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東莞市瑯菱機(jī)械有限公司 2024-09-25 點(diǎn)擊1884次
CNTs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
CNTs的完美石墨結(jié)構(gòu)賦予了其多種優(yōu)異特性，使其成為一種極具潛力的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用材料。特別是在疾病的診斷和治療領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。
基因與藥物輸送
目前，基于碳納米管（CNTs）構(gòu)建的遞送藥物系統(tǒng)的研究數(shù)量眾多，主要集中在抗腫瘤藥物的開發(fā)上。這些遞藥系統(tǒng)通常遵循兩種策略：首先是選擇性靶向，通過特定的配體進(jìn)行功能化，以實(shí)現(xiàn)靶向藥物遞送；其次是針對(duì)腫瘤微環(huán)境的可控釋放。這種方法能夠使藥物主要集中在腫瘤部位，從而減少對(duì)正常組織的毒副作用，提高藥物的安全性和有效性。通過受體介導(dǎo)的靶向治療和針對(duì)腫瘤內(nèi)部微環(huán)境的可控釋放等治療策略，能夠促進(jìn)藥物在特定細(xì)胞內(nèi)的聚集，從而提高病變區(qū)域的藥物濃度，減少用藥劑量，并降低對(duì)其他正常組織和細(xì)胞可能產(chǎn)生的毒副作用。
癌癥的放射治療
CNTs的特性使其可以作為一種危害性較小的材料應(yīng)用于臨床治療研究。例如，在近紅外線照射下，CNTs展現(xiàn)出良好的熱特性，能夠用于疾病的診斷和治療。相關(guān)的體內(nèi)研究顯示，SWCNTs聯(lián)合放射治療能夠顯著縮小腫瘤體積，并且其復(fù)發(fā)率相比其他治療方法顯著降低。此外，SWCNTs主要集中在腫瘤、肝臟和腎臟，對(duì)正常組織和細(xì)胞造成的毒副作用相對(duì)較小。
藥物與光熱聯(lián)合療法
結(jié)合碳納米管（CNTs）的結(jié)構(gòu)特性，合理地對(duì)其進(jìn)行靶向修飾并加載抗腫瘤藥物，以便實(shí)現(xiàn)靶向作用，使其能夠特異性聚集于腫瘤細(xì)胞周邊。隨后，通過近紅外激光照射腫瘤區(qū)域，利用激光輻射結(jié)合CNTs的光學(xué)特性，腫瘤部位會(huì)對(duì)入射光產(chǎn)生顯著的吸收效應(yīng)，最終將吸收的光能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致腫瘤局部溫度快速升高，從而引起腫瘤細(xì)胞的蛋白質(zhì)變性并最終致使細(xì)胞死亡。
生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)
生物醫(yī)學(xué)成像結(jié)合了多種科學(xué)領(lǐng)域的方法，是一種新興技術(shù)，能夠?yàn)榧?xì)胞、組織、器官或整個(gè)機(jī)體的動(dòng)態(tài)提供高分辨率成像。碳納米管（CNTs）因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理特性，可以利用 多種成像手段進(jìn)行功能分析和環(huán)境響應(yīng)的優(yōu)化，甚至可以通過成像技術(shù)直接檢測(cè)活細(xì)胞中CNTs的分布情況。
此外，利用碳納米管（CNTs）作為基礎(chǔ)，還能夠開發(fā)出多種有效的多功能體系作為生物醫(yī)學(xué)成像劑。例如，通過對(duì)CNTs進(jìn)行修飾或引入其他結(jié)構(gòu)元素，比如在CNTs上添加不同類型的金納米顆粒、量子點(diǎn)、氧化鐵納米顆粒以及PET成像納米探針等，可以增強(qiáng)熒光強(qiáng)度，從而提升CNTs的性能和應(yīng)用范圍，進(jìn)而提高成像的有效性。這也為研究CNTs的行為提供了新的方法和視角。
CNT的毒性與生物安全性
然而，碳納米管的生物安全性問題仍是其進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。為了使碳納米管（CNTs）能夠更廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域，并最終實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用，必須深入了解它們的生物學(xué)特性，尤其要確保CNTs具備良好的生物安全性和環(huán)境友好性。然而，與其他化學(xué)物質(zhì)不同，CNTs的結(jié)構(gòu)和純度并不總是明確，這使得它們與生物環(huán)境之間的相互作用相對(duì)復(fù)雜，甚至難以預(yù)測(cè)。
研究表明，碳納米管（CNTs）對(duì)正常組織和細(xì)胞存在一定的毒性。不同的制備方法、純度、聚集狀態(tài)、表面化學(xué)成分、氧化程度、官能團(tuán)，以及應(yīng)用劑量和濃度等因素也可能導(dǎo)致碳納米管表現(xiàn)出一定的毒性，這限制了其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。
CNTs的毒性受制備方法和純度的影響
CNTs的毒性機(jī)制和起源仍未得到充分闡明，目前觀測(cè)到的毒性作用很可能與CNTs的純化程度低有關(guān)。CNTs表現(xiàn)出一定的毒性，最簡(jiǎn)單和直接的原因可能是殘留的大量金屬催化劑，例如Ni/Co、Fe等金屬催化劑中含有的Ni、Co和Fe等元素。這些元素在細(xì)胞環(huán)境中能夠產(chǎn)生活性氧（ROS），而ROS會(huì)引發(fā)炎癥反應(yīng)，包括線粒體膜降解、炎癥生物標(biāo)志物的增加和抗氧化劑的耗竭，從而顯著降低細(xì)胞的活力。
聚集狀態(tài)對(duì)碳納米管毒性的影響
當(dāng)碳納米管處于聚集狀態(tài)時(shí)，會(huì)使納米管的聚合體變得更大、更堅(jiān)固，從而引發(fā)更高的相對(duì)毒性。研究表明，即使是在相同濃度下，不同聚集態(tài)的單壁碳納米管（SWCNTs）對(duì)細(xì)胞的毒性表現(xiàn)也各有不同，而其毒性會(huì)隨著SWCNTs聚集程度的增加而加重。體內(nèi)研究還發(fā)現(xiàn)，高度聚集的多壁碳納米管（MWCNTs）會(huì)在肺部和肝臟等重要器官中嚴(yán)重積累，進(jìn)而引發(fā)一系列炎癥反應(yīng)。
增溶劑對(duì)碳 nanotubes（CNTs）毒性的影響
由于CNTs之間的相互作用非常強(qiáng)，容易形成納米管束，因此需要使用特定的試劑來提高納米管在水相中的分散性。然而，研究表明，溶解在天然分散劑中的單壁碳納米管（SWCNTs）對(duì)原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的毒性明顯大于未經(jīng)過處理的SWCNTs。
CNTs的長度和功能基團(tuán)對(duì)其毒性影響的研究
與CNTs的彌散凝聚態(tài)類似，其長度和功能化在一定程度上會(huì)影響CNTs的細(xì)胞毒性。根據(jù)不同的合成方法，CNTs的長度可以變化在納米到毫米之間，因此其細(xì)胞毒性也因長度的不同而存在差異。
研究表明，當(dāng)納米管的長度超過巨噬細(xì)胞的長度時(shí)，CNTs將無法被巨噬細(xì)胞完全吞噬，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法及時(shí)清除這些物質(zhì)，從而引發(fā)一系列炎癥反應(yīng)。對(duì)于未經(jīng)過功能化處理的CNTs，較短的CNTs相較于較長的CNTs顯示出更高的毒性。然而，在經(jīng)過功能化處理后，較短的CNTs在水溶性和生物相容性等方面都有了顯著提高，更容易被細(xì)胞吸收，并表現(xiàn)出相對(duì)較低的細(xì)胞毒性。
CNTs的功能化修飾
通過功能化修飾后，CNTs的生理溶解性和生物相容性都得到了改善，為其在藥物研究領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。目前，CNTs的功能化修飾主要分為兩種類型：共價(jià)修飾和非共價(jià)修飾。
共價(jià)修飾主要是利用CNTs表面的特性，通過氧化、環(huán)加成、酰胺化等反應(yīng)，在其表面形成化學(xué)鍵，以連接功能化修飾基團(tuán)。
非共價(jià)鍵主要通過分子間的π-π堆積和范德華力等方式來增強(qiáng)碳納米管（CNTs）的分散性，從而防止其聚合。
這兩種修飾提升了碳納米管（CNTs）在穩(wěn)定性和生物相容性方面的表現(xiàn)?？紤]到CNTs的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，許多研究者將其視為理想的基因和藥物輸送系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。此外，若在CNTs表面負(fù)載或在其空心管內(nèi)填充磁性元素和化合物，就能形成磁性碳納米管復(fù)合材料，這在磁共振成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。
此外，通過共價(jià)結(jié)合的方式對(duì)碳納米管（CNTs）進(jìn)行功能化修飾，可以改善其作為抗腫瘤藥物的治療效果。另一方面，某些分子（如芳香烴）雖然無法與CNTs形成共價(jià)鍵，但可以通過強(qiáng)烈的非共價(jià)鍵附著在CNTs上。CNTs的非共價(jià)功能化修飾已在基因和藥物遞送領(lǐng)域得到了應(yīng)用，許多成功的碳納米管基因藥物均是通過非共價(jià)相互作用開發(fā)而成。目前，研究者們已經(jīng)開發(fā)出以CNTs為載體，能夠高效、特異性遞送si RNA、基因和DNA等多種生物分子的非病毒基因遞送系統(tǒng)。