石墨烯及其衍生物被譽(yù)為“奇跡”材料，在電子、儲(chǔ)能、醫(yī)藥等社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。談石墨烯的安全性，有些讀者可能感覺(jué)到奇怪，但如果有一天石墨烯真的被大規(guī)模應(yīng)用，它將無(wú)處不在。隨著各類(lèi)石墨烯基材料(GBMs）被不斷開(kāi)發(fā)，其對(duì)人類(lèi)健康和環(huán)境的潛在影響一直缺乏合理的綜合評(píng)價(jià)。有鑒于此，瑞典環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所BengtFadeel，曼徹斯特大學(xué)CyrillBussy，的里雅斯特大學(xué)MaurizioPra教授和法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)AlbertoBianco等26位海外學(xué)者聯(lián)名在國(guó)際頂級(jí)期刊《ACSNano》上發(fā)表綜述文章。在本文中，作者討論了GBMs材料的合成和表征，并且使用體外和體內(nèi)模型系統(tǒng)評(píng)估GBMs對(duì)人類(lèi)和環(huán)境的危害，解開(kāi)了GBMs材料的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系。

石墨烯是首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的二維原子晶體，具有許多超凡的性能，如機(jī)械剛度、強(qiáng)度和彈性，以及高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，其衍生物目前也擁有多種不同的應(yīng)用。安全與可持續(xù)發(fā)展石墨烯技術(shù)和產(chǎn)品需要密切關(guān)注材料對(duì)人類(lèi)健康和環(huán)境的潛在影響，事實(shí)上，安全評(píng)估是材料走向應(yīng)用的一個(gè)重要組成部分。

材料表征是危害評(píng)估的關(guān)鍵要素，碳納米管的毒理學(xué)評(píng)估就是一個(gè)很好的例子——碳納米管在某種程度上作為病原纖維，對(duì)人類(lèi)具有潛在致癌性。當(dāng)然，如果適當(dāng)純化并加以表面修飾，碳納米管在納米醫(yī)學(xué)，例如藥物或基因傳遞和/或成像方面具有廣闊的前景。從以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)來(lái)看，如果我們承認(rèn)新材料具有有用的特性，我們就必須承認(rèn)，這種新材料可能帶來(lái)新的或未預(yù)料到的風(fēng)險(xiǎn)。這并不是說(shuō)新材料的生物或毒理效應(yīng)必然是“新奇的”，但我們需要了解這些材料的特性以及它們?nèi)绾闻c生物效應(yīng)相互作用，以便使它們既實(shí)用又安全。

【GBMs的合成與表征】

石墨烯研究中的一個(gè)重要問(wèn)題是，“石墨烯”作為術(shù)語(yǔ)可以描述許多不同的GBM。為了補(bǔ)救這種情況，Graphene旗艦公司提出了一個(gè)GBM的分類(lèi)方案，考慮三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：石墨烯層數(shù)、平均橫向尺寸和碳氧原子比(C:O)。使用這種分類(lèi)可促進(jìn)不同實(shí)驗(yàn)室在研究之中的比較。

GBMs的合成

雖然文獻(xiàn)中有許多關(guān)于不同石墨烯合成方法的報(bào)道，但是當(dāng)材料用于生物應(yīng)用包括毒理學(xué)評(píng)價(jià)時(shí)，需要滿(mǎn)足某些特定要求。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于體外研究，材料必須在水溶液中穩(wěn)定分散，并且雜質(zhì)的量應(yīng)仔細(xì)控制，因?yàn)樯a(chǎn)通常不在無(wú)菌條件下或使用無(wú)菌溶劑進(jìn)行，所以除了合成過(guò)程中產(chǎn)生的化學(xué)污染物外，還需要考慮生物污染物，即微生物或部分微生物(內(nèi)毒素)的影響。常見(jiàn)獲得GBM用于生物應(yīng)用的方法有：

1.超聲剝離法；為了成功地在水中剝離，通常使用層間的小分子或溶劑的輔助插層。比如Liuetal.采用過(guò)硫酸銨或過(guò)氧化氫插層法，在微波輻照下使石墨剝落，制備出高質(zhì)量的多層石墨烯。

2.氧化石墨烯(GO)；大多數(shù)合成GO的方法是基于石墨氧化，也就是著名的Hummers法，其中包括使用氧化試劑和酸。這種方法會(huì)產(chǎn)生不同程度的氧化和雜質(zhì)，必須引入額外的純化步驟以提高材料的純度。

3.還原氧化石墨烯(rGO)；獲得rGO的代表方法包括GO的化學(xué)、熱和電/光化學(xué)還原。化學(xué)還原法優(yōu)于非化學(xué)還原法，因?yàn)樘岣吡速|(zhì)量、效率和可以獲得穩(wěn)定的rGO分散液。最有效的化學(xué)還原劑是肼，然而，這種試劑不是很受歡迎，因?yàn)樗鼘?duì)人類(lèi)和環(huán)境具有毒性。

盡管上面討論的大多數(shù)合成方法都獲得了高質(zhì)量的石墨烯，但是這些方法無(wú)法定標(biāo)，限制了它們的工業(yè)應(yīng)用。因此，以簡(jiǎn)單和低成本的方式獲得大量的生物相容性石墨烯仍然是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

GBMs的表征

為了進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)評(píng)估，需要使用標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行良好表征。對(duì)于化學(xué)表征，最常用的技術(shù)是XPS、FT-IR、Raman、XRD、TGA和元素分析，TEM、SEM和AFM提供了材料的形態(tài)和尺寸的信息，阿米巴裂解液(LAL)檢測(cè)通常用于檢測(cè)納米材料和生物材料中的內(nèi)毒素含量。值得注意的是，即使使用普適性方法制備出石墨烯材料(例如，GO)，最終產(chǎn)品通常也不是均勻的，而是具有不同性質(zhì)的組分廣泛分布。通常，GBMs的毒性（或安全性）取決于物理化學(xué)性質(zhì)，如大小、層數(shù)和表面化學(xué)性質(zhì)，此外，雜質(zhì)的存在和所使用的石墨烯合成方法也可能影響毒理學(xué)反應(yīng)。

材料屬性的作用：參考數(shù)據(jù)庫(kù)

為了剖析（納米）材料特性在生物學(xué)影響方面的作用，應(yīng)該考慮訪(fǎng)問(wèn)適當(dāng)?shù)膮⒖紨?shù)據(jù)庫(kù)。2009年，Nel提議建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的納米材料數(shù)據(jù)庫(kù)，包括納米材料和納米顆粒的主要類(lèi)別，他的原話(huà)是“itisimportanttolinkthelibrarydevelopmenttoananomaterialclassificationthatallowstoxicologicalmechanismstobeinterpretedintermsofintrinsicmaterialproperties”。從那時(shí)起，出現(xiàn)了一些數(shù)據(jù)庫(kù)，Zhouetal.開(kāi)發(fā)了80個(gè)功能化碳納米管的組合數(shù)據(jù)庫(kù)，以揭示與細(xì)胞毒性和免疫應(yīng)答有關(guān)的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系。石墨烯與碳納米管和富勒烯一起被包含在納米碳的家族中。然而，我們認(rèn)為，由于石墨烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)與納米管和富勒烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)顯著不同，因此化學(xué)成分不是人們應(yīng)該考慮的唯一參數(shù)。

【石墨基材料的生物分布】

GBMs在暴露有機(jī)體中的命運(yùn)受其內(nèi)在物理化學(xué)特征(如橫向尺寸、厚度和C:O比/官能化)以及它們與生物環(huán)境接觸時(shí)的外在或后天獲得的特征的支配，此外，進(jìn)入身體的入口也是物質(zhì)隨后命運(yùn)的主要決定因素。GBMs的內(nèi)在特征可影響其生物分布、向次生器官的轉(zhuǎn)移、積累、降解和清除，然而，這些特性可能由于生物環(huán)境中存在的蛋白質(zhì)和其他生物分子的吸附而改變。值得注意的是，隨著GBM從一個(gè)生物隔室移動(dòng)到另一個(gè)生物隔室（例如，從肺部移動(dòng)到血流），這些獲得的特征可能隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，并隨著局部環(huán)境的變化而演變。然而，由于免疫細(xì)胞或其他形式的生物轉(zhuǎn)化的降解，固有材料特性也會(huì)發(fā)生變化。

石墨烯基材料的多種染毒途徑

為了探討口服給藥的影響，Zhangetal.采用125I標(biāo)記的小和大（兩種納米級(jí)）rGO片在口腔灌胃后60天內(nèi)的生物分布，這兩種物質(zhì)都存在于血液、心臟、肺、肝臟和腎臟中，腎臟中的含量在第一天顯著高于對(duì)照組，隨后迅速減少，但在第15天和第60天仍高于對(duì)照組，這些結(jié)果表明，兩種物質(zhì)在胃腸道內(nèi)迅速被吸收，并通過(guò)體循環(huán)到達(dá)次級(jí)器官。Lietal.采用125I標(biāo)記的納米GO（橫向尺寸：10-800nm，1-2層）測(cè)定氣管內(nèi)灌注后的生物分布，絕大多數(shù)的GO在肺中發(fā)現(xiàn)，在血液、肝臟和腎臟中也檢測(cè)到少量。這些結(jié)果歸因于直接從肺或通過(guò)腸道吸附向血液的轉(zhuǎn)移，因?yàn)榇罅课镔|(zhì)也可在胃和腸中檢測(cè)到，可能是由于粘液毛清除、吞咽和再分布到胃腸道。

納米安全與藥物的橋接：靜脈給藥

納米材料在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中最常見(jiàn)的給藥途徑之一是靜脈(IV)途徑，納米醫(yī)學(xué)中大量的研究和開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)證實(shí)，形狀、尺寸和表面電荷是決定納米材料在靜脈注射后的生物分布和命運(yùn)的最重要的物理化學(xué)參數(shù)。

總的來(lái)說(shuō)，證據(jù)表明GBM能夠跨越生理屏障，到達(dá)遠(yuǎn)離進(jìn)入點(diǎn)的次級(jí)器官，然而，由于缺乏已發(fā)表的數(shù)據(jù)和缺乏系統(tǒng)的調(diào)查，就GBM的物理化學(xué)特征和生物分布模式之間的關(guān)系得出確定的結(jié)論還為時(shí)過(guò)早。