CNTs在生物醫(yī)學領域的應用 

CNTs的完美石墨結構賦予了其多種優(yōu)異特性，使其成為一種極具潛力的生物醫(yī)學應用材料。特別是在疾病的診斷和治療領域，應用前景廣闊。

基因與藥物輸送

目前，基于碳納米管（CNTs）構建的遞送藥物系統(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，通過特定的配體進行功能化，以實現(xiàn)靶向藥物遞送；其次是針對腫瘤微環(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。通過受體介導的靶向治療和針對腫瘤內部微環(huán)境的可控釋放等治療策略，能夠促進藥物在特定細胞內的聚集，從而提高病變區(qū)域的藥物濃度，減少用藥劑量，并降低對其他正常組織和細胞可能產(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。相關的體內研究顯示，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，對正常組織和細胞造成的毒副作用相對較小。

藥物與光熱聯(lián)合療法

結合碳納米管（CNTs）的結構特性，合理地對其進行靶向修飾并加載抗腫瘤藥物，以便實現(xiàn)靶向作用，使其能夠特異性聚集于腫瘤細胞周邊。隨后，通過近紅外激光照射腫瘤區(qū)域，利用激光輻射結合CNTs的光學特性，腫瘤部位會對入射光產(chǎn)生顯著的吸收效應，最終將吸收的光能迅速轉化為熱能，導致腫瘤局部溫度快速升高，從而引起腫瘤細胞的蛋白質變性并最終致使細胞死亡。

生物醫(yī)學影像學

生物醫(yī)學成像結合了多種科學領域的方法，是一種新興技術，能夠為細胞、組織、器官或整個機體的動態(tài)提供高分辨率成像。碳納米管（CNTs）因其獨特的結構和物理特性，可以利用 多種成像手段進行功能分析和環(huán)境響應的優(yōu)化，甚至可以通過成像技術直接檢測活細胞中CNTs的分布情況。

此外，利用碳納米管（CNTs）作為基礎，還能夠開發(fā)出多種有效的多功能體系作為生物醫(yī)學成像劑。例如，通過對CNTs進行修飾或引入其他結構元素，比如在CNTs上添加不同類型的金納米顆粒、量子點、氧化鐵納米顆粒以及PET成像納米探針等，可以增強熒光強度，從而提升CNTs的性能和應用范圍，進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一步發(fā)展的一個重要挑戰(zhàn)。為了使碳納米管（CNTs）能夠更廣泛地應用于生物醫(yī)藥領域，并最終實現(xiàn)臨床應用，必須深入了解它們的生物學特性，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，與其他化學物質不同，CNTs的結構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復雜，甚至難以預測。

研究表明，碳納米管（CNTs）對正常組織和細胞存在一定的毒性。不同的制備方法、純度、聚集狀態(tài)、表面化學成分、氧化程度、官能團，以及應用劑量和濃度等因素也可能導致碳納米管表現(xiàn)出一定的毒性，這限制了其在生物醫(yī)藥領域的進一步應用。

CNTs的毒性受制備方法和純度的影響

CNTs的毒性機制和起源仍未得到充分闡明，目前觀測到的毒性作用很可能與CNTs的純化程度低有關。CNTs表現(xiàn)出一定的毒性，最簡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。這些元素在細胞環(huán)境中能夠產(chǎn)生活性氧（ROS），而ROS會引發(fā)炎癥反應，包括線粒體膜降解、炎癥生物標志物的增加和抗氧化劑的耗竭，從而顯著降低細胞的活力。

聚集狀態(tài)對碳納米管毒性的影響

當碳納米管處于聚集狀態(tài)時，會使納米管的聚合體變得更大、更堅固，從而引發(fā)更高的相對毒性。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）對細胞的毒性表現(xiàn)也各有不同，而其毒性會隨著SWCNTs聚集程度的增加而加重。體內研究還發(fā)現(xiàn)，高度聚集的多壁碳納米管（MWCNTs）會在肺部和肝臟等重要器官中嚴重積累，進而引發(fā)一系列炎癥反應。

增溶劑對碳 nanotubes（CNTs）毒性的影響

由于CNTs之間的相互作用非常強，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）對原核細胞和真核細胞的毒性明顯大于未經(jīng)過處理的SWCNTs。

CNTs的長度和功能基團對其毒性影響的研究

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影響CNTs的細胞毒性。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，因此其細胞毒性也因長度的不同而存在差異。

研究表明，當納米管的長度超過巨噬細胞的長度時，CNTs將無法被巨噬細胞完全吞噬，這可能導致系統(tǒng)無法及時清除這些物質，從而引發(fā)一系列炎癥反應。對于未經(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，更容易被細胞吸收，并表現(xiàn)出相對較低的細胞毒性。

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，為其在藥物研究領域的應用發(fā)展奠定了基礎。目前，CNTs的功能化修飾主要分為兩種類型：共價修飾和非共價修飾。

• 共價修飾主要是利用CNTs表面的特性，通過氧化、環(huán)加成、酰胺化等反應，在其表面形成化學鍵，以連接功能化修飾基團。

• 非共價鍵主要通過分子間的π-π堆積和范德華力等方式來增強碳納米管（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的結構特點，許多研究者將其視為理想的基因和藥物輸送系統(tǒng)進行開發(fā)。此外，若在CNTs表面負載或在其空心管內填充磁性元素和化合物，就能形成磁性碳納米管復合材料，這在磁共振成像等領域展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。

此外，通過共價結合的方式對碳納米管（CNTs）進行功能化修飾，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形成共價鍵，但可以通過強烈的非共價鍵附著在CNTs上。CNTs的非共價功能化修飾已在基因和藥物遞送領域得到了應用，許多成功的碳納米管基因藥物均是通過非共價相互作用開發(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)。