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氧化石墨烯的结构与毒性

石墨烯的结构   
 石墨烯是一种新兴纳米材料,由碳原子整齐排列成二维、六边形、平面层状结构。其厚度一般为单原子或多层叠加。石墨烯具有表面积超大、导电性好、强度高、化学稳定等特点,主要应用于半导体、超级电容、生物传感器等方面。相比较,氧化石墨烯是由氧化反应合成出来的,其表面含有羟基、羧基、环氧基、羰基等含氧功能团。由于存在羟基和羧基等亲水基团,氧化石墨烯更能溶于水,常用于生物试剂。氧化石墨烯经还原反应可去除大部分含氧基团,生成还原石墨烯。

氧化石墨烯的毒性
氧化石墨烯在体内的分布    2016年南方医科大学的团队曾发表一篇文献综述,总结石墨烯类纳米材料进入体内的分布状况。小鼠静脉注射10毫克/公斤体重后,氧化石墨烯随血液传遍全身,并聚集在肺脏、肝脏、脾脏、骨髓等处,造成发炎、肺水肿、肝脏损伤。经气管注入的石墨烯会聚集在肺部,四周后仍有47%残留。  石墨烯进入体内的分布与其大小有关。平均直径340纳米左右的石墨烯可以缓慢增加血脑屏障的通透性,而直径小于100纳米的石墨烯则可以穿透血脑屏障。较小的氧化石墨烯片(直径小于10-30纳米)主要集中在肝脏和脾脏,而较大的氧化石墨烯片(10-800纳米)主要集中在肺部。较大的石墨烯片会在体内积累,无法从肾脏排除。直径小于100纳米的纳米粒子可以进入细胞,而直径小于40纳米的粒子可以进入细胞核。    经气管注入的石墨烯类纳米材料在90天后仍存在与肺部。大量氧化石墨烯会形成聚集体,堵塞肺部血管,还能刺激释放细胞因子,造成发炎和肺部纤维化。静脉注射高剂量(1毫克/公斤体重)氧化石墨烯甚至能激活血小板,造成血栓。
影响生殖能力
怀孕母鼠注射石墨烯会造成流产,不论任何剂量。高剂量石墨烯能杀死妊娠后期的母鼠。同时,石墨烯会妨碍胚胎发育,比如减少鸡胚心血管的生成。此外,石墨烯还会抑制鸡胚核酸的合成,破坏大脑发育。

对动物体的毒性    上海交通大学的团队曾在2011年发表论文揭示氧化石墨烯对动物的毒性。随机分组的小鼠被静脉注射氧化石墨烯,浓度为0 毫克(对照组)、0.1毫克(低剂量)、0.25毫克(中计量)、0.4毫克(高剂量)。被注射高剂量(0.4毫克)氧化石墨烯后,4/9小鼠在七天内死亡,且死前出现疲乏、活动降低、体重减轻。即使存活的小鼠亦出现乏力、体重减轻。    不同剂量组的小鼠在七天后被解剖,肺部组织切片在光学显微镜下显示肺部发炎,程度随剂量增长。大量白细胞聚集在肺组织中,肺组织出现肉芽肿,肺泡隔膜变厚,有些肺泡破裂。即使在低剂量下(0.1毫克),肺组织损伤也随时间增加。注射7天后肺部开始出现初期损伤。注射后30天的小鼠肺部切片显示更多肉芽肿(一种由巨噬细胞浸润造成的局部发炎)。    对小鼠肺部和肝脏组织切片的电子显微镜影像显示,一个月后氧化石墨烯仍然存在肺部,有些存在毛细血管,有些存在细胞的细胞质中。肝脏巨噬细胞中也含有氧化石墨烯。而且因为其片状结构以及不可生物降解,氧化石墨烯很难从肾脏排出。

对细胞的毒性
    上海交大的这个团队同时还测试了氧化石墨烯对细胞的影响。氧化石墨烯被加入体外培养的人成纤维细胞中,最终浓度达到5,10,20,50,100微克/毫升。发现浓度大于等于20微克/毫升时,则对细胞产生毒性,细胞成活率降低、细胞漂浮、细胞凋亡。电子显微镜影像显示细胞中存在大量黑点,表明氧化石墨烯进入细胞质,聚集在线粒体等细胞器附近,少量氧化石墨烯进入细胞核。进入细胞的氧化石墨烯数量随时间增加。    光学显微镜影像显示,在浓度为20微克/毫升下培养72小时后,细胞形态出现异常,比如细胞边缘不明显、细胞凋亡等。

影响遗传物质    一个埃及的科学团队曾在2017年发文解释氧化石墨烯对遗传物质的伤害。每周在小白鼠腹膜内注射0(对照组),10,50,100,250,500微克/公斤体重的氧化石墨烯。小鼠在7,28,56天后被安乐死并解剖。在光学显微镜下,小鼠骨髓细胞中染色体出现异常,且随时间和剂量增加。在细胞分裂时,DNA紧紧缠绕形成染色体,只在分裂细胞中可见。染色体异常(比如断裂)表示遗传物质受损。    另外,该团队还对小鼠肺部细胞中的DNA进行电泳测试,发现细胞DNA存在断裂,这也证明遗传物质受损。DNA损伤随时间和剂量增加。    此外,氧化石墨烯进入细胞后会诱导形成活性氧簇(ROS),导致细胞内氧化压力剧增。活性氧簇也可以损伤DNA,造成变异。这就是为什么氧化石墨烯可致变异、致癌。

毒性机理
    氧化石墨烯以多种机理造成毒性。大致可分为:1)物理伤害;2)氧化压力;3)DNA损伤;4)炎症反应;5)线粒体损伤;6)刺激细胞死亡。

物理伤害    氧化石墨烯可以吸附于细胞膜或蛋白质表面,影响其正常工作。氧化石墨烯会吸附于红细胞表面,破坏其细胞膜,造成溶血效应。同时,氧化石墨烯的薄片结构可以嵌入并像刀片一样划伤细胞膜。

氧化压力    氧化石墨烯可诱导形成活性氧簇(ROS),耗尽细胞内天然的抗氧化剂。氧化压力会造成细胞内广泛损伤,比如细胞膜损伤、DNA断裂、蛋白质改变性质、如线粒体等细胞器损伤。过度氧化压力会导致细胞死亡。

DNA损伤    除了氧化压力,氧化石墨烯还可以吸附于DNA表面或嵌入DNA碱基对中,导致DNA断裂或变异,还能导致染色体断裂。即使大片的氧化石墨烯不能进入细胞核,在细胞分裂时细胞核膜消失,其仍然可以损伤暴露的DNA。如果发生在生殖细胞,DNA损伤可导致不育或子代健康问题。

炎症反应    氧化压力就可以刺激炎症反应。氧化石墨烯还能诱发发炎细胞因子的·释放,过度刺激免疫系统,导致肺水肿。另外,石墨烯可以与某些细胞表面受体蛋白结合,激活一些信号传递路径,最终导致发炎。

线粒体损伤    线粒体是细胞内进行新陈代谢并生成能量物质(ATP)的细胞器。氧化压力会损伤线粒体,细胞无法正常产生能量。

细胞死亡氧化压力、线粒体损伤、炎症、以及启动某些受体蛋白会导致细胞凋亡、自噬、坏死。

    上海交大和同济大学的另一个团队于2020年发表论文,发现细胞自噬抑制剂(如氯喹)可以缓解氧化石墨烯造成的损伤。被静脉注射氧化石墨烯的小鼠在使用氯喹后,肺部损伤、水肿、氧化压力、炎症、以及发炎细胞因子含量均有明显缓解,但不能彻底恢复。(细胞自噬是一种细胞通过溶酶体分解蛋白质、消化受损细胞器的过程。过度启动细胞自噬会造成细胞损伤、死亡。故细胞自噬抑制剂可以缓解组织损伤。
这是一个关于氧化石墨烯的相关研究汇总,仅供参考,内容引自微信公众号卡卡西农场,更多内容请关注公众号。

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