石墨烯纳米复合材料的物理化学性质影响抗癌的效果

文摘

石墨烯纳米复合材料是一种无机纳米复合材料,已广泛应用于肿瘤的治疗目前由于其药物装载能力,可修改性,光照效果,光动力效应。然而,石墨烯纳米复合材料的应用现在是有限的由于上面提到的功能没有实现。这主要是因为人们没有一个系统的理解去nanomolecules的物理和化学性质,所以,我们不能充分利用nanomolecules做出最合适的材料的使用药物。在这里,我们首先讨论石墨烯纳米复合材料的物理化学性质的影响相关的各种功能的抗肿瘤作用。石墨烯纳米复合材料的一些重要的物理化学性质之间的关系,如直径、形状、表面化学和它们的功能有关抗肿瘤效应是通过分析,为应用程序提供证据的相关材料。

1。介绍

作为一种致命的疾病,癌症一直给人们的健康造成巨大的威胁(1,2]。在过去的几十年,癌症的治疗经历了巨大的变化。目前,治疗癌症的形成了一个全面的处理系统结合手术、化疗、放疗、和生物靶向治疗。然而,上述治疗方法有局限性。肿瘤患者的5年生存率仍然很低。临床经验表明,除了一些靶向药物,大多数现有的治疗不能改善癌症患者的治愈率(3]。以化疗为例,大多数目前的化疗药物特异性的细胞杀手,这可能会导致肿瘤细胞对化疗药物的耐药性和正常组织细胞损伤(4- - - - - -6]。放射治疗也会引起正常组织细胞的损伤(7]。因此,人们正在寻找更多的癌症治疗方案来改进现有的癌症治疗系统。近年来,纳米材料在抗肿瘤的研究变得越来越受欢迎。石墨烯纳米复合材料在纳米材料代表的独特的物理化学性质(8]。到目前为止,石墨烯材料合成的各种形式,如graphane(氢化石墨烯),fluorographene(氟化的石墨烯),graphdiyne,多孔石墨烯,石墨烯nanoribbon (GNR),氧化石墨烯(去),并降低石墨烯氧化物(rGO) [9]。其中,去rGO最常用的生物医学应用程序如抗癌药物载体、显像剂交付和开展肿瘤。是一种高度氧化的石墨烯,经常被修改的悍马合成的方法10]。rGO准备通过添加适当的减少代理去(11]。因此,去和rGO基本碳石墨烯平面结构和众多π- - - - - -π债券,而水溶性增加是由于亲水性基团的存在。目前,石墨烯材料中经常使用的形式,石墨烯纳米复合材料在生物医学和临床实践。石墨烯纳米复合材料的基本结构有一些共同纳米材料的特殊效果,如小尺寸效应,使材料不仅要有一个良好的光照效果将红外光的能量转换成热能有效由于上面提到的特殊效果和存在大量的芳环结构(12- - - - - -16),但也有效负载芳香通过疏水作用和疏水性药物π- - - - - -π叠加(17,18]。石墨烯材料也有抗菌特性(19),光动力效应(20.),等等。目前,它已经指出,上述纳米材料的特点是密切相关的纳米材料的物理和化学性质(19,21]。我们审查的目的是做一个全面的总结石墨烯纳米复合材料的物理和化学性质之间的关系及其在肿瘤治疗相关的特点,提供的证据在未来石墨烯纳米复合材料的应用。文章的整体概念图所示1。

2。物理化学性质的影响石墨烯纳米复合材料的抗肿瘤活性

2.1。材料物理性质的分子

石墨烯纳米复合材料有各种各样的特殊属性,如光照效果,光动力效应,和药物负载效应。这些属性能否成功应用于实践消除肿瘤细胞与材料的物理性质密切相关的分子。目前,我们更加注重材料的物理性质的分子。在以下部分中,一些基本的和重要的物理特性的氧化石墨烯纳米复合材料目前在使用和研究,如形状、大小、表面可能将详细介绍,这些物理性质的影响抗肿瘤将讨论纳米材料的使用。

2.1.1。去纳米粒子的形状

纳米分子的形状并不是一个可以测量的参数,但其影响纳米材料分子是不言而喻的。欧盟的新准则在纳米材料,形状是一个关键的参数的定义“nanoform”[22]。美国环境保护署也在考虑形状作为登记条件和识别nanoforms特殊化学物质的23]。所有上述说明nanomolecules形状作为参数的重要性,和石墨烯纳米复合材料也不例外。石墨烯纳米复合材料的分子结构是层状(24),被作者认为是一种优势的形态学参数。从基本物理不难得出结论,与球形结构的富勒烯和碳纳米管的管状结构材料,石墨烯的薄片结构可以提供一个更大的比表面积,使表面的分子之间的相互作用及其环境强(25]。研究表明,NPs和生物单元之间的交互强烈依赖的形状NPs (26,27]。例如,绑定NPs受体的配体分子高度依赖的形状NPs (28]。纳米尺寸的形状也可以影响细胞吸收。目前,缺乏具体的研究之间的关系的具体形态氧化石墨烯纳米复合材料分子和他们的吞噬作用,这可能是一个复杂的问题,因为纳米颗粒的形状和细胞吸收之间的关系是复杂和多样的。例如,实验结果表明,金纳米材料涂层与转铁蛋白的内吞作用比球形的纳米材料(两种尺寸:74 nm和14海里)(27,29日]。相反,它也被报道说在人类黑色素瘤细胞(A375),而较短的二氧化硅纳米棒(纵横比2)和球形二氧化硅纳米颗粒(纵横比1),细长的二氧化硅纳米棒与长宽比4已经内化率较高30.]。纳米粒子的形状的影响在他们的行动是如图2。在现有研究纳米复合材料,研究人员更加关注纳米材料的厚度和大小分子,很少讨论形状长宽比等参数。但是,上面的示例展示了特定形状的物质分子的重要性的生物效应,所以它是非常必要的获得适当的形状参数使用纳米材料的分子。在未来,它可能是一个重要的研究方向探索适当的形状通过具体实验参数。

2.1.2。物质分子的大小

去的分子大小纳米复合材料是最重要的物理性质之一。许多纳米材料的独特性质是由其分子大小决定的。因为nanomolecule的大小或直径在纳米,nanomolecule具有高表面面积比和量子尺寸效应,所以nanomolecule的属性与其他材料相比有显著性差异(31日]。许多纳米材料的内在物理特性受到分子大小的影响,如超顺磁性、电浆性质,和荧光性质32- - - - - -34]。根据定义,与20到100纳米的横向尺寸范围被称为nano-GO [4]。在当前的一些实验中,研究人员使用的直径nano-GO是50 - 100 nm (35]。然而,我们还发现,在一些实验中研究人员使用材料与分子直径超过100海里(36,37]。nanomolecule的光照效果与分子的大小。从我们现有的实验数据的分析,我们可以大致推断的光热光谱分析影响材料与分子直径的增加变得更糟。其原因可能是与材料的分子直径的增加,比表面积降低,和实际材料的光接收区域减少,从而导致材料的光热光谱分析效果的恶化。根据Roper的报告,光热光谱分析转换效率的计算公式可以支持上述结论38,39]。 然而,特定的关系还需要进一步的实验探索。在一项研究中,Medintz和他的同事证实,较小的金纳米粒子(大约10海里)更有可能进入细胞(40]。它也指出,制服和适当的纳米材料小于100纳米(特别是50 - 80 nm)更适合药(41]。然而,nanomolecules不应过小直径,因为他们可以携带的药物是非常小的,不积极治疗。因此,分子大小的纳米复合材料中扮演一个重要的角色在他们的功能实现。调整nanomolecules的直径可以充分发挥抗肿瘤效应。这里的重点是,反复氧化可以减少nanomolecules的大小(42),我们的未来实验有一定的指导意义。

纳米分子的直径也会影响其光动力效应。光动力效应在抗肿瘤治疗中的应用是一种新的思维方式不同光照疗法(43]。光动力治疗是一种敏化产生的光化学反应在特定光激发然后可以生产高活性单线态氧,这刺激下游信号通路和细胞的生物学行为变化。到目前为止,传统PSs甲基蓝、玫瑰红等已经广泛应用PDT [44,45]。然而,当前的敏化光动力效率是有限的氧气的依赖,光穿透深度组织等等(46,47],它迫使我们开发新型光动力材料。在这种情况下,纳米材料越来越多的应用在光动力治疗48]。光动力治疗可以更好地通过nanomolecules,主要因为他们的可控形状,大小,和许多独特的功能49- - - - - -53]。正如上面提到的,纳米材料具有大的比表面积地区由于其适当的形状和大小。研究表明,nanomolecules和大的比表面积可以携带更多的光敏分子在肿瘤组织中(54]。

此外,纳米材料的分子大小不仅在功能实现纳米材料中起着重要的作用,但也会影响纳米材料的毒性和人体的免疫反应纳米颗粒。研究表明,nanomolecules与他们的毒性分子大小(55]。Schinwald等人报道,大直径分子可以引起炎症在人类56]。Kiew等人的研究表明,控制分子大小约150海里可以防止巨噬细胞识别(57]。因此,它是必要的,以确定大小的分子研究,最常见的方法是电子显微镜。的重要性,适当的纳米尺寸如图3。

应该指出,仍有一些问题在决定去纳米颗粒的形状和大小。例如,立即蛋白质附着于纳米材料接触到他们后,创建所谓的蛋白质在纳米材料(电晕58,59]。nanoprotein或之间的相互作用的形成蛋白质电晕血清或其他解决方案将有重大影响的形状,大小,和许多其他特性的纳米材料60- - - - - -63年]。不仅是nanomolecules易于结合蛋白质,还有其他生物大分子如DNA,产生一系列的形状和大小的变化,让很多生物功能64年]。Nanomolecules还可以吸收小分子,如葡萄糖和氨基酸,这可能是一些化学反应的底物或一些反应的“关键”。当这些小分子结合,nanomolecules可以形成一个“桥梁”形状,促进某些化学反应(65年]。Nanomolecules本身也会凝聚的;nanomolecules的集聚不仅取决于自己的范德华力和其他属性也在分散介质(66年]。例如,许多纳米材料更容易聚合电解质的解决方案,在我们的实验,我们发现了这个。蛋白质吸附或集聚的现象后,实际粒度nanomolecule发生了变化,其物理和化学性质将大大受到影响。目前,一些研究正在致力于解决结块问题nanomolecules [67年),但只有在工程应用方面。上面提到的问题可能发生与纳米颗粒,所以需要进一步的探索在医学方面解决这些问题。

2.1.3。表面材料分子的潜力

表面nanomolecules的潜在是一个重要的物理量。我们可以检测的表面潜力nanomolecules通过表面ζ电位的测量。ζ的潜力去nanomolecules经常是一个物理量的测量实验。电动电势非常重要的一个原因是,它可能会影响石墨烯氧化物nanomolecules的色散。一些研究表明,粒子与电动电势之间的-30和+ 30 mv往往凝结,这是最明显的解决方案是在等电点时,当电动电势nanomolecule是0号(68年]。目前,准备走,去nanomolecular稳定性的解决方案往往是增强聚合物分子在表面的吸附。改性聚合物分子的表面性质发生了变化,并相应表面电位改变,所以修改后的聚合物分子可能不会轻易聚合成大分子。聚合物吸附是一种有效的表面改性方法提高药物悬浮液的稳定性(69年]。的表面去nanomolecules通常与挂钩或其他大分子,修改和电动电势也大多位于上述缩合范围之外。测量材料的电动电势分子也有助于确定物质分子的等电点,这也是一个非常重要的物理量的物质分子。因此,有必要测量材料的电动电势分子(70年,71年]。

nanomolecules也有许多其他的物理性质,如超顺磁性、孔隙度、内容和尘埃。这些物理量对nanomolecules的性质也有很大的影响,但是这些物理性质不药物加载中发挥关键作用,光照效果,光动力效应。因此,作者认为没有必要详细测量nanomolecules的表征实验。目前,大多数研究纳米材料还没有报道其他纳米材料的性质。nanomolecules的深入研究,越来越多的物理性质在未来可能会注意到。

2.2。材料化学性质的分子

的化学性质去nanomolecules我们关注表面化学性质。丰富的化学性质为我们提供更多的机会去修改和药物输送。众所周知,功能化nanographene可以用作药物载体提供抗癌化疗药物和基因治疗肿瘤体外(17,72年- - - - - -74年]。同时,石墨烯光疗肿瘤显示承诺在许多体内和体外研究中,如光照疗法(9),光动力治疗75年]。然而,在石墨烯纳米粒子用于肿瘤治疗的过程中,我们必须修改官能团分子表面的材料。第一个是氧化石墨烯nanomolecules使用氧化剂高锰酸钾等。目前,合成含有大量的含氧官能团,如羟基、醛组和羧基组,在其基准平面和边缘76年,77年]。的具体分子结构如图4。

这些官能团的存在可以转移负表面电荷和抑制不可逆转的纹理在解决方案78年),使去nanomolecules具有良好的亲水性和水溶解度(79年),所以nanomolecules更符合生物系统,在体内吸收和运输效率,达到治疗疾病的目的。此外,这些含氧官能团的存在促进进一步的表面改性,提供可能的网站连接其他分子(80年),如酰胺化(81年]。然而,随着表面组织的数量和类型的增加,原始石墨烯的电子云分布nanomolecules会改变分子的原子将不再是在一个平面;因此,许多大型原始功能相关π- - - - - -π债券,如药物承载能力可能受到影响。因此,可以看出,生物功能的纳米粒子从他们的固有的表面化学特性是分不开的。这些表面修饰符也发挥重要作用的光力学去纳米颗粒(82年]。

然而,氧化石墨烯nanomolecules不适合生物医学应用程序如果由于自己的化学性质。因此,我们经常修改石墨烯nanomolecules一些分子,如壳聚糖、挂钩和白蛋白。添加这些分子的化学性质有一定的影响去nanomolecules。一些代表修改分子在下面详细讨论。

2.2.1。化学性质的纳米粒子接枝挂钩

众所周知,蛋白质“电晕”很容易吸引nanomolecules由于疏水进入人体时,静电,和范德华相互作用,以及之间的氢键NPs和蛋白质(83年- - - - - -85年]。这种变化可能会增加纳米颗粒在体内的清除率86年,87年),也可能影响吸附蛋白质的构象,从而诱发新的抗原决定基曝光,和可能改变蛋白质的功能,从而产生一系列的相反效应(59,88年]。Surface-functionalized聚合物使nanomolecules“隐形”是一个合理的解决方案89年]。到目前为止,氧化石墨烯与聚乙二醇nanomolecules成为表面功能化的“黄金标准”在生物医学和工程应用90年]。聚乙二醇分子表面的材料可以增加聚乙二醇的亲水性,防止吸附多余的蛋白质分子表面的材料,并保持良好的生物相容性。然而,挂钩不能生物降解,聚乙二醇药物在体内的积累会导致生产anti-PEG抗体,可以加快血液清除率和严重的过敏反应后管理(91年- - - - - -94年]。图5说明了这个过程。因此,有必要探索新的分子可以使石墨烯氧化物nanomolecules“隐形”。

2.2.2。化学性质与FA-BSA Nanomolecules嫁接

目前,抗肿瘤化疗药物一般细胞毒性。以阿霉素为例,肿瘤细胞选择性低和强大的心脏毒性95年- - - - - -97年]。因此,医学研究人员希望合成cell-targeted药物纳米颗粒的生物修改具体确定纳米颗粒,吞噬,或肿瘤细胞所吸收,杀死肿瘤细胞。叶酸的使用来解决这一问题已成为一个共同的想法因为叶酸受体的肿瘤细胞通常是过表达,这远高于正常细胞(98年]。然而,FA的直接链接常常会导致生理液聚合,和叶酸的引入往往伴随着其他稳定剂稳定nanomolecules的介绍(17,99年,One hundred.]。这个最好是共价功能化,共价功能化具有减少化学反应,减少净化步骤,并保持原来的共轭结构和物理性质的(101年,102年]。因此,它是非常重要的去设计一个共价的功能分子,可以作为稳定剂,防止聚合和目标肿瘤细胞。目前,一种新的主动靶向药物载体FA-BSA /系统已成功设计。图6简要介绍了合成和药物加载GO-FA-BSA。本系统采用叶酸嫁接牛血清白蛋白(FA-BSA)作为稳定剂和目标代理改进的稳定和分散在生理液体,,取得了较好的效果103年]。作者认为,这种想法可能会提供一个更好的方向抗肿瘤的设计和制造石墨烯氧化物nanomolecules在未来。当设计分子载体,药物和载体的稳定性函数体内应该考虑,而药物分子的固有属性和载体分子应该保留抗肿瘤效应最大化,让它精确。

还有许多其他的分子,可以用来修饰纳米粒子,如壳聚糖,执行不同的功能。通过化学改性,我们可以主观地修改石墨烯氧化物nanomolecules增加功能,这是氧化石墨烯应用的一大亮点。

3所示。总结和范围

随着医疗技术的发展,合作医学、材料科学、化学已成为越来越多,交叉学科已成为一个合适的选择在相关领域的新突破。氧化石墨烯的应用nanomolecules在抗肿瘤效应是一个代表性的医学成就的十字路口,材料科学,化学。纳米粒子是可修改的,有良好的光照和光动力效应,这为靶向杀死肿瘤提供了一个好主意。如今,石墨烯氧化物nanomolecules已经应用于许多抗肿瘤研究。科学家们进行各种化学修饰和物理性质控制,加载不同的抗肿瘤药物来杀死肿瘤细胞,并取得一定的研究成果。在应用的过程中,我们发现确定纳米粒子的化学和物理性质是关键的一步。大量的石墨烯氧化物纳米载体的特殊性质,如热影响和携带毒品的能力,都是有关纳米粒子的物理和化学性质,和大量的氧化石墨烯表面氧组是留给我们修改,以便丰富纳米粒子的性质。它可以得出的结论是,石墨烯氧化物的发展nanomolecular应用程序将基于理解,利用率,扩大其丰富的物理和化学性质。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

文博杨、象屿邓和魏黄了对这项研究同样也应该被视为co-first作者。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号81400816)和中国国家重点研究和发展计划(批准号2016 yfc1100100)。

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