石墨烯在动物体内的行为和潜在毒性：表面修饰与尺寸效应研究

以碳纳米管为代表的碳纳米材料近年来在生物医学上的应用研究得到了广泛的关注。石墨烯是当前极受关注的另一类新型纳米碳材料，它们在生物医学应用上的探索研究才刚刚起步。申请人的前期工作证明石墨烯具有优良的药物装载和近红外光吸收能力，并在最近的实验中发现聚乙二醇修饰的石墨烯在肿瘤中有着极高的被动富集能力，同时利用该材料在动物模型上取得了令人鼓舞的肿瘤光热治疗效果。在本项目研究中，我们将合成一系列不同表面化学修饰的纳米石墨烯，通过梯度离心分离得到不同尺寸的石墨烯，利用荧光活体成像和放射性同位素示踪的方法，系统地研究石墨烯表面生物可兼容性修饰及其尺寸对它们在实验鼠体内生物分布、肿瘤富集能力、药物动力学、以及潜在毒性的影响。我们将探索纳米石墨烯高效肿瘤富集能力的原因，并试图找到肿瘤富集能力最强、其他器官组织分布最低、并具有低毒性的纳米石墨烯，为该材料进一步在生物医学尤其是癌症治疗中的应用打下良好的基础。

整个项目按照原定计划顺利完成，在 Nano Lett, ACS nano, Nature Protocols, Chem Soc Rev, Adv Mater, Biomaterials, Small等杂志发表SCI论文40余篇，其中与本项目核心内容直接相关的论文近30篇，另有多项中国发明专利在申请中（其中两项已获批）。研究主要完成工作包括：(1) 采用聚乙二醇(PEG)和葡聚糖通过共价和非共价修饰纳米石墨烯可以有效的提高纳米石墨烯的水溶性和生物相溶性，增加肿瘤的被动富集能力。利用纳米石墨烯在近红外区的强吸收实现活体肿瘤有效的光热治疗。(2)采用125I标记不同表面修饰和不同尺寸的纳米石墨烯在小鼠模型上对其在体内的生物分布、肿瘤被动富集能力、潜在毒性以及代谢情况进行了系统的研究。研究发现制备的超小尺寸的还原纳米石墨烯通过非共价修饰以后能够显著的降低其在网状内皮系统的聚集，且具有非常高的肿瘤被动富集能力，采用0.15W/m2就能将肿瘤完全杀灭，这一激光功率密度是目前纳米材料用于肿瘤光热治疗所用功率中最小的激光功率。(3)采用125I标记纳米石墨烯研究其在小鼠体内的长期生物分布、排泄以及潜在的长期毒性，研究发现纳米石墨烯在动物体内的行为与其表面修饰、尺寸、注射途径密切相关。其中PEG修饰纳米石墨烯通过尾静脉注入以后，虽然在肝和脾部位富集，但是可以通过尿液和粪便排出体外，通过对实验小鼠的血液学和组织学进行分析，发现90天时间里该材料在20mg/kg的剂量下没有对实验小鼠造成明显的毒性。(4)系统研究了不同表面修饰的纳米石墨烯及其衍生物的细胞毒性及体外降解的行为，发现PEG修饰一方面能降低石墨烯毒性，另一方面会抑制过氧化物酶对石墨烯的降解；而通过新的表面修饰设计，我们最终的得到双硫键偶联PEG修饰的石墨烯兼具低毒性和可降解的优点，有望在将来得到进一步的应用。人才培养方面，本项目负责人在项目执行期间获得自然科学基金委优秀青年基金资助和江苏省杰出青年基金资助，并承担973项目课题一项；课题组毕业博士生2人，硕士生6人。