谈一谈石墨烯基材料的安全性问题

石墨烯及其衍生物被誉为“奇迹”材料，在电子、储能、医药等社会各个领域有着广泛的应用。谈石墨烯的安全性，有些读者可能感觉到奇怪，但如果有一天石墨烯真的被大规模应用，它将无处不在。随着各类石墨烯基材料(GBMs）被不断开发，其对人类健康和环境的潜在影响一直缺乏合理的综合评价。有鉴于此，瑞典环境医学研究所BengtFadeel，曼彻斯特大学CyrillBussy，的里雅斯特大学MaurizioPra教授和法国斯特拉斯堡大学AlbertoBianco等26位海外学者联名在国际顶级期刊《ACSNano》上发表综述文章。在本文中，作者讨论了GBMs材料的合成和表征，并且使用体外和体内模型系统评估GBMs对人类和环境的危害，解开了GBMs材料的结构-活性关系。

石墨烯是首个被发现的二维原子晶体，具有许多超凡的性能，如机械刚度、强度和弹性，以及高电导率和热导率，其衍生物目前也拥有多种不同的应用。安全与可持续发展石墨烯技术和产品需要密切关注材料对人类健康和环境的潜在影响，事实上，安全评估是材料走向应用的一个重要组成部分。

材料表征是危害评估的关键要素，碳纳米管的毒理学评估就是一个很好的例子——碳纳米管在某种程度上作为病原纤维，对人类具有潜在致癌性。当然，如果适当纯化并加以表面修饰，碳纳米管在纳米医学，例如药物或基因传递和/或成像方面具有广阔的前景。从以往的经验教训来看，如果我们承认新材料具有有用的特性，我们就必须承认，这种新材料可能带来新的或未预料到的风险。这并不是说新材料的生物或毒理效应必然是“新奇的”，但我们需要了解这些材料的特性以及它们如何与生物效应相互作用，以便使它们既实用又安全。

【GBMs的合成与表征】

石墨烯研究中的一个重要问题是，“石墨烯”作为术语可以描述许多不同的GBM。为了补救这种情况，Graphene旗舰公司提出了一个GBM的分类方案，考虑三个关键参数：石墨烯层数、平均横向尺寸和碳氧原子比(C:O)。使用这种分类可促进不同实验室在研究之中的比较。

GBMs的合成

虽然文献中有许多关于不同石墨烯合成方法的报道，但是当材料用于生物应用包括毒理学评价时，需要满足某些特定要求。一般来说，对于体外研究，材料必须在水溶液中稳定分散，并且杂质的量应仔细控制，因为生产通常不在无菌条件下或使用无菌溶剂进行，所以除了合成过程中产生的化学污染物外，还需要考虑生物污染物，即微生物或部分微生物(内毒素)的影响。常见获得GBM用于生物应用的方法有：

1.超声剥离法；为了成功地在水中剥离，通常使用层间的小分子或溶剂的辅助插层。比如Liuetal.采用过硫酸铵或过氧化氢插层法，在微波辐照下使石墨剥落，制备出高质量的多层石墨烯。

2.氧化石墨烯(GO)；大多数合成GO的方法是基于石墨氧化，也就是著名的Hummers法，其中包括使用氧化试剂和酸。这种方法会产生不同程度的氧化和杂质，必须引入额外的纯化步骤以提高材料的纯度。

3.还原氧化石墨烯(rGO)；获得rGO的代表方法包括GO的化学、热和电/光化学还原。化学还原法优于非化学还原法，因为提高了质量、效率和可以获得稳定的rGO分散液。最有效的化学还原剂是肼，然而，这种试剂不是很受欢迎，因为它对人类和环境具有毒性。

尽管上面讨论的大多数合成方法都获得了高质量的石墨烯，但是这些方法无法定标，限制了它们的工业应用。因此，以简单和低成本的方式获得大量的生物相容性石墨烯仍然是一个相当大的挑战。

GBMs的表征

为了进行适当的危险评估，需要使用标准化的技术对材料进行良好表征。对于化学表征，最常用的技术是XPS、FT-IR、Raman、XRD、TGA和元素分析，TEM、SEM和AFM提供了材料的形态和尺寸的信息，阿米巴裂解液(LAL)检测通常用于检测纳米材料和生物材料中的内毒素含量。值得注意的是，即使使用普适性方法制备出石墨烯材料(例如，GO)，最终产品通常也不是均匀的，而是具有不同性质的组分广泛分布。通常，GBMs的毒性（或安全性）取决于物理化学性质，如大小、层数和表面化学性质，此外，杂质的存在和所使用的石墨烯合成方法也可能影响毒理学反应。

材料属性的作用：参考数据库

为了剖析（纳米）材料特性在生物学影响方面的作用，应该考虑访问适当的参考数据库。2009年，Nel提议建立一个标准的纳米材料数据库，包括纳米材料和纳米颗粒的主要类别，他的原话是“itisimportanttolinkthelibrarydevelopmenttoananomaterialclassificationthatallowstoxicologicalmechanismstobeinterpretedintermsofintrinsicmaterialproperties”。从那时起，出现了一些数据库，Zhouetal.开发了80个功能化碳纳米管的组合数据库，以揭示与细胞毒性和免疫应答有关的结构-活性关系。石墨烯与碳纳米管和富勒烯一起被包含在纳米碳的家族中。然而，我们认为，由于石墨烯的化学结构与纳米管和富勒烯的化学结构显著不同，因此化学成分不是人们应该考虑的唯一参数。

【石墨基材料的生物分布】

GBMs在暴露有机体中的命运受其内在物理化学特征(如横向尺寸、厚度和C:O比/官能化)以及它们与生物环境接触时的外在或后天获得的特征的支配，此外，进入身体的入口也是物质随后命运的主要决定因素。GBMs的内在特征可影响其生物分布、向次生器官的转移、积累、降解和清除，然而，这些特性可能由于生物环境中存在的蛋白质和其他生物分子的吸附而改变。值得注意的是，随着GBM从一个生物隔室移动到另一个生物隔室（例如，从肺部移动到血流），这些获得的特征可能随时间动态变化，并随着局部环境的变化而演变。然而，由于免疫细胞或其他形式的生物转化的降解，固有材料特性也会发生变化。

石墨烯基材料的多种染毒途径

为了探讨口服给药的影响，Zhangetal.采用125I标记的小和大（两种纳米级）rGO片在口腔灌胃后60天内的生物分布，这两种物质都存在于血液、心脏、肺、肝脏和肾脏中，肾脏中的含量在第一天显著高于对照组，随后迅速减少，但在第15天和第60天仍高于对照组，这些结果表明，两种物质在胃肠道内迅速被吸收，并通过体循环到达次级器官。Lietal.采用125I标记的纳米GO（横向尺寸：10-800nm，1-2层）测定气管内灌注后的生物分布，绝大多数的GO在肺中发现，在血液、肝脏和肾脏中也检测到少量。这些结果归因于直接从肺或通过肠道吸附向血液的转移，因为大量物质也可在胃和肠中检测到，可能是由于粘液毛清除、吞咽和再分布到胃肠道。

纳米安全与药物的桥接：静脉给药

纳米材料在生物医学应用中最常见的给药途径之一是静脉(IV)途径，纳米医学中大量的研究和开发工作已经证实，形状、尺寸和表面电荷是决定纳米材料在静脉注射后的生物分布和命运的最重要的物理化学参数。

总的来说，证据表明GBM能够跨越生理屏障，到达远离进入点的次级器官，然而，由于缺乏已发表的数据和缺乏系统的调查，就GBM的物理化学特征和生物分布模式之间的关系得出确定的结论还为时过早。