石墨烯及其衍生物类药物载体的研究进展

王倩，李晴，吴庭芳，郭秋爽，许艳玲



石墨烯及其衍生物类药物载体的研究进展

王倩，李晴，吴庭芳，郭秋爽，许艳玲通信作者

（天津农学院基础科学学院，天津 300384）

石墨烯作为碳材料的新成员，从2004 年被发现至今，已引起了科学家的极大兴趣。石墨烯是处于蜂窝状晶体点阵上的碳原子以sp2杂化链接形成的单原子层二维晶体，具有许多独特的理化性质，已成为当前研究的热点之一。石墨烯及其衍生物在载药方面的应用正处在探索阶段，当前，根据实际需求对石墨烯及其衍生物进行药物载体方面的研究是一项极富挑战性的工作。本文重点介绍了石墨烯尤其是氧化石墨烯应用于药物载体方面的最新研究进展，指出了目前石墨烯类材料在药物载体应用中存在的问题，并对其发展进行了展望。

石墨烯；氧化石墨烯；药物载体

2004年，Andre K. Geim等人成功制备出石墨烯（graphene）[1]后，由于石墨烯独特的结构和优异的性能，吸引了众多的科研工作者对其进行研究。目前，科研工作者对石墨烯的研究已经从最初主要集中在物理学、化学和材料学[2-5]研究领域，慢慢发展到生物医学等更多的研究领域。这主要归功于石墨烯及其衍生物的许多优良特性，如：大的比表面积、优良的可修饰性和易于与带芳环药物结合等。近年来，石墨烯及其衍生物在生物医学领域特别是药物载体方面的研究取得了很大进展[6-12]。

1 石墨烯及其衍生物简介

1.1 石墨烯（graphene）

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的具有二维蜂窝状网格结构的一种碳材料，整个片层间是由sp2杂化的碳原子所构成的大π键组成，大π键中的电子能在同一层中发生非定域的运动，是目前最理想的二维纳米材料，也是构建其他维数碳材料的基本单元[13-14]。石墨烯的单层厚度为0.34 nm，纳米尺度的石墨稀一般是指由少数几层（不超过10层）或者单层的石墨烯构成的石墨烯结构。石墨烯有许多优异的性质，如高度共轭结构、极高的比表面积、极强的力学性能等，这些优良的性能使其在复合材料、电子器件、锂离子电池、超级电容器、储氢材料等方面有广阔的应用前景。由于石墨烯具有极高的比表面积并且具有大量的 π—π结合位点，两面都可以吸附含芳烃的分子，因此能够高效吸附许多芳香族药物，这使其在药物载体领域具有潜在的应用前景。但石墨烯表面呈惰性，水溶性很低且生物相容性不理想，真正应用做为药物载体，一般需要用到石墨烯的一类重要衍生物——氧化石墨烯[15]。

1.2 氧化石墨烯（graphene oxide, GO）

氧化石墨的研究历史大概可以追溯到 19 世纪中期，从 Brodie 首次成功制备氧化石墨开始，科学家们对氧化石墨的研究已延续至今。制备氧化石墨的常用方法主要包括Brodie方法、Staudenmaier方法和 Hummers方法，3种方法的基本原理都是利用强酸处理石墨粉，得到石墨层间化合物，然后用强氧化剂对各化合物进行氧化处理[16-20]。其中，Brodie 法是用发烟硝酸和氯酸钾作为氧化剂处理石墨粉；Staudenmaier 法采用浓硫酸和发烟硝酸的混合物处理石墨；Hummers 法则是利用浓硫酸、硝酸钠和高锰酸钾作为氧化剂对石墨粉进行处理。3种方法中，Hummers法反应简单，安全性高，反应时间短、对环境污染小，是目前比较常用的方法。石墨粉与强氧化剂发生氧化反应，氧原子进入石墨的片层中间，使石墨片层内的π键断裂，生成大量羧基、羟基、环氧基等基团。这些含氧基团与石墨层面中的碳原子相连，所连位置虽然并不绝对，但是也存在着一定的规律，比如环氧基和羟基分布在氧化石墨烯的表面，而羧基则主要分布在氧化石墨烯的片层边缘[21]。

由于大量含氧基团的存在，使氧化石墨具有水溶性，具有水溶性的氧化石墨经过超声振荡处理后被分散成氧化石墨烯。一方面，氧化石墨烯仍然是由sp2杂化的碳原子所构成大π键结构，这使得它可以吸附具有类似结构的药物分子，同时，氧化石墨烯具有巨大的比表面积，因此具有很高的吸附药物分子的能力。另一方面，大量的含氧基团不仅赋予了氧化石墨烯好的水溶性，还赋予其良好的可修饰性，能够进行各种修饰，使其能够在环境响应和靶向性等方面有所作为。

1.3 石墨烯的发展前景

关于石墨烯功能化及其相关应用的研究在十几年中已经取得了很大的进展。据了解，石墨烯的价格曾经是黄金价格的10倍左右，大概达到5 000元/g，随着石墨烯制备工艺的发展和生产规模的扩大，目前最低价位已降到3元/g左右。不论价格如何，预期石墨烯及其衍生物将对人类的生活产生深远的影响。由于石墨烯广泛的应用前景，使得欧盟、英国、韩国、中国等主要国家和地区将石墨烯及其衍生物的相关研究列为重要科研项目，如欧盟委员会将石墨烯作为未来新兴旗舰技术项目; 英国政府也投资建立国家石墨烯研究所; 韩国计划在2012—2018年投入石墨烯相关项目，预计达2.5亿美元。同时，我国的科研院所也对其展开大规模研究，我国申请石墨烯的相关专利大约占到了全球的50%以上。虽然目前石墨烯相关领域取得的研究成果还处于实验室阶段，但是石墨烯大规模产业化正在不断的摸索之中。可以预见，在“十三五”期间，我国的石墨烯产业可望取得快速发展，并拉动包括新能源、新材料以及交通运输、电力等诸多产业的发展。

2 石墨烯及其衍生物类药物载体

2.1 纳米药物载体概述

纳米级药物载体是一种属于纳米级微观范畴的亚微粒药物载体输送系统。将药物包封于亚微粒中，可以调节释药的速度，增加生物膜的透过性、改变其在体内的分布、提高生物利用度等。其尺度范围一般在10～1 000 nm之间，目前用做纳米级药物载体的材料一般有天然高分子、聚合物胶束、聚合物水凝胶、纳米介孔二氧化硅等[22]。石墨烯及其衍生物用于纳米药物载体是近几年的新兴研究领域。氧化石墨烯表面及边缘的各种羧基、羟基和环氧基等基团能够与其他的化学官能团进行酰化、酯化等共价反应，表面的基团还可以进行π—π堆积、离子反应等非共价反应。通过这些反应，科学家们将天然高分子或聚合物修饰在氧化石墨烯上，或者将纳米二氧化硅或磁性材料等与氧化石墨烯复合制备得到复合材料，广泛了研究了氧化石墨烯在纳米药物载体方面的应用可能性。

2.2 石墨烯及其衍生物类药物载体研究进展

2.2.1 聚合物修饰氧化石墨烯类药物载体

Liu等人利用六臂聚乙二醇星型聚合物上的端氨基与氧化石墨烯上的羧基反应，制得PEG 功能化的GO，并用于药物递送研究[6]。发现用PEG功能化的GO可通过非共价结合来携载抗癌药物 SN38，增大其溶解度，并在体外试验中证明该纳米复合物可被细胞摄取。

Sun等人也研究了聚乙二醇化的纳米氧化石墨烯作为抗癌药物载体，通过非共价键吸附抗癌药物[23]。同时功能化的氧化石墨烯具有生物相容性，且无毒，可以高效地负载抗癌药物。

Gao等人采用“一锅法”，通过单电子转移活性聚合的方法，制备得到了表面修饰有聚合物的氧化石墨烯药物载体[24]。制备过程是以聚（乙二醇）甲基丙烯酸甲酯为单体，以11-溴代十一酸为引发剂，制备得到的复合物具有高的水分散性，良好的生物相容性和高的药物负载率，在生物医药领域具有潜在的应用前景。

Pan等人通过点击化学在石墨烯（GS）上共价接枝温度响应的聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM），聚合物含量达约50%[25]。所得到的复合物PNIPAM-GS在33 ℃发生相转变，具有温度敏感特性。PNIPAM-GS能够通过π—π作用吸附抗癌药物喜树碱 （CPT），负载率达到15.6%。

2.2.2 天然高分子修饰氧化石墨烯类药物载体

Liu等人采用绿色简单的方法，将剥离的氧化石墨烯还原，制得淀粉修饰的石墨烯纳米片结构。在此过程中，可溶性淀粉既是还原剂，也是防止氧化石墨烯再聚集的纳米表面保护剂[26]。细胞毒性试验显示，该淀粉修饰石墨烯纳米材料对SW-620细胞无生物毒性。通过物理吸附负载羟基喜树碱（HCPT），显示该材料具有较高的药物负载率。

曹秀芬等制备出乳糖酰化壳聚糖修饰的氧化石墨烯季铵盐，用作基因和抗肿瘤药物载体[27]，分别将抗肿瘤药盐酸阿霉素（DOX）和荧光素标记的DNA（FAM-DNA）负载与该载体上，对其负载量进行了测试。同时，还研究了人肝癌细胞（QGY-7703）对FAM-DNA的摄取情况，并对载体进行了细胞毒性测定。试验结果表明，得到的乳糖酰化壳聚糖修饰的氧化石墨烯季铵盐作为基因和抗肿瘤药物载体，具有优良的载药性能和较低的细胞毒性。

Bao 等人通过简单的酰胺化反应完成壳聚糖（CS）在GO上的共价接枝，制备了含约 64% （质量比） CS的GO-CS复合物[28]，赋予了该复合物良好的水溶性能。该复合物能够负载水溶性差的药物喜树碱（CPT），试验结果表明，与传统的CPT药物相比，复合物GO-CS-CPT对于人肝癌细胞HepG2细胞和子宫颈癌细胞HeLa细胞具有更强的细胞毒作用。同时，GO-CS复合物还能够与质粒DNA（pDNA）复合得到稳定的纳米复合物，所得到的GO-CS/pDNA纳米粒在HeLa细胞具有一定的转染效率。

蒋雷等采用层层自组装法，以氧化硅微球为模板，制备了CS/ GO微球，去核后，成功地制备了CS/GO中空微胶囊[29]。 试验结果表明，CS/GO中空微胶囊具有完整的中空结构，增加包裹层数和提高包裹溶液中的CS浓度，能够增加囊壁厚度。经交联处理后，CS/GO微胶囊的囊壁更加致密和完整，对布洛芬的载药率有很大的提高，布洛芬的释药时间也被延长。

2.2.3 二氧化硅与氧化石墨烯复合类药物载体

相昊天等在经氨基修饰的SiO2微球表面包裹GO，制备核壳结构的SiO2-NH2-GO复合微球[30]。SiO2-NH2-GO 复合微球具有良好的单分散性（粒径约为550 nm），并且GO均匀地包裹在SiO2表面。与 纯SiO2相比，SiO2-NH2-GO通过布洛芬溶液浸泡载药的载药率有了较大提高，从42.9%提高到68.8%，且表现出更好的缓释性，24 h 累积释药量达到92%，给药时间延长20 h左右。表明SiO2- NH2-GO复合微球有望成为一种新的药物载体。

Ali Pourjavadi等制备了一个核壳结构的纳米药物载体，该载体以具有pH值响应功能的基于CS的超分子聚合物为壳，以包裹了介孔SiO2的磁性氧化石墨烯为核（Fe3O4@GO@mSiO2）[31]。该载体负载阿霉素的控制释放试验结果表明，在pH为5.5时，阿霉素的药物释放量最大。该载体在癌症治疗领域具有潜在的应用前景。

2.2.4 磁性材料与氧化石墨烯复合类药物载体

Wang等人通过声化学的方法制备得到了超顺磁钴铁氧体/氧化石墨烯纳米复合体（CoFe2O4/GO），该复合体CoFe2O4/GO既具有核磁成像的功能也具有药物控制释放的功能[32]。96 h高浓度处理CoFe2O4/GO显示出很低的生物毒性。该复合物CoFe2O4/GO能高效负载阿霉素，负载量能达到1.08 mg/mg。

3 小结

综上所述，科学家通过将天然高分子或聚合物修饰在氧化石墨烯上，或者是将纳米二氧化硅或磁性材料等与氧化石墨烯复合，制备得到了一系列具有良好应用性能的药物载体。这些药物载体被广泛用于体外和体内的生物医学研究，在药物控制释放、核磁成像以及癌症治疗等多方面具有潜在的应用前景。但是，石墨烯及其衍生物在载药系统中的应用研究仍存在一定的局限性和不确定性。首先，石墨烯材料在生物体内的长期毒性的研究仍需完善，石墨烯材料在人体内的细胞吞噬机制和体内代谢途径需要系统进行研究。其次，石墨烯材料与药物分子的相互作用机制需要更加深入的研究，以便最终不仅能够实现体外石墨烯材料对于药物的高效负载，还能够实现药物在进入人体内的可控释放。总之，功能化的石墨烯及其衍生物在药物载体方面的应用既存在机遇也有很大的挑战，必将成为日后载药系统研究领域的热点之一。

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责任编辑：宗淑萍

Research Progress of Graphene and Its Derivatives Used as Drug Carrier

WANG Qian, LI Qing, WU Ting-fang, GUO Qiu-shuang, XU Yan-lingCorresponding Author

（College of Basic Science, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

As the new member of the carbon materials, graphene has brought up great interest of scientists since it was found at 2004. Graphene is a kind of two-dimensional crystal of a single atomic layer which has a honeycomb crystal lattice of carbon atoms in a sp2hybrid link formation, exhibits many unique physical and chemical properties and excellent performance due to the unique structure. The current studies on graphene and its derivatives mainly concentrated on the field of the physics, chemistry and materials science. The application of graphene and its derivatives on medical materials and drug delivery is still in exploring stage and regarded as a challenging work. In this paper, the latest research progress in the application of graphene and its derivatives in drug carrier are mainly introduced. The existing problems in the application of graphene materials in drug carriers are also pointed out and the possible development is prospected.

graphene; oxide graphene; drug carrier

1008-5394（2017）01-0088-05

O613.71

A

2016-07-04

国家自然科学基金青年项目“具有开关功能胰岛素载体的制备及其葡萄糖响应性的研究”（21404082）；天津市大学生创新创业训练计划项目“pH值响应嵌段共聚物/石墨烯复合药物载体的制备及其性能研究”（201510061095）；国家大学生创新创业训练计划项目“温度响应性氧化石墨烯纳米药物控释体的制备及释药性研究”（201610061078）

王倩（1994-），山东德州人，本科在读，研究方向为生物制药。E-mail：812231587@qq.com。

许艳玲（1975-），河北保定人，实验师，博士，研究方向为功能高分子材料。E-mail：369280818@qq.com。