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CNTs在生物醫學領域的應用 

CNTs的完美石墨結構賦予了其多種優異特性，使其成為一種極具潛力的生物醫學應用材料。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的研究數量眾多，主要集中在抗腫瘤藥物的開發上。這些遞藥系統通常遵循兩種策略：首先是選擇性靶向，通過特定的配體進行功能化，以實現靶向藥物遞送；其次是針對腫瘤微環境的可控釋放。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聯合放射治療能夠顯著縮小腫瘤體積，并且其復發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。

生物醫學影像學

生物醫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境響應的優化，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，還能夠開發出多種有效的多功能體系作為生物醫學成像劑。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展的一個重要挑戰。為了使碳納米管（CNTs）能夠更廣泛地應用于生物醫藥領域，并最終實現臨床應用，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、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出一定的毒性，這限制了其在生物醫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。這些元素在細胞環境中能夠產生活性氧（ROS），而ROS會引發炎癥反應，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。

聚集狀態對碳納米管毒性的影響

當碳納米管處于聚集狀態時，會使納米管的聚合體變得更大、更堅固，從而引發更高的相對毒性。研究表明，即使是在相同濃度下，不同聚集態的單壁碳納米管（SWCNTs）對細胞的毒性表現也各有不同，而其毒性會隨著SWCNTs聚集程度的增加而加重。體內研究還發現，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，這可能導致系統無法及時清除這些物質，從而引發一系列炎癥反應。對于未經過功能化處理的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）在穩定性和生物相容性方面的表現。考慮到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進行開發。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出良好的發展前景。

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而成。目前，研究者們已經開發出以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。