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氧化石墨烯在人体酶作用下会发生生物降解作用
发布:song123   时间:2015/6/24 11:13:00   阅读:3926 
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材料与测试:氧化石墨烯在人体酶作用下会发生生物降解作用
氧化石墨烯悬浮液在人体酶的作用下发生降解作用的前后对比
左为降解前,右为酶降解后

欧洲石墨烯旗舰研究计划项目的研究人员最近解释了悬浮于水中的氧化石墨烯悬浮液是如何在一种人体酶的催化作用下发生了生物降解作用,而且这种降解作用的程度与悬浮液的胶体稳定性有很大关系。该项研究对石墨烯基材料在未来应用于生物医学方面有着巨大的指导意义。
 
和所有有望实现工业化的新材料一样,石墨烯基材料可能会引起的健康和安全问题已经引起了大量专家和公众的极大兴趣。石墨烯基材料的发展和商业化应用还处于初期阶段,而它所带来的环境问题,健康和安全风险还处于研究当中,其中研究者主要是与欧洲石墨烯旗舰计划相关的研究人员。这个旗舰项目是一个具有学术和工业合作伙伴关系的大型国际财团,由欧盟委员会提供部分基金支持。其目的主要是通过长期的,多学科的研究关注并解决欧洲需要解决的大型科技挑战。
 
包括石墨烯材料在内的二维材料带来的潜在健康和安全影响是一个目前值得深入研究的焦点。当谈到将石墨烯基材料商业化应用时,其在环境中的持久性和长期积累就成了关键问题,因此,在使用完毕后,如何安全的处理石墨烯基材料及其它工程材料已经成了一个十分有趣的问题。具体就石墨烯而言,这种二维的氧化形式的碳的同素异形体在药物释放,仿生学,组织工程,生物传感等一些相关领域具有巨大的应用潜力,而这一切都归因于其在水中的高度分散性及生物相容性。
 
氧化石墨烯材料在生物医学技术方面具有高效作用,但它的毒理学效应同样必须要得到系统性的研究及评定。许多相关的实验研究曾报道氧化石墨烯材料在某种情况下会损伤活体细胞并且削弱人体免疫反应。但是综合起来考虑会发现,这些实验的进行日期是不确定的,甚至在某些情况下是自相矛盾的。
 
石墨烯及其许多的化合物都是生物相容性的,但是很少有关于其降解性的研究报道。基于这个原因,由法国国家研究委员会的一位专家,同时是该旗舰项目的研究者之一的AlbertoBianco带领的研究小组详细研究了氧化石墨烯材料在生物酶的作用下发生的降解作用。其研究成果发表在《Small》期刊上,该项目的研究人员表示,从人体白细胞内提取的髓过氧化物酶,再加入少量低浓度的过氧化氢,就能够将高度分散的氧化石墨烯样本完全代谢降解掉。
 
这篇发表在《Small》期刊上的文章的第一作者是一位来自Bianco研究小组的博士后研究生RajendraKurapati。Kurapati及其同事主要将研究重点放在髓过氧化物酶降解三种不同氧化石墨烯样品的降解能力,这三种样品主要是根据在水中的分散度不同而进行的分类。值得注意的是,我们这里说的是分散性而不是材料的浓度。研究发现,在髓过氧化物酶的作用下,越高度聚集的氧化石墨烯悬浮液越难以降解,更稳定的胶体在酶的作用下能够完全分解掉。就化学方面而言,氧化石墨烯的分散性取决于石墨烯材料表面的含氧基团,反过来,这又会影响到材料的生物降解性。
 
在详细介绍了他们的实验结果后,研究人员们开始讨论氧化石墨烯的降解机理,讨论首先大致概括了髓过氧化物酶针对细菌和其它会导致生物组织发炎的侵入性材料的感染过程。在炎症过程中,嗜中性球,一种白细胞的亚型,会聚集在感染区域并分泌髓过氧化物酶,这种酶会催化氯离子和过氧化氢之间的化学反应而产生强氧化剂,例如次氯酸。这些氧化剂具有抗菌特性,并且能够降解掉聚酯型的移植物,胞外糖和氧化碳纳米管等。该研究的作者认为由髓过氧化物酶催化的化学反应过程中产生的这些氧化剂的高氧化还原电位将会以同样的方式将以悬浮液形式存在的氧化石墨烯材料降解掉。材料最可能开始分解的地方主要集中在石墨烯晶格中碳原子与氧原子结合的地方。此外,表面电荷对这个过程也有影响,就如氧化碳纳米管这个例子。因为表明电荷会使得氧化石墨烯和生物酶之间能够结合的更强,并且随后开始引发降解反应。
 
“我们的实验研究证明了氧化石墨烯在髓过氧化物酶的作用下完全的降解了,同时实验的结果也表明了如果人类或者其他生物意外吸入氧化石墨烯,对于其可能会引起的健康风险也是可以控制的”。Bianco说道:“另一方面,在生物医用领域,若将石墨烯基材料作为临床生物医用材料使用同样也将考虑到其生物降解性能。我们的研究提供了一种安全处理石墨烯基材料且对环境无害的新方法。同样,这对石墨烯基材料的进一步发展,将其作为生物活性分子或者医学药物的释放载体也有着巨大的指导意义。”
 
氧化石墨烯的具体降解机理是一个仍需要进一步研究探索的课题,但是最新的研究结果也是显而易见的,氧化石墨烯在过氧化氢存在的前提下,在髓过氧化物酶的催化作用下发生了降解作用。并且,降解的程度取决于悬浮液的胶体稳定程度,这一点也说明了氧化石墨烯的亲水特性是它能够被髓过氧化物酶降解掉的一个主要因素。因此,当将工程氧化石墨烯材料应用于生物医学方面时应当考虑到胶体的稳定性这一影响因素。
 
 
译自:phys.org
来源:材料与测试
译者:vince

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