石墨烯衍生物的生物体安全问题需要深度的探索？|烯碳

原创李婷、张志超等烯烃碳资料

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目前，石墨烯材料在生物医学和器件中的应用已经在这些领域带来了长足的进步。然而，随着它们的广泛使用，出现了生物安全问题。近年来的研究表明，石墨烯衍生物可以进入生物体并对其产生不利影响，尤其是细胞毒性和遗传毒性。因此，石墨烯衍生物的生物安全性需要深入探索。

一、背景

目前，石墨烯衍生物已经实现量产，石墨烯材料在生物医药和器件中的应用，带来了这些领域的巨大进步，甚至是生物医药领域的一场革命。然而，随着它们的广泛使用，出现了生物安全问题。

石墨烯衍生材料主要有：单层石墨烯、多层石墨烯（2-10层）、氧化石墨烯等。氧化石墨烯具有含氧官能团，易溶于水，易溶于多种溶剂，所以广泛应用于生物医学。此外，石墨烯的表面修饰可以形成化学基团，如引入羟基、羧基、环氧基和羰基等含氧基团，对抗体、药物和DNA进行化学干预，提高其功能，扩大其应用。在生物学。医疗应用。

然而，在 2010 年，伊朗科学家发现将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌暴露于石墨烯会导致细菌死亡。因为石墨烯可以提取细胞膜的重要成分磷脂，导致细胞解体。石墨烯在达到抑菌作用的同时，也会对人体细胞造成伤害。因此，更全面地研究石墨烯及其衍生物对生物体的毒性作用非常重要。

二、石墨烯和氧化石墨烯的毒性机理

尽管之前有许多关于石墨烯和 GO 毒性机制的研究，但尚未得出足够的结论来建立风险评估或法规。石墨烯的毒性取决于石墨烯的表面能（化学结构或功能化涂层性质）、大小、细胞类型、剂量、暴露时间等。

许多报道表明，氧化应激是碳纳米材料毒性作用的机制之一。由过量活性氧（ROS）引起的氧化应激是引起石墨烯病理变化的主要机制。抗氧化酶（超氧化物歧化酶或谷胱甘肽过氧化物酶）减少或消除活性氧。如果ROS在体内超过了清除能力，就会发生氧化应激，导致细胞大分子蛋白质、DNA和脂质的损伤。

并且由于石墨烯具有锋利的边缘，当它直接接触细胞膜时，会产生薄膜应力，使细胞膜脱落，对它有毒性作用。此外，由于石墨烯的疏水性，蛋白质的强制分离会破坏细胞代谢，最终导致细胞死亡。

石墨烯衍生物由于其光催化和吸附性能已被用于处理污染的水和废气。但石墨烯衍生物应用中产生的废弃物进入空气、土壤、水体，通过吸入、饮食、渗透等途径进入生物体石墨烯主要成分，会对生物体产生物理化学和生物效应，引起生物体毒性。

石墨烯及其衍生物对人体的毒性

石墨烯衍生物进入人体有四种不同的途径：吸入、摄入、穿透皮肤、注射或植入机体。如图所示，人体对石墨烯衍生物的防御系统主要包括黏液、磷脂双分子层、皮肤、血脑屏障等生物屏障。石墨烯和氧化石墨烯通过这些生物屏障会引起机体反应，如肺毒性、血液病、细胞毒性等敏感反应。

肺毒性

Schinwald 发现，对于石墨烯这种片状材料，其气动直径远小于其横向直径，而投影面积直径为 30 μm 的石墨烯片材的气动直径仅为 3.26 μm。空气动力学 直径小于 10 微米的颗粒物是可吸入的。大尺寸的石墨烯片很容易变成可吸入颗粒，进入肺部并沉积在肺泡中，对肺部产生毒性作用。由于在氧化过程中引入了官能团，GO可以与血浆中的蛋白质相互作用形成GO-蛋白质复合颗粒。大尺寸和高剂量可促使 GO 形成较大的复合物石墨烯主要成分，这些复合物被肺部困住，导致严重的肺部疾病。纤维化和囊肿。

遗传毒性

基因毒性研究非常重要，因为它与 DNA 损伤、基因突变和癌症有关

疾病之间存在密切的相关性。乔比较了不同纳米材料（<50nm）和氧化石墨烯（2μm）对人体成纤维细胞的DNA毒性，观察到不同的材料会造成不同的DNA损伤，其中GO的毒性作用最大。此外，他们还对不同材料的毒性作用进行了浓度测试。石墨烯诱导毒性的最低测试浓度为1 μg·mL-1，而纳米颗粒SiO２、氧化锌、二氧化钛、锡和碳纳米管材料DNA损伤只能在高浓度（100 μg·mL-< @１）)。因此，石墨烯是造成DNA损伤最严重的材料。

细胞毒性

石墨烯衍生物显示出良好的生物相容性，人体细胞可以在其上附着和增殖，尤其是视网膜色素上皮细胞。

石墨烯及其衍生物对动物的毒性

石墨烯家族材料（GFNs）由于其表面积大、吸附活性高等优点在环境中得到广泛应用，这将导致GFNs对动物（如哺乳动物、浮游动物、原生动物等）产生不利影响。图4描述了GFNs通过直接穿透和内吞作用进入细胞，并通过提取和切割对生物体细胞膜造成损伤。覆盖细胞外表面的 GFN 可通过阻断离子/气体交换而产生毒性。GFN 的内化可导致氧化应激、线粒体功能障碍和 DNA 损伤。

石墨烯及其衍生物对植物的毒性

选择植物的不育种子并在25°C的黑暗中浸泡在不同浓度的石墨烯溶液（0、500、1000和2000 mg·L-<@１））中过夜。然后将浸泡过的种子取出并放在湿滤纸上，在含有3mL石墨烯的溶液和不含石墨烯的溶液中在25℃的温度下孵育直至发芽。发芽后，对发芽的种子数进行计数和分析。结果表明，石墨烯衍生物显着抑制植物生长。石墨烯诱导活性氧浓度增加，导致卷心菜、番茄和菠菜中的细胞死亡和坏死病变，而生菜没有表现出毒性作用。

三、总结

由于其优异的物理性能，石墨烯及其衍生物已广泛应用于材料科学、能源、生物医学等领域。随着石墨烯衍生物生产工艺的改进和生产成本的降低，使用领域将进一步扩大，在废料的生产、使用和处置过程中产生的含石墨烯衍生物的废物将迅速增加。随着它们在空气、水和土壤中的积累，石墨烯衍生物对生物体的影响已成为环境科学的研究热点之一。大量研究表明，石墨烯衍生物具有生物毒性，其对环境的影响必须引起足够的重视。