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解读!碳纳米管在生物医药领域的广阔前景
2023/01/09 点击 2544 次

中国粉体网讯  碳纳米管独特的中空管结构以及具有较为优越的性能,一直以来得到人们的广泛关注,人们致力于让碳纳米管更好的实现其自身价值为人们生活提供便利与服务,基团修饰使碳纳米管功能化或制备复合材料来更适应人们的需求,其应用领域也逐渐广阔,现阶段碳纳米管的应用领域主要在传感器、催化、机械、光电几个方面。随着碳纳米管的研究逐渐深入,碳纳米管的性质及其优越的性能也渐渐了解,研究者开始探究碳纳米管在生物医药领域的应用。


碳纳米管


 

碳纳米管(CNTs)又称巴基管,是由每个碳原子与周围其他三个碳原子呈六边形排列形成石墨烯片,并通过单层或多层卷曲而成的中空管状材料。1991年,碳纳米管被日本科学家饭岛澄男首次发现,其特有的全碳结构具有优良的物理和化学性能,因而成为学术研究的热门材料。


碳纳米管的几何结构



(图片来源:席蓓等.碳纳米管催化剂载体的研究进展)


碳纳米管的分类


目前,碳纳米管类型可分为单壁碳纳米管(单层碳管结构)与多壁碳纳米管(多层碳管结构)。单壁碳纳米管由单个石墨烯组成,直径通常为0.4~3.0nm,长度通常为20~1000nm;多壁碳纳米管由多层石墨烯组成,直径通常为1.4~100.0nm,长度通常为1~50μm。碳纳米管的每个碳原子以sp2键结合,比金刚石中的sp3键更强,使得碳纳米管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。


碳纳米管在生物医药领域的应用


碳纳米管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。碳纳米管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。经不断探索与研究,碳纳米管在固定化酶载体、药物缓释载体以及复合材料抑菌等应用方面取得一些进展。


(1)碳纳米管作为一种生物载体的应用

碳纳米管可以作为蛋白质、基因和抗癌药物等的生物载体,在生物医药方面表现出良好的应用前景和潜力。Zhao等研究比较了3种不同直径多壁碳纳米管吸附牛血清蛋白的特征,发现直径小于10nm的多壁碳纳米管相比直径为10~20nm和20~40nm的能吸附更多牛血清蛋白。Munk等将羧基化多壁碳纳米管与质粒DNA以5:1(质量比)的比例混合,涡动孵育形成羧基化多壁碳纳米管-质粒DNA复合物,然后将含绿色荧光蛋白基因的质粒DNA导入成纤维细胞,利用流式细胞仪、荧光成像和realtime PCR分析,证明羧基化多壁碳纳米管可将质粒DNA传递到牛原代成纤维细胞。


(2)碳纳米管在固定化酶方向的应用

固定化酶通常是把游离酶固定在较好性能的载体表面或者内部,使酶活性保持或者升高,相比游离酶,固定化酶更能抵抗外界因素(温度、pH)的影响,而且在固定化酶载体的作用下可以重复利用酶的催化性能。


碳纳米管依据其自身的较为优越的性能优势及独特的中空管状结构,现也被用作固定化酶的载体。碳管独特的中空管状结构给固定化酶带来更多的接合位点。此外,碳纳米管较易进行表面功能化为固定化酶创造了有利条件。Mubarak等以功能碳纳米管为载体,通过物理吸附固定纤维素酶,探究了固定化纤维素酶最适合酶催化反应条件,结果为pH值为5,温度50℃条件下最适合进行酶促反应,而且重复六次催化反应固定化酶仍有保留原酶活的52%。


(3)碳纳米管在药物缓释方向的应用

在药物缓释方面,碳纳米管管壁上sp2杂化碳原子可以非共价键结合含π电子的小分子药物或利用氢键、范德华力、疏水亲水等物理作用力使小分子药物吸附在碳管表面实现碳纳米管的药物负载。碳纳米管侧壁断裂的缺口或者碳管顶端端口处的sp3碳原子通过氧化形成羧基、羟基等基团,功能化后可与药物进行共价键结合已完成药物负载。大的比表面积与独特的中空管体也为药物提供了存储空间结构,使碳纳米管为药物负载方向奠定了基础依据,使碳纳米管作用于药物载体运输方向成为可能。


史进进等使用多糖透明质酸修饰功能化碳纳米管利用非共价键原理结合小分子光敏剂卟啉单甲醚完成药物的装载,研究表明可以增强卟啉单甲醚的光学活性,而且可以达到增强协同杀伤肿瘤细胞,此外,根据高渗透长滞留效应可以实现肿瘤靶向作用。


(4)碳纳米管在抑菌方向的应用

纳米银粒子是粒径范围在1-100nm之间的金属纳米微粒,银的导电、导热以及电池屏蔽性能、性能等都很突出,并且纳米银粒子具有广谱的抗菌能力,纳米银抗菌性约为锌物质的一千倍。


在制备载银碳纳米管复合材料时,利用碳纳米管独特的结构特征及其相关优势的性能,碳纳米管稳定结构的存在,可使纳米银粒子有效得到分散,而且其复合材料力学、磁性、导电性能都会相应提高。liu等用葡萄糖作还原剂以及保护剂制备了高分散银纳米颗粒碳纳米管复合材料,通过抗菌性实验证实,一步法制备的银接枝碳纳米管复合材料对于大肠杆菌有更高的抗菌活性。


小结:


碳纳米管在许多领域都已显示出潜在的应用前景。碳纳米管的特殊结构使其具有特殊的化学性质,可以进行各种修饰。近年来,越来越多的研究团队探索了将生物分子偶联到碳纳米管,在这过程中,如果能更好地通过功能化提高碳纳米管在溶液中的分散性、稳定性,增强组织相容性,以最大限度地提高其与生物分子的偶联率和活性,这将进一步实现碳纳米管的有效利用。


参考来源:
1、席蓓,马婧等.碳纳米管催化剂载体的研究进展
2、杨敏,张瑜等.碳纳米管作为载体在生物医学中的研究进展
3、张闯.磁性碳纳米管复合载体的制备及其应用研究
4、雷鸣.可降解聚乙烯亚胺功能化磁性碳纳米管基因载体的制备、表征及转染研究
5、王元.碳纳米管作为重组质粒pEGFP-vp5基因转运载体的研究


(中国粉体网编辑整理/青黎)


注:图片非商业用途,存在侵权告知删除


(来源:中国粉体网)


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