散性较弱，极易在溶液中形成团聚现象。CNTs的特殊性能可被各种化学物质功能化和修饰。功能化使CNTs表面性质发生了改变，增加了其分散性、均匀性和溶解性。因此，CNTs的功能化使其在生物医学中的应用更加广泛，通过在CNTs的侧壁和末端引入不同基团，可将多肽、蛋白质、核酸以及药物等生物分子通过共价或非共价作用偶联到CNTs上，从而可以靶向病灶部位的组织、器官，达到治疗疾病的目的。根据功能化的分类可分为共价功能化和非共价功能化。

4、共价功能化

共价功能化通过改变CNTs的结构，使碳杂化从sp2变为sp3，从而改变CNTs的特性，使CNTs具备负载药物及生物分子的能力。共价功能化最常见的方法是通过强酸氧化处理CNTs，在其表面生成羧基基团。尽管共价功能化破坏了CNTs的π-π共轭，但其氧化为氨、凝集素和氨基酸等进一步修饰提供了机会。CNTs表面的羧基在与亚硫酰氯反应之后，对加入含有游离氨基团的化合物进行修饰；通过共价修饰，可以制备不同烷基链或末端官能团，生成不同的CNTs复合物，从而增强CNTs的生物相容性和靶向附着生物分子的潜力及其在生物医学中的应用。

5、非共价功能化

CNTs的非共价功能化是基于π-π共轭、氢键、静电、范德华力和疏水作用等不同的作用方式，通过表面活性剂、芳香族化合物、聚合物等进行非共价功能化。此方法不会对CNTs的独特结构造成破坏，并保留了CNTs的物理、光学、热和电性能等原有性质，同时也保留了CNTs的sp2杂化六元环和扩展偶联。

6、 CNTs作为载体的应用

CNTs特殊的性能和独特的结构，可共价键合不同种类的化学基团，也可非共价偶联多种生物大分子。同时，CNTs具有良好的细胞穿透性，作为载体时，在增加药物负载率、提高药物疗效方面显示出潜在的应用价值。

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