碳纳米管及其复合材料的应用研究进展

赵传欣，陈高云，顾恰敏，刘 敏

（陆军防化学院，北京 102205）

碳纳米管（CNTs）是纳米材料的典型代表，自1991年被Iijima[1]发现以来，得到了广泛的关注和研究。碳纳米管是一种由碳原子经sp2杂化形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空管体新型纳米材料。按照石墨烯片的层数可将其分为单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）。深入了解和研究碳纳米管的结构与性能发现，碳纳米管可在抗菌、制作组织工程支架、作为药物载体、用于肿瘤治疗等方面发挥出色的效果。

1 抗菌作用

1.1 单壁碳纳米管的抗菌作用

单壁碳纳米管具有较小的管径和较大的比表面积，可以与细菌充分接触，穿透细菌的细胞壁，起到杀灭细菌的作用，因此具有良好的抗菌能力。SWCNTs的纯度、用量、处理时间和分散性都对其抗菌作用有一定影响。研究表明，纯度越高的SWCNTs对细菌的杀灭能力越强，且抗菌活性与用量和处理时间呈正相关。高分散SWCNTs由于增加了和细菌接触的机会，表现出更好的抗菌效果，在溶液中如同纳米飞镖一般，穿透细胞并破坏其完整性，达到杀菌的目的。SWCNTs的尺寸也对其抗菌活性有一定影响，Yang等[2]比较了3种不同长度的SWCNTs的抗菌活性发现，长SWCNTs比短SWCNTs的抗菌活性更强，原因主要是尺寸影响了与细菌细胞聚集的方式，从而影响了相互作用的效果。

1.2 多壁碳纳米管的抗菌作用

与SWCNTs相比，MWCNTs的抗菌作用较为温和，优势是成本较低和细胞毒性较小。目前主要通过负载其他材料对MWCNTs进行改性以增强其抗菌性能，改性方法主要有两种，分别为共价修饰和非共价修饰。

共价修饰MWCNTs的主要方法是利用浓H2SO4和浓HNO3等强氧化剂，将羧基或羟基等官能团引入MWCNTs的端口处和管壁上存在一定缺陷的位置，由于羧基和羟基都属于亲水性基团，可以使MWCNTs在水溶液中的分散性得到明显的提升。

MWCNTs改性后可以接入氨基酸、多肽等生物活性物质进行协同抗菌。Amiri等[3]在微波辐射的条件下，利用精氨酸和赖氨酸将MWCNTs功能化，功能化后的材料对所有测试菌株的抗菌活性均显著提高，尤其是对革兰氏阴性菌特别有效，对耐药性金黄色葡萄球菌的抗菌效果亦有提升，其抗菌活性的增强是由于MWCNTs表面官能团的正电荷引起细菌细胞膜的静电吸附。

非共价修饰MWCNTs是在不改变自身结构的基础上改善性能。含有π电子的化合物可以通过π-π堆积的方式与MWCNTs相结合，不含π电子的物质也可以通过其他物理作用（比如范德华力、静电作用）结合在MWCNTs上。

通过表面活性剂改性也是非共价修饰的重要方法。Khazaee等[4]研究了离子型和非离子型表面活性剂对MWCNTs的非共价功能化，随后评估了其对大肠埃希氏菌的抗菌活性。阳离子表面活性剂能有效地溶解细菌细胞，而阴离子和非离子型表面活性剂具有良好的生物相容性。阴离子表面活性剂修饰的MWCNTs比非离子表面活性剂修饰的MWCNTs具有更大的抗菌活性，这可能是由于表面活性剂的联合作用毒性所致。

2 组织工程支架

碳纳米管可用作骨组织工程支架，是一种优良的补强材料，具有良好的强度、弹性、韧性及抗疲劳性，能够与复合材料紧密结合提升性能。此外，碳纳米管由于自身的网状结构特征，可以使细胞基质通过孔隙进行物质交换，不会对正常的生理机能造成影响，同时可以通过控制其导电性控制细胞的生理行为。碳纳米管作为支架如同一种惰性框架，自身不会发生生物降解，周围的细胞可以在其表面生长繁殖并形成新的活性物质，再转变成正常的功能性骨组织。

碳纳米管常与无机材料（主要包括碳酸钙、磷酸钙等生物陶瓷类物质、生物活性玻璃及钛合金）、天然可降解高分子材料（主要包括胶原、壳聚糖、藻酸盐、纤维蛋白）和人工合成可降解高分子材料（主要包括聚氨酯类、聚氨基酸、聚酸酐等）复合，复合型支架已成为当前研究和应用的主要方向。

2.1 碳纳米管与无机材料构成复合支架

Liu等[5]制备了碳纳米管涂层多孔陶瓷支架，该支架具有生物相容性、高多孔性、互联性和机械强度。这是在两种不同类型的3D多孔陶瓷支架上均匀覆盖高质量的CNTs实现的：生物陶瓷复合材料β磷酸三钙/羟基磷灰石（或TCP/HA）以及开发的高机械强度的多组分陶瓷（Ca2ZnSi2O7-ZnAl2O4）（或Sr-HT-Gah）。这些碳纳米管涂层支架具有生物相容性，与临床使用的TCP/HA生物陶瓷相比，具有相当的细胞附着和细胞增殖能力。

2.2 碳纳米管与天然可降解高分子材料构成复合支架

Yildirim等[6]以海藻酸盐和SWCNTs为材料，采用自由曲面制备技术制备了复合聚合物支架。通过扫描电子显微镜、拉曼光谱、拉伸测试和细胞-支架相互作用研究，对支架的结构、力学和生物学特性进行了表征。实验结果表明SWCNTs不仅提高了材料的力学性能，还提高了材料的生物相容性。研究显示，SWCNTs增强支架的细胞附着和增殖效果更好。海藻酸盐/SWCNTs复合支架上内皮细胞的附着和增殖增强是多种因素共同作用的结果，SWCNTs导致了大量的材料缺陷、增加了表面的电子离域，这些特性改变了复合支架的表面活性。

2.3 碳纳米管与人工合成可降解高分子材料构成复合支架

Jie等[7]采用静电纺丝技术制备了纤维平均直径为300～500 nm的多壁碳纳米管/聚氨酯复合材料纳米纤维支架。研究表明，具有纳米纤维结构和多壁碳纳米管成分的支架可显著增强细胞的粘附、增殖、迁移聚集和分泌，在组织工程中具有广阔的应用前景。

3 药物载体

载药是将活性药物与载体结合，并将其递送到目标细胞或组织的过程。近年来，CNTs由于物理化学特性、高纵横比、良好的电学和力学性能以及对细胞膜的物理吸附，已被广泛用于将治疗药物递送到目标组织和细胞。CNTs的良好相容性有助于降低全身毒性，并提高药物传递的疗效。CNTs也可以被不同的化合物涂层，这些化合物在不同的领域发挥不同的作用：作为诊断药物检测药物传递系统的路径，作为隐形药物逃避免疫系统，作为靶向药物减少副作用，作为药物载体发挥治疗效果。

理想的药物传递系统是将靶向给药与控释结合在一起，使药物有选择性地传递和释放。这样的系统不仅提高了药物的疗效，而且使全身毒性降到最低，从而提高了患者的生活质量。近年来，人们对各种纳米级药物载体进行了评估和测试。值得注意的是，SWCNTs比常用的金属纳米粒子系统具有更大的优势，主要表现在承载能力、固有的稳定性和结构的灵活性方面，这些特性可以延长循环的时间，提高携带药物分子的生物利用度。

SWCNTs是一种极具潜力的药物传递系统，因其稳定性、高载药量和穿透细胞膜的能力等特性而受到广泛关注。尽管它们具有一定的毒性，但是可以通过改变大小和功能化来进行控制。通常使用碳纳米管向靶细胞递送药物的过程如下：药物分子附着在修饰的碳纳米管表面，化学受体存在于此。这些化学受体有助于在纳米管内携带药物分子。然后通过不同的途径将接收的药物注射到体内，例如注射、口服或直接引入靶细胞。化学受体通过内吞途径将装载药物的碳纳米管胶囊内化，最终使药物在细胞内逃逸。

杨晓英等[8]将抗肿瘤药物DXR负载到SWCNTs上，得到了具有肝靶向性并且对药物具有高效负载能力的SWCNTs，负载率高达85.5%。实验表明，SWCNTs本身不存在毒副作用，并且能够帮助DXR有效进入肿瘤细胞，抑制肿瘤细胞的生长，是一种良好的抗肿瘤药物载体。

黄海涛等[9]将碳纳米管与海藻酸钠复合，制备出碳纳米管复合海藻酸钠微球药物载体，并负载了模型药物以验证该载体的药物释放能力。实验发现，碳纳米管不仅未对海藻钠酸微球的结构产生不良影响，还有效增强了其稳定性，并提高了药物的缓释效果，与此同时，碳纳米管亦不会增加额外的细胞毒性。

Matyszewska等[10]研究发现，将阿霉素类药物多柔比星负载于聚乙二醇修饰的SWCNTs上，可以提高靶向细胞内的药物含量。将阿霉素类药物负载于羧基和叶酸修饰的SWCNTs上，可以实现控制药物释放，并使之具有靶向性。Carla等[11]将伊立替康分子封装入MWCNTs，研究表明，其具有很高的药物填充效率，Ir-MWCNTs中含有32%的抗肿瘤药物。在整个过程中伊立替康分子不会被降解，并且可以在酸性环境中得以快速和彻底的释放。Chen等[12]将羧基化的SWCNTs与壳聚糖和依托泊苷偶联后，在水溶液中具有较高的溶解度和稳定的分散性。载药量为25%～27%。ETO在低pH下从EGF/CHI/SWNT-COOHs/ETO中释放，并通过三磷酸腺苷（ATP）依赖性内吞被肿瘤细胞吸收。研究发现，EGF/CHI/SWNT-COOHs/ETO诱导的细胞死亡是单独ETO诱导的2.7倍。

4 肿瘤治疗

在取代传统化疗治疗癌症的过程中，药物传递到靶向癌细胞区域仍然是治疗研究的最新挑战。由于肿瘤细胞表达 P-糖蛋白（P-gp）阻碍治疗药物进入组织，大多数抗肿瘤药物在大规模杀伤靶向肿瘤细胞之前被意外地清除。因此，在治疗癌症时，需要创新的药物输送技术来解决这类问题。

在肿瘤治疗中，希望能将大剂量的药物分子输送到肿瘤部位，以获得最好的治疗效果，同时最大限度地减少对正常器官的副作用。通过增强通透性和保留（EPR）效应，纳米结构材料在全身注射后可以通过异常渗漏的肿瘤血管在肿瘤组织中积聚，有助于药物输送应用。SWCNTs作为一种新型的体外药物载体已被广泛应用。SWCNTs可以通过内吞作用有效地将药物、多肽、蛋白质、质粒DNA和小干扰RNA（siRNA）等多种生物分子输送到细胞内。同时，碳纳米管固有的近红外（Near Infrared，NIR）光吸收特性也被用于体外破坏癌细胞。

许多研究小组研究了碳纳米管在动物体内的表现。研究发现，经静脉注射到小鼠体内的聚乙二醇化的SWCNTs在几个月内是无毒的。在小鼠网状内皮系统（RES）中积累的碳纳米管可以通过胆道途径逐渐排出，最终进入粪便。靶向肿瘤聚集用靶向配体、RGD多肽或抗体功能化的SWCNTs已显示出高效率。这些结果为进一步探索碳纳米管的治疗应用奠定了基础。

到目前为止，已经有几种药物分子被用于搭载碳纳米管，如紫杉醇、奥沙利铂、阿霉素、多西紫杉醇等，用于体内外癌症治疗。

Liu Z等[13]证明将紫杉醇（PTX）偶联到聚乙二醇化的SWCNTs上并注入小鼠的异种移植瘤，其肿瘤抑制效果高于临床紫杉醇药物配方。与紫杉醇和聚乙二醇化PTX相比，SWCNTs-PTX血液循环时间更长，通过EPR效应使其在肿瘤上获得高剂量的药物摄取。即使在较低剂量下， SWCNTs-PTX也能减缓肿瘤生长，足以证明其强大的治疗效果。

在大多数情况下，血浆中氯离子与水的相互作用会抵消药物的治疗效果。因此，碳纳米管被用作药物载体，以防止在该过程中所携带的治疗剂失活，最终在很大程度上减少副作用。Zhang等[14]合成了负载顺铂的功能化SWCNTs，以靶向PC3和DU145前列腺癌细胞系。顺铂的细胞摄取发现表明，这种治疗药物能有效地穿透细胞膜，并选择性地发现于癌性前列腺细胞的细胞质膜内。就这一点而言，药物的包封对于稳定顺铂的药物递送系统非常重要。

SWCNTs对UV到NIR区域有很强的光学吸收，通过NIR光学吸收产生的热量可用于光热治疗[15]。与其他方法相比，光热治疗癌症已经被广泛研究，成为一种理想的、局部的、无创的治疗方法，因为它能精确地将能量输送到靶细胞，并且肿瘤细胞对温度升高很敏感，NIR区域的激光非常有利于体内使用，因为生物组织在NIR区域的吸光度较低，因此使其成为一种摧毁癌细胞更有前途的方法，而对健康组织的副作用可以忽略不计。在以生物纳米技术为基础的癌症治疗中，具有独特光热特性的纳米结构已被考虑用于破坏癌细胞。SWCNTs的固有特性适合这些技术，因为它们在NIR区域有很强的光学吸收能力，在NIR激光照射时可以释放大量热量，增强细胞的热破坏。

Jeyamohan等[16]构建了DOX-FA-PEG-SWCNTs复合材料，利用SWCNTs的光热效应、NIR辐射介导的靶向肿瘤破坏，进一步增强了其杀死肿瘤细胞的能力。该方法结合了SWCNTs的DOX和光热特性，可能为增强癌症治疗和生物成像应用提供了一种机制。FA功能化的SWCNTs可通过FA-FA受体介导的途径选择性内化到癌细胞中，而不会内化到正常细胞中，所得体系在生理条件下具有良好的稳定性。在细胞内溶酶体和核内体典型肿瘤环境pH降低的情况下，还能有效释放阿霉素。利用SWCNTs光热效应的光热技术可以靶向摧毁癌症。SWCNTs在生物组织高度透明的NIR区域具有较高的光吸收率。在体外受到800 nm激光照射后，SWCNTs能够有效地将激光能量转化为热能。这一优势被用于选择性光热疗法，只杀死癌细胞而保留正常细胞。靶向载药与光热治疗的联合效应，可以加速协同杀死近95%的癌细胞。

Li等[17]将强化绿荧光蛋白（EGFP）通过链霉亲和素-脱硫生物素（SA-DTB）连接到SWCNTs上，该蛋白可被传递到肿瘤中，并在细胞中通过NIR光进行光释放和激活，发挥活性，实现抗肿瘤的功能。

5 结语

碳纳米管在抗菌、组织工程支架、药物载体及肿瘤治疗领域都有良好的表现，尽管碳纳米管自身分散性较差且具有一定的毒性，但是通过对碳纳米管进行功能化修饰（如在碳纳米管表面引入亲水性官能团）、负载各种活性物质，既改善了其在水中的分散性，又优化了其生物相容性，并降低了其细胞毒性。目前，有关碳纳米管复合材料的实验大多仍处于体外实验和动物实验阶段，还需要更多临床应用和实践的支撑。随着科技的不断发展、研究的日益深入，碳纳米管作为一种性能优良的纳米材料，将在生物医药领域的应用中展现出更大的潜力，一种生物相容性好、安全无毒的人体友好型纳米功能材料有望在不久的将来诞生。