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1、综述/Mini Review生物物理学报2012 年 6 月第 28 卷第 6 期:ACTA BIOPHYSICA SINICA Vol.28 No.6 Jun.2012:457-468457-468碳纳米管及其复合材料在神经系统中的应用研究进展蒋爱华1,2,陈瑞2,白茹2,严奉祥1,陈春英21南华大学药物药理研究所，湖南衡阳 421001；2国家纳米科学中心，中国科学院纳米生物效应与安全重点实验室，北京 100190收稿日期：2011-12-20；接受日期：2012-02-18基金项目：“973”计划项目(2011CB933401)，国家自然科学基金项目(10975040)通讯作者：陈瑞，电
2、话：(010)82545526，E-mail：摘要：碳纳米管是结构和性质新颖的一类纳米材料，在生物医学领域的应用备受关注，在神经系统中的应用已成为当前的研究热点之一。本文从碳纳米管的结构和性质出发，阐述了近年来碳纳米管及其复合材料作为神经细胞生长支架材料、神经电极和药物载体，分别在神经修复、神经检测及疾病治疗三个方面的最新研究进展，探讨了碳纳米管潜在的神经毒性及其解决方法，并就碳纳米管在神经系统中的应用前景进行了展望。关键词：碳纳米管；神经修复；支架；药物载体；神经电极中图分类号：Q81，R318.08DOI：10.3724/SP.J.1260.2012.10153引言近年来，神经系统疾病的发
3、生率在持续攀升，很多遗传和环境类因素都能导致神经系统疾病的发生。神经元细胞的结构和功能受到损伤是神经系统疾病共同的病理特征，其受损伤程度与神经系统疾病的严重程度密切相关。目前尚无有效的方法治疗神经系统疾病，主要原因是成熟神经元细胞本身不能分裂增殖进而自身修复。对于中枢神经系统疾病的治疗，由于血脑屏障阻挡了大部分药物进入脑组织发挥药效作用，这又大大增加了治疗的难度。成熟神经细胞不能增殖的特性促使人们必须及时诊断并治疗神经系统疾病，这就需要高灵敏度和高精确度的仪器与设备。目前神经系统疾病的治疗方法主要分为细胞移植治疗、药物治疗和基因治疗。细胞移植治疗需要细胞再生支架材料提供良好的细胞-材料作用界面
4、以促进细胞再生与分化。药物治疗神经系统疾病则需要合适的载体协助药物分子进入脑组织。基因治疗神经系统疾病同样依赖于治疗基因被有效地导入细胞并稳定的表达，但是，神经系统中某些细胞很难被外源基因转染，因此也需要合适的载体以协助基因进入靶细胞。寻找合适的材料作为细胞再生支架材料和药物运输载体是当前治疗神经系统疾病的关键。在神经系统的检测过程中，要求与神经细胞直接接触的电极具备尺寸小、电导率高、457ACTA BIOPHYSICA SINICAVol.28 No.6Jun.2012综述/Mini Review生物物理学报 2012 年 第 28 卷 第 6 期图 1CNTs 结构模式图2(A)MWCNT
5、；(B)“金属”扶手椅式 SWCNT；(C)“螺旋手性”SWCNT；(D)锯齿形 SWCNT；(E)SWCNT 束Fig.1Representations of different structures of CNTs2(A)MWCNT;(B)Metallic armchair SWCNT;(C)HelicalchiralsemiconductingSWCNT;(D)ZigzagSWCNT;(E)SWCNT bundle(A)(B)(C)(D)(E)质量轻等特点。神经再生修复过程要求再生支架材料具有很好的生物相容性。神经系统药物运输载体不但要求载体便于携带药物或基因分子，还要求其必须能够高效地
6、进入脑和神经细胞。而碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)具有尺寸小、比表面积大、电导率高、质量轻、具中空的管腔结构、耐腐蚀性强等优良特性，既符合生物电极和生物支架材料的要求，也能满足药物载体的需要，是用于神经系统疾病治疗的理想材料。碳纳米管的结构和性质自 1991 年首次被发现以来，CNTs 就因其独特的结构和理化性质备受重视，并得到广泛的研究1。CNTs 可视为由石墨卷曲而成的数层管状分子结构，碳原子均匀分布在管壁表面，因而 CNTs 在性质上与石墨有很多相似之处。按管壁层数不同，可将 CNTs 分为单壁碳纳 米 管(single-wall carbon nanotubes
7、，SWCNT)和 多 壁 碳 纳 米 管(multi-wall carbonnanotubes，MWCNT)。SWCNT 的直径范围是 0.42 nm，MWCNT 的直径范围是 2100 nm。CNTs 的长度受合成方法的影响，可达几十微米甚至更长，因此，不同 CNTs 之间的长径比差异很大。另外，石墨在卷曲时，可因碳六元环与卷曲时的轴向方向螺旋角度不同而形成扶手椅式、锯齿形和手性三种构象，这三种构象决定着 CNTs 的导电性质(图1)。由于结构独特，CNTs 与石墨相比，还具备一些独特的理化性质，如机械强度高、比表面积大、跨细胞膜能力强及易于修饰等特点24，这些都为 CNTs 的应用奠定了良
8、好的基础。目前，CNTs 的制备方法主要有化学气相沉积法、电弧放电法和激光烧蚀法。用不同方法制得的 CNTs 在结构和性质上差异很大57。化学气相沉积法是用含碳气源流经金属催化剂表面生成 CNTs，因为生产过程中温度相对较低，生成的 CNTs结构缺陷少，但由于制备过程中使用的碳源或催化剂不同，生成的 CNTs 携带的杂质种类和含量也不同。电弧放电法是以石墨为原料在高温真空条件下放电生成 CNTs，生成的CNTs 结构缺陷相对较少，机械强度高，导电性能强。激光烧蚀法是用激光直接蒸发石墨，生成的 CNTs 尺寸均一性较好，但易缠结。经共价或非共价修饰，可提高 CNTs 的生物相容性，更适合在神经系
9、统中应用。CNTs生成过程中形成的结构缺陷为共价修饰 CNTs 提供了条件，这种缺陷也可经强酸回流产生，在缺陷处通常可引入羧基(COOH)或羟基(OH)，羧基化或羟基化的 CNTs，其分散性得ACTA BIOPHYSICA SINICA蒋爱华等：碳纳米管及其复合材料在神经系统中的应用研究进展综述/Mini Review到提高，同时，CNTs 表面的羧基和羟基基团具备更高的反应活性，可与多种化合物形成酯键、酰胺键或醚键，进而将它们连接到 CNTs 表面，经修饰后的 CNTs 可同时拥有 CNTs本身和所连接化合物二者的优异性质。另外，也可对 CNTs 进行非共价修饰，Kam 等8发现CNTs 可
10、通过偶联作用将蛋白质吸附在其表面，这种吸附作用非常强，足以将蛋白质分子载入细胞。总之，通过对 CNTs 进行适当修饰，改善了其物理化学性质，拓宽了其在神经科学领域中的应用范围。碳纳米管及其复合材料在神经系统中的应用碳纳米管修饰电极在电刺激和神经检测中的应用神经电刺激可用于研究神经系统中的信息编码和传递。Mazzatenta 等9发现，当SWCNT 支架与培养在其表面的神经细胞接触紧密时，电流经 SWCNT 支架可传导至神经细胞并引起神经细胞突触后电位的变化。Gheith 等10用逐层自组装技术制成可导电的 SWCNT支架，并在其表面培养 NG108 细胞，发现外源电流经支架传导至 NG108
11、细胞并激发细胞膜发生电流变化，这种细胞外电刺激引起的细胞膜电位变化与运用膜片钳进行的细胞内电刺激所引起的细胞膜电位变化显著不同，这为神经细胞电刺激提供了另一种可行的方案，即可通过 CNTs 支架经电刺激神经细胞来研究神经网络的信息传递。神经电刺激也可应用于神经系统疾病的治疗，如人工耳蜗、深部脑刺激、神经假体移植等。这些植入脑组织的电极应满足电荷注入能力强、刺激特异性高等要求。传统电极以金属为材料，增大电极尺寸，可以提高电荷注入能力，但降低了刺激的特异性，还会因电磁感应效应对神经细胞产生毒性作用；如果减少电极尺寸，又会增大电阻，电荷注入能力也将下降。可见，减少电极尺寸以降低对神经组织的损伤程度和
12、增大电极尺寸提高电荷注入能力本身是矛盾的，但高导电性的 CNTs 作为电极材料则有望解决这一问题。Cassell 等11,12在聚吡咯包被的金属 Pt 电极表面涂覆上 CNTs 并将其制成微阵列电极，发现 CNTs 涂覆电极的电荷容量是 Pt 电极的 100 多倍，电阻也低很多，通过 CNTs 的使用，很好地解决了电极应用上的难题。为了提高微阵列电极的电荷注入能力，常在电极表面涂覆上导电性聚合材料，这样虽然提高了电极的电荷注入能力，但这种电极稳定性差，而向聚合物材料中加入CNTs 不但可以提高电极的电荷注入能力还可以增强电极的稳定性。Luo 等13用电化学方法将聚乙烯二氧噻吩(poly-3,4
13、-ethylenedioxythiophene，PEDOT)与 MWCNT 混匀后沉积在 Pt电极表面，发现与 Pt 电极相比，PEDOT/CNTs 涂覆电极的电阻显著下降，电荷注入能力显著提高至 2.5 Mc/cm2，在急性和慢性电刺激实验中也没有发现 PEDOT/CNTs 修饰电极表面出现裂纹和分层的现象，显示出很好的稳定性。另外，利用 CNTs 吸收光电子产生电流的特性将其制成电极，可用于电刺激神经组织。Mohy-Ud-Din 等14将 SWCNT 制成电极植入小鼠脑内，当用蓝光照射时，SWCNT 电极可将吸收的光电子转换为电流用于刺激神经组织。进一步研究还发现，电极的有效刺激面积与制作
14、电极时使用的 CNTs 种类有关，当用 SWCNT制成的电极尺寸为 50 nm2时，电刺激神经组织的有效面积为 40 m2，而用 MWCNT 制成同等尺寸的电极，电刺激神经组织的有效面积降为 12 m2。这种电极的优点是尺寸更小，更易于植入脑组织，电刺激的特异性更强，还能减少神经纤维瘢痕的形成(图 2)。459ACTA BIOPHYSICA SINICAVol.28 No.6Jun.2012综述/Mini Review生物物理学报 2012 年 第 28 卷 第 6 期图 2基于 CNTs 涂覆电极的光电刺激模型14Fig.2BasicconceptoftheproposedCNTs-base
15、doptoelectronic stimulation14Carbonnanotube detectorAction potentialof neuronElectric fieldgenerated bystimulatorDetector&stimulatorOptical lightsourceMicro electrode coatedwith carbon nanotubeCNTs修饰电极在神经检测方面表现出优异的性能。Yu 等15将定向生长的 CNTs 制成微阵列电极并成功用于记录海马区神经细胞的电流变化。Gabay 等16于 900高温条件下，在氮化钛电极表面用 Ni 催化生成C
16、NTs，使钛电极电阻显著下降，拥有更高的信噪比，因而在检测灵敏度方面显示出很强的优势。将 CNTs 修饰电极植入动物脑内也显示出同样的检测优势。Keefer 等17将MWCNT 涂覆的金属电极植入大鼠脑皮层神经元区和猴脑视觉皮层区，发现金属电极经CNTs 修饰后具备更低的电阻和更高的信噪比，能更好地记录植入脑区的电流变化，加上 CNTs 拥有尺寸小、质量轻、耐腐蚀性强的特性，很适合作为电极材料植入动物脑内。另外，美国科学家利用 CNTs 的优良电学性能构建了一个 CNTs 神经键电路，试验中发现此电路呈现出神经元的功能，这为未来研究开发人造大脑展示了广阔的前景18。电化学生物传感器是生物传感器
17、中的一种，它将生物敏感材料固定在电极表面，检测时，生物敏感材料与被检测物发生酶促反应并将反应强度转变为电信号，通过电信号的强弱来反映被测量参数的大小。在制作电极时向其中加入 CNTs，利用 CNTs 特异性地吸附被检测物，可提高仪器的检测灵敏度。Liu 等19用多聚丙烯酸和 MWCNT 制成玻璃样碳盘电极(glassy-carbon disk electrode)，因电极中的 MWCNT 对多巴胺和尿酸有很强的吸附作用，在抗坏血酸存在的条件下，大大提高了电极对多巴胺和尿酸的检测灵敏度并扩大了其检测限。利用 CNTs 易于共价修饰的特点，Ali 等20将能与多巴胺发生选择性反应的聚苯胺酸共价连接
18、到 SWCNT 电极表面，检测时，利用多巴胺与聚苯胺酸在电极表面形成多巴胺硼酸酯所引起的电极电导率变化来实现对多巴胺的测定，避免了检测时氧化多巴胺产生的副作用。通过将生物特异性抗体连接到 CNTs 电极表面，可用于测定神经细胞释放的某些微量蛋白，进而判断神经细胞的活性，Wang 等21采用版印技术将 SWCNT 涂覆在场致晶体管传感器表面，然后再在 SWCNT 表面连接上 IgG，可实现对浓度低于 1 nmol/L 的嗜铬粒蛋白 A(chromogranin A)的检测。总之，CNTs 作为新兴的生物电极材料，因其电导率高、吸附性能强和易于修饰等特点，不但有助于改善传统电极的性能，提高检测灵敏
19、度，还极大地扩展了传统电极的应用范围。碳纳米管支架在神经修复中的应用CNTs 作为细胞支架材料，可以在神经组织修复过程中发挥重要作用。CNTs 表面比较粗糙，有助于细胞粘附。Sorkin 等22比较了表面粗糙程度不同的 CNTs 支架对神经细胞粘附能力的差异，发现表面较粗糙的 CNTs 支架更利于神经细胞的锚定，当表面粗糙程度与细ACTA BIOPHYSICA SINICA蒋爱华等：碳纳米管及其复合材料在神经系统中的应用研究进展综述/Mini Review图 3不同电导率 SWCNT 支架对神经细胞生长和轴突延长的影响26(A)化学修饰导电性 SWCNT 支架支持神经细胞存活和轴突延长，图为生
20、长在聚乙烯亚胺(PEI)包被的玻璃片和不同电导率 SWCNT-PEG 薄膜上的神经细胞钙黄绿素染色图，钙黄绿素用来染活的神经细胞，箭头指向为生长锥，标尺=10 m；(B)作用模式图Fig.3The effects of the conductivity of SWCNT substrates on neuronal growth and neurite outgrowth26(A)Chemically-functionalized conductive SWCNT substrates permit neuronal survival and neurite outgrowth asshown
21、 by the ability of cells to retain the vital dye,calcein.Fluorescent images of live neurons grown on PEIcoated coverslips and SWCNT-PEG films of varying conductivity.Arrows indicate growth cones.Scale bar=10 m.(B)Schematic drawing0 nm(PEI)10 nm SWCNT30 nm SWCNT60 nm SWCNT(A)(B)0 S/cm0.3 S/cm28 S/cmG
22、lass coverslip(PEI)10 nm SWCNT-PEG30 nm SWCNT-PEG10 m10 m10 m10 m胞直径相当时作用最强。另外，CNTs 还可以增强其它材料对细胞的粘附作用。Chao 等23比较了多聚丙烯酸或多聚甲基丙烯酸枝接处理的 CNTs 支架对人胚胎干细胞黏附、增殖和分化能力的差异，发现向支架材料中加入 CNTs 后，细胞的各项能力与加入 CNTs 之前相比都有显著增强。Hu 等24,25用带正电荷的聚乙烯亚胺修饰 SWCNT 并制成支架，发现它能促进神经突延长和分支点数的增多；同样，用羧基、氨基苯磺酸、乙二胺修饰 MWCNT 分别制得带负电荷、两性电荷和正
23、电荷的 CNTs 支架，用这些支架分别培养鼠海马神经细胞，发现在生理条件下，鼠海马神经细胞神经突延长、分支数量和生长锥数目增多的顺序与支架表面电荷性质的关系是：正电荷中性电荷负电荷，这是由于生理条件下细胞表面分布着不均匀的负电荷，表面带电荷的 CNTs 支架通过与细胞表面的电荷发生相互作用而影响神经细胞的生长与分化。Malarkey 等26将聚乙二醇(polyethyleneglycol，PEG)修饰的SWCNT 制成厚度分别是 10、30 和 60 nm 的支架，电导率依次是 0.3、28 和 60 S/cm，发现培养在 0.3 S/cm 电导率支架上的神经细胞修复能力最强(图 3)，说明
24、CNTs 的电导率是影响神经细胞生长和分化的又一关键因素。Nguyen-Vu 等27发现，MWCNT 支架表面吸附了胶原蛋白后，其对 PC12 细胞的黏附能力进一步增强。Mattson 等28将吸附了 4-羟基壬烯醛(4-hydroxynonenal，4-HNE)的 MWCNT 制成支架，用于培养鼠海马神经细胞，发现与MWCNT支架相比，培养在 4-HNE 修饰的 MWCNT 支架表面的鼠海马神经细胞伸展出更多的神经轴突和分支。这说明，利用 CNTs 的强吸附能力，在 CNTs 支架表面涂覆上蛋白分子，可以增强其对神经细胞的黏附并促进神经细胞的生长。461ACTA BIOPHYSICA SIN
25、ICAVol.28 No.6Jun.2012综述/Mini Review生物物理学报 2012 年 第 28 卷 第 6 期神经生长因子在神经细胞的生长和分化过程中扮演着重要角色，可将神经生长因子连接到 CNTs 表面用于培养神经细胞。Matsumoto 等29通过形成共价键的方式将神经生长因子连接到 MWCNT 表面，结果发现连接在 MWCNT 表面的神经生长因子可以像水溶性神经生长因子一样，促进鸡胚胎背根神经细胞和 PC12 细胞的生长与分化。随后，他们又将 CNTs和 NGF 混合后与细胞共孵育，发现这种培养方式使含轴突的神经细胞数量显著增加，并上调了 NGF 受体下游信号分子 ERK
26、的磷酸化水平；进一步研究还发现，在共孵育之前加入ERK 抑制剂，ERK 信号通路仍能被部分激活30，这些结果表明 CNTs 可能是通过调节 ERK的活性来促进神经细胞的生长与分化。CNTs 支架材料还可诱导干细胞定向分化为成熟神经细胞，从而对受损的神经组织进行修复治疗。Chao 等31发现 CNTs 薄膜支架可选择性地诱导人胚胎干细胞分化为神经细胞，这种促分化作用比多聚丙烯酸薄膜和多聚 L-鸟氨酸薄膜效果更强，而对细胞活性的影响却比后两者弱。Kam 等32通过自组装技术制成层连蛋白/SWCNT 复合支架，并用它培养神经干细胞，成功地诱导干细胞分化为神经细胞并形成神经网络。通过改变 CNTs 支
27、架的几何形状和尺寸大小，可实现对干细胞生长和分化的调节。Park 等33将 CNTs 支架表面分别制成正方形、直线形及圆形和直线组合这三种图案，用于培养神经干细胞，他们发现，培养在表面图案为正方形支架上的干细胞，轴突延长和分化能力受正方形图案大小和相邻图案间距的影响；而培养在表面图案为直线形支架上的干细胞，其轴突延长方向只能沿着线形方向延伸，分化能力也受到相邻图案间距的影响；当支架表面图案为圆形和直线组合时，细胞核定位于圆内，轴突沿着线形方向延伸并与相邻图案上的细胞形成突触联系。将 CNTs与聚酰亚胺制成表面由不同几何形状和尺寸大小图案组成的支架用于神经干细胞培养时，也得到了类似的结果。这说明
28、通过改变支架表面图案的几何形状与尺寸大小，可在单细胞水平上精细调节干细胞的生长与分化。以上研究结果显示 CNTs 支架在神经细胞生长和分化方面有着重要的应用价值，有望广泛应用于受损神经组织的再生修复治疗。碳纳米管载体在神经系统疾病治疗中的应用脑肿瘤是神经系统中常见的致命性疾病之一，特点是难以治疗并直接危及生命。其中，胶质瘤是脑肿瘤中的一种，约占所有原发性颅内肿瘤的一半左右。将 CNTs 作为载体，利用其很强的细胞膜跨越能力来携载治疗基因进入脑神经细胞，可用于治疗胶质瘤。Kate等34在体外研究中发现，与神经胶质瘤细胞相比，MWCNT 更容易被小神经胶质细胞内吞，说明 CNTs 被细胞摄入具有细
29、胞选择性。不久，VanHandel 等35将荧光染料 PKH26 标记的MWCNT 注入小鼠颅腔内，24 h 后，流式细胞技术检测显示内吞 CNTs 的细胞有 75%是肿瘤相关巨噬细胞。这从体内角度证实了 CNTs 被细胞摄取的选择性，为应用 CNTs 作为载体对脑部肿瘤进行免疫治疗提供了理论依据。CpG 寡聚脱氧核苷酸是 toll 样受体 9(toll-likereceptor-9，TLR9)的激活剂，它通过激活 TLR9 逆转肿瘤微环境，实现对胶质瘤的免疫治疗。Zhao 等36将 CpG 寡聚脱氧核苷酸共价连接到长度为 100200 nm 的 PEG-SWCNT 上，发现无论是将 SWCN
30、T 与神经胶质瘤细胞在体外共孵育，还是通过注射方式将其注入脑内含胶质瘤的 GL261 小鼠颅腔内，CNTs 都成功地提高了 CpG 寡聚脱氧核苷酸进入细胞内的量，并增强了其肿瘤抑制作用，而单独使用相同浓度 CpG 组完全没有这种效果。进一步研ACTA BIOPHYSICA SINICA蒋爱华等：碳纳米管及其复合材料在神经系统中的应用研究进展综述/Mini Review(A)(B)(C)(D)(E)图 4SWCNT 在脑内细胞分布的透射电子显微镜图38(A)神经元细胞内包含 SWCNT(箭头所指)；(B)A 图中神经元细胞的 2 个溶酶体内包含SWCNT(箭头所指)；(C)神经胶质细胞内无 SW
31、CNT；(D)SWCNT 在神经轴突的纵截面中呈纤维状存在(箭头所指)；(E)SWCNT 在神经轴突的横截面中呈点状存在(箭头所指)Fig.4ThecelldistributionofSWCNTinbrainexaminedbytransmissionelectronmicroscope38(A)A neuron containing SWCNT(arrowheads);(B)SWCNTintwolysosomesindicatedbyarrowsinFig.A(arrowhead);(C)A glial cell containing no SWCNT;(D)Sectionparallelt
32、othelongitudinalaxisofoneneurite,whichwasconfirmedbythesheath(arrowhead),SWCNTisfiberlike;(E)Cross section of neurite,which was confirmed by the sheath(arrowhead),SWCNT are dotlike究还显示，当 CNT-CpG 处理组小鼠颅腔内再次接种肿瘤时，还能显著抑制肿瘤的生长，展示出长期的免疫抗肿瘤效果。神经退行性病变是另一类严重的神经系统疾病，其致病机制目前尚未阐明，缺乏有效的治疗方法。利用碳纳米管作为基因或药物载体，探求治疗
33、神经退行性疾病的新途径，为该领域提供了希望。Al-Jamal 等37将携带有 Caspase3-siRNA、长度为 0.52 m 的 MWCNT注入大鼠大脑内，发现细胞凋亡相关蛋白 Caspase3 的表达显著下调，缺血再灌注所引起的神经退行性病变症状也得以缓解。Yang 等38通过灌胃的方法将携带有乙酰胆碱、长度为50300 nm 的 SWCNT 灌注进阿尔茨海默病模型鼠的胃肠道内，发现 SWCNT 减轻阿尔茨海默病症状的效果呈剂量依赖性。进一步利用透射电镜观察，发现 SWCNT 存在于神经细胞内，定位也与其浓度密切相关。当浓度低于 300 mg/kg 时，CNTs 靶向于溶酶体，通过释放乙
34、酰胆碱发挥治疗作用；当浓度高于 300 mg/kg 时，过量的 SWCNT 会从溶酶体进入线粒体而产生细胞毒性作用(图 4)。因此，CNTs 作为药物载体不但能携带药物穿越细胞膜，还具有一定的细胞和细胞器靶向性。碳纳米管的安全性任何材料在应用于生物医学领域之前都需考虑其安全性，CNTs 也不例外39,40。现有的证据表明 CNTs 本身是安全的，且具有良好的生物相容性。多个研究组证实，CNTs 涂覆支架能支持鼠海马、背根节、皮层和小脑神经元细胞的生长，经 CNTs 修饰后的支架生物相容性更好4144。Kateb 等34将 MWCNT 分别注入正常和含胶质瘤的 GL261 小鼠脑内，虽然在这两种
35、小鼠脑内都观察到炎症细胞的短暂上升，但是并没有发现明显的毒性效应。Bardi等45发现，将 PEG 修饰且均长为 2 m 的 MWCNT 注入小鼠大脑皮层后，不但没有引起注463ACTA BIOPHYSICA SINICAVol.28 No.6Jun.2012综述/Mini Review生物物理学报 2012 年 第 28 卷 第 6 期表 1CNTs 的毒性效应研究结果汇总表Table 1Cytotoxicity of CNTsCNTsCytotoxicity of CNTsEffects of cell behaviorDNA-wrapped SWCNTEffect of length o
36、f CNTs47Carbon nanotubes shorter than 189+17 nm areconsumed and likely induce more cytotoxicityAminohexanoicacid-derivatized-SWCNT(AHA-SWCNT)Effect of dispersion48PF127effectivelydispersetheaggregatesofAHA-SWCNTanddecreasethecytotoxicityofAHA-SWCNT,whereas DMSO does notProtein-coated SWCNTsEffectofi
37、nteractionsbetweenvarious factors including quan-tity of CNTs used,type of cellsused,and the methods used forcytotoxicity assessment49Blood proteins competitively bonded to SWCNTssurface can greatly alter their cellular interactionpathways and result in much reduced cytotoxicityfor these protein-coa
38、ted SWCNTs,according totheir respective adsorption capacitySWCNTs with 30%ironEffect of impurities in CNTs50Cause oxidative stress,loss of cell viability andultrastructuralandmorphologicalchangesinhuman epidermal keratinocytes after exposure for18 hGlycopolymer-CNTs andunmodified CNTsEffect of surfa
39、ce chemistry51CNTs coated with biomimetic glycopolymer werenontoxic,whereas unmodified CNTs induced celldeathSWCNTs and MWCNTsType of CNTs52SWCNTs(1.4 nm in diameter)can easily induceserious damage of alveolar macrophages even at0.38 m/cm2comparedto3.06 m/cm2forMWCNTs(1020 nm in diameter)射部位周围神经组织的退
40、行性病变，还减弱了表面活性剂 PF127(pluronicF127，PF127)诱导的细胞凋亡作用。将 CNTs 加入聚合物材料中，可以增强其生物相容性。Mckenzie 等46将直径或表面能不同的四种 CNTs 与聚碳酸酯聚氨酯制成复合支架，用于培养星形胶质细胞，发现在较大直径或较低表面能的 CNTs 支架上的星形胶质细胞更容易黏附和生长。进一步研究还发现，随着高表面能 CNTs 在支架材料中比重的增加，星形胶质细胞的粘附力逐渐下降，这说明用 CNTs 作为神经植入装置可减少胶质瘢痕的形成。随着对 CNTs 毒性效应研究的深入，影响 CNTs 毒性的因素正在被逐一揭示出来，且已经逐渐探索出合
41、理有效的解决方案(见表 1)，这些研究资料为未来更加安全合理地应用CNTs 提供了参考。Becker 等47研究了人成纤维细胞 IMR 90 摄入经 DNA 包被的 SWCNT的量与其长度的关系，结果表明细胞摄取 CNTs 以长度(18017)nm 为界，低于此长度的CNTs 容易被摄取，且毒性效应也更强，说明 CNTs 的长度是影响其安全应用的因素之一。CNTs 因分散性差而易团聚，选择合适的分散剂有助于 CNTs 的分散并降低其毒性。Zhang等48分别用 1%(w/v)的二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide，DMSO)和 1%(w/v)的阴离子表面活性剂 PF127 对氨基己
42、酸修饰的 SWCNT 进行分散助溶，发现 PF127 可以有效分散 CNTACTA BIOPHYSICA SINICA蒋爱华等：碳纳米管及其复合材料在神经系统中的应用研究进展综述/Mini Review1.Iijima S,Ichihashi T.Single-shell carbon nanotubes of 1-nmdiameter.Nature,1993,363:6036052.HirschA,VostrowskyO.Functionalizationofcarbonnanotubes.Top Curr Chem,2005,245:1932373.Bekyarova E,Haddon R
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45、Li WX,Jin ZX.Biological efficiency and security参考文献：并减弱其细胞毒性作用，而 DMSO 难以充分分散 CNTs 和降低其细胞毒性作用。来自本实验室的工作发现，将含金属杂质的 SWCNT 用气管滴注的方法滴入自发高血压大鼠(spontaneously hypertensive rat，SHR)的肺内，CNTs 中残留的金属杂质会增加肺的炎症、氧化应激和细胞损伤效应，说明 CNTs 生产过程中残留的杂质是其产生毒性的因素之一，需要通过改变合成方法或改进提纯工艺来降低 CNTs 中残留的杂质53,54。后续实验中，我们将 SWCNT 与人血清混合，
46、发现血清中的不同蛋白成份能竞争性地吸附到 SWCNT 表面，再与人单核白血病细胞株和人脐静脉内皮细胞株共孵育，结果显示 SWCNT 表面吸附的血清蛋白可以显著改变其与细胞的作用方式，与未吸附蛋白的 SWCNT 相比，吸附有血清蛋白的 SWCNT 的细胞毒性显著下降49,55。碳纳米管进入体内后需经血液循环再分布于全身各处，碳纳米管表面吸附的血清蛋白会影响到其与细胞的相互作用并降低其毒性效应，这将为保障碳纳米管在人体的安全应用提供依据。研究引起 CNTs 生物毒性的相关因素及相应解决方案，对于推动其在神经系统中的安全和合理应用具有重要意义。总结和展望纳米科学是一门新兴的学科，在许多领域都具有广泛
47、的应用前景56，医学领域是其应用中的一个重要方向。作为纳米尺度的载体，CNTs 具有独特的理化性质，在神经系统中已经显示出极具潜力的应用价值和广阔的应用前景。作为支架材料，CNTs 可促进神经细胞的生长与分化，但对于其理化特性还需进行系统、定量和可控性的研究，需进一步研究是否还存在其它影响神经细胞生长与分化的理化特性；作为电极材料，它具备尺寸小、检测特异性强和灵敏度高的优势，利用其易于修饰的特性，还可进一步研究如何扩大其在神经系统中的检测范围；作为载体，它能有效携载药物或基因，其本身还具有一定的靶向性，为中枢神经系统疾病的治疗提供了新的治疗方案。另外，由于 CNTs 在神经系统中的应用研究目前
48、还处于起步阶段，研究资料相对较少，还不能充分解释 CNTs 在组织及细胞内存在的动力学输运、代谢甚至降解等问题，并且，虽然现有资料并未显示 CNTs 本身对神经系统有毒性效应，但也应警惕 CNTs 长期应用时存在潜在毒性效应的可能。CNTs 的安全性研究是其应用研究的重要组成部分。总之，CNTs 作为一种新颖的材料，其在神经系统中的应用值得进一步关注和深入研究。465ACTA BIOPHYSICA SINICAVol.28 No.6Jun.2012综述/Mini Review生物物理学报 2012 年 第 28 卷 第 6 期application of carbon nanotubes.Be
49、ijing:Science Press,2010.1188.Kam NW,Liu Z,Dai H.Carbon nanotubes as intracellulartransporters for proteins and DNA:An investigation of theuptake mechanism and patheay.Angew Chem Int Ed Engl,2006,45(4):5775819.Mazzatenta A,Giugliano M,Campidelli S,Gambazzi L,Businaro L,Markram H,Prato M,BalleriniL.I
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