碳纳米管在生物医学领域的应用前景与挑战

张志明

(江苏大学医学院，江苏 镇江)

1 碳纳米管的特性及其生物利用

1.1 支架材料

碳纳米管无论是从强度还是从韧性上，都优于已知的所有纤维材料[1]。在密度低的同时，碳纳米管的弹性模量高，硬度很大，与金刚石相近[2]，然而，碳纳米管材料却没有金刚石的脆性，它的韧性非常好[3]。

碳纳米管独特的管状结构，足够的强度，较低的密度，极高的稳定性，使得碳纳米管成为了一种良好的骨支架材料[4]。尤其是典型的单壁碳纳米管，直径在0.5-1.5nm，长度约为100-300nm，这和骨骼中的胶原纤维“骨架”[5]非常相近，因此碳纳米管材料在几何结构上很好地模拟了胶原纤维的三螺旋结构。更有利于细胞的吸附和组织的重建。

然而，单纯的碳纳米管支架，由于其物理性质(如强度和韧性)与骨组织差距较大，实际上效果并不是很好，通过改良碳纳米管支架，形成复合材料支架，可以在保留碳纳米管优良性质的基础上，解决这个问题。

除了作为骨组织支架外，碳纳米管在神经支架方面也有很大的应用前景[6]。有医学工作者考虑到了碳纳米管具有的导电性，制备碳纳米管和传统的纤维凝胶蛋白的复合材料支架，具有良好导电性的支架用于诱导损伤的神经纤维再生，也有不错的进展[7,8]。

1.2 生物传感器

作为生物传感器，尤其是需要植入生物体内部的传感器，通常都需要有小尺寸，低功耗，高速度这些性质，当前的传统半导体材料无论是在理论上还是在加工工艺上，都遇到了很大的瓶颈。碳纳米管作为一种新型的纳米材料，可能会成为在传统半导体材料后的又一个新的优良半导体材料，给当前的半导体设备带来革命性的改变。

但是当前，人类在生物传感器领域使用碳纳米管材料，大多还是处于修饰电化学电极的层次。碳纳米管用于修饰传统电极[9]，不但可以降低化学物质氧化还原反应的过电位 ，而且还改善了生物分子氧化还原可逆性。另一方面，碳纳米管的多孔性质使其具有极高的比表面积，有助于酶联吸附 ，还能促进酶活性中心与电极表面的电子传递。通过修饰电化学电极，既提高了传统生物传感器的灵敏度，又延长了使用的寿命和效率。

1.3 药物载体

碳纳米管具有中空结构和可以穿膜的特点使其成为了一种良好的药物载体[10]。碳纳米管用作药物载体，主要是利用其可以穿透生物膜的能力[11,12]，碳纳米管的穿膜性质已经得到了荧光标记实验的验证[13]，实验证明碳纳米管可以将药物送入细胞质，经过修饰的碳纳米管甚至可以进入细胞核内部发挥作用。

另外，药物可以包被在碳纳米管的中空结构中缓慢释放[14]。一方面可以降低游离血药浓度峰值，另一方面延长有效浓度作用时间。不仅降低了由于峰值血药过高造成的不良反应，而且延长了药物的持续作用时间。这种方式可以给予病原体长时间的抑制或者给予身体机能长效的调节。

单纯利用碳纳米管作为药物载体，可以用于肿瘤化疗，也可以用于其他治疗如激素维持治疗等。

另一方面，经过改造的碳纳米管带有磁性[15]，带有磁性的材料可以通过磁场诱导或聚焦到具体的靶点，真正实现靶向用药，在一些实体瘤化学治疗方面具有良好的作用效果[16,17]。由于碳纳米管的优良热效应，在靶向化疗的同时，结合使用特定波长的电磁波诱发的热效应，可以对肿瘤组织采取热疗[18,19]。

我们有理由相信，碳纳米管会是一种具有光明的应用前景的药物载体。

2 碳纳米管生物医学领域应用所面临的挑战

2.1 高效制备碳纳米管的难度

目前，制备碳纳米管的方法有很多，主要有电弧放电法，催化热解法，激光蒸发法等，较为先进的是在惰性气体保护下，在催化剂表面生长的方法[20]。然而，虽然当前制备碳纳米管的方法很多，但是在降低成本的基础上大批量生产碳纳米管仍然是一件不简单的工作。另一方面，由于有些制备方法只是“知其然而不知其所然”，人们对碳纳米管的生长机理仍旧不是很清楚，影响碳纳米管质量的因素也不清楚，现在的制备方法，大多都存在着杂质含量高，结构缺陷多，产率不高的问题[21]。

对于生物医学利用来说，碳纳米管的质量问题是优先于产量问题的，这更要求对碳纳米管的生长机理有进一步的深刻认识，更好地控制碳纳米管的生长，减少结构缺陷。

2.2 碳纳米管潜在生物毒性

碳纳米管所具有的独特理化性质，在未来，如果制备技术能够取得突破进展，必然会得到大规模利用，而随之而来的潜在环境与健康危害不得不引起人们的重视。已经有文献报道了高浓度的多壁碳纳米管职业接触可以造成人体内ROS 水平升高，引起机体的氧化损伤[22]。碳纳米管在体内难以降解，主要通过肝肾代谢排出体外[23]。对机体的损伤形式主要是吸入造成肺泡损伤，造成呼吸道上皮损伤[24]，并且可能会加重纤维化[25]。

有人曾经概述过碳纳米管对人的损伤主要包括以下三点：肺部毒性，皮肤刺激性和细胞毒性[26]。虽然到现在为止，碳纳米管对人类健康的危害还没有确凿的证据，大多数损伤机制的研究层面还停留在动物实验。但是碳纳米管对于机体的氧化损伤也提示我们，碳纳米管作为一种支架植入物或者药物载体，也可能会对身体的组织造成损伤，这可能会成为碳纳米管这一类材料生物医学领域应用的最大困难。

然而要承认的是，当前碳纳米管产生生物毒副作用的研究报道结论尚不统一，一般认为可能与制备时残留的重金属催化剂有关，适当的化学修饰或许可以改善其生物相容性[12]。然而，并不是所有的表面修饰都可以改善生物相容性，如羧基化修饰就可能会增大其毒性[27]。其次，碳纳米材料的毒性与细胞摄取能力有关，即碳纳米材料的颗粒尺寸也会影响毒性[28]，这也带给了我们新的思考：携带靶向药物进入细胞的碳纳米管，是否也有潜在的毒害作用？这种毒害作用是否会对药理作用有不良影响？

由于机体对碳纳米管材料的代谢能力低，碳纳米材料支架在体内往往无法被降解而是以原型的形式被排出体外(小颗粒)或者留在体内(大颗粒)，这实际上对其组织相容性提出了更高的要求。长期留在体内的异物如果生物相容性不佳，造成持续的机体免疫应答，甚至造成机化包裹，会给病人带来极大的痛苦。因此，改善碳纳米管的制备工艺，减少表面缺陷或重金属催化剂残留，寻找合适的表面修饰方法来改善其生物相容性，或者开发新的基于碳纳米材料的可降解体内植入物就显得尤为重要了。

3 结束语

当前碳纳米材料发展非常迅速，对于碳纳米材料的研究更是日新月异。碳纳米管拥有如此多的良好甚至可以说是神奇的性质，注定让这种材料具有远大的应用前景，我们甚至可以猜想，二维材料可能是实现我们一切梦想的地方。

然而即使无法否认碳纳米管材料在生物医学领域具有如此多诱人的特点和如此光明的应用前景，但是它仍然面临着诸多的挑战：

不同制备方法下碳纳米管的生长机理亟待阐明。碳纳米管生长过程中的控制，表面的修饰等技术上的问题也需要解决。碳纳米管的生物相容性评价和生物相容性解决办法正等待着大规模的，长期的研究来验证。

在生物医学材料上，我们的选择通常都是审慎的，碳纳米管材料能否成为一种优良的生物材料仍然需要等待科学家们解决上述的几个问题以及其他未来可能还会发现的问题后才能下定论。