清华大学深圳国际研究生院张灿阳：基于石墨烯纳米生物材料用于癌症治疗和抗感染的最新综述|Bioactive Materials

近期，清华大学深圳国际研究生院张灿阳特别研究员（博士生导师）在科爱出版创办的期刊Bioactive Materials上联合发表综述文章：基于石墨烯纳米材料用于癌症治疗和抗感染的最新进展。文章首先介绍了基于石墨烯纳米材料在癌症治疗方面的最新进展，主要从该材料在光热治疗、光动力治疗和多种联合疗法中的应用展开。然后阐述了该材料在抗感染方面的研究近况，例如用于生物体内抗菌、伤口愈合时的抗菌以及对细菌生物膜的破坏等。文章最后总结了基于石墨烯纳米材料在癌症治疗和抗感染应用中的优势、挑战和前景。

01

研究内容简介

随着生活水平的提高，健康问题受到更多人的关注和重视，癌症和细菌感染等高死亡率疾病仍然是人类生命安全的重大威胁，因此战胜疾病一直是科研工作者艰苦奋斗的主要目标。在现有的临床手段中，化疗和放疗等方法是治疗癌症的常用手段，但有限的治疗效果和明显的副作用等是传统癌症治疗手段的重大劣势。抗生素是现阶段对抗细菌感染疾病的主要药物，但耐药性细菌的出现是对抗生素治疗的重大挑战。光疗作为一种新型的治疗手段，在癌症治疗和抗感染等方面展现出高疗效、低副作用的强大优势。研究发现，基于石墨烯纳米材料在近红外光照射下表现出高效的光热转换能力，成为光热治疗中光热剂的重要候选材料。另外，基于石墨烯纳米材料在激光照射下可以产生活性氧，这使其成为光动力治疗的重要候选材料。因此，基于石墨烯纳米材料在光疗领域具有广阔的应用前景。该文章从癌症治疗和抗细菌感染两个方面出发，对基于石墨烯纳米材料在生物医学方面的最新研究进展进行了详细介绍。

一、基于石墨烯纳米材料在抗癌方面的应用

该综述从三个方面：单一疗法、联合疗法和多重疗法出发，详细阐述了基于石墨烯纳米材料在癌症治疗方面的应用。1.1 基于石墨烯纳米材料在光热治疗中的应用基于石墨烯纳米材料作为一种极具应用前景的光热剂材料，是确保有效光热治疗的关键。该综述指出，石墨烯量子点作为石墨烯衍生材料的一种，除高效的光热转换能力外，还表现出光致发光的特性，可在癌症治疗中用于肿瘤成像和追踪。同时石墨烯量子点粒径小，可以迅速从体内清除，表现出很好的生物安全性（图1）。此外，作者还指出，对石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯等材料进行表面功能性修饰，也表现出了优异的理化特性，成为光热治疗的重要候选材料。

图1：石墨烯量子点纳米材料用于光热治疗。a. 激光照射下基于石墨烯量子点的成像和光热治疗示意图。b. 石墨烯量子点纳米材料的合成示意图。c. 纯水和不同浓度的石墨烯量子点纳米材料在5分钟激光照射下的温度变化示意图。d. 用不同浓度的石墨烯量子点纳米材料处理的4T1细胞，在有或没有激光照射下的细胞活力统计图。e-h. 用不同浓度的石墨烯量子点纳米材料处理的4T1细胞，在激光照射5分钟后的CLSM图。i. PBS和石墨烯量子点纳米材料在710 nm激光照射下的成像图。j. 用石墨烯量子点纳米材料治疗2天后的肿瘤成像图。k-l. 用不同制剂治疗的小鼠在14天内的相对肿瘤体积和体重曲线图。m. 小鼠在第14天时的肿瘤体积和图片。

1.2 基于石墨烯纳米材料在联合疗法中的应用

单一疗法作为临床上常用的治疗手段，治疗效果不尽如人意。该综述总结了基于石墨烯纳米材料在联合疗法上的最新研究进展。例如光热治疗与化疗的结合，光热治疗时产生的高温不仅可以杀死肿瘤细胞，还可以促进药物的释放与吸收，增强化疗的治疗效果。基于石墨烯纳米材料因其大的表面积可以充当药物载体，并依靠自身高效的光热转换能力充当光热剂，成为光热治疗与化疗联合疗法的重要候选材料（图2）。同时，作者也对基于石墨烯纳米材料在光热治疗与放疗联合疗法、光热治疗与基因治疗联合疗法、光动力治疗与免疫治疗联合疗法中的应用前景进行了详细介绍和分析。

图2：基于石墨烯纳米材料在光热治疗与化疗联合疗法中的应用。a. 基于石墨烯纳米材料的聚合物合成示意图。b. 基于石墨烯纳米材料的聚合物（黑色线）与对照组的荧光光谱。c. 基于石墨烯纳米材料的聚合物横向尺寸分布图。d-e. 用不同制剂处理Hela细胞，在24小时和48小时后的细胞活力统计图。f. 用基于石墨烯纳米材料的聚合物处理Hela细胞，在有或没有10%游离FA预处理的情况下，细胞活力曲线图。g. 用不同制剂处理Hela细胞，在有或没有785 nm激光照射10分钟的情况下，细胞活力统计图。

1.3 基于石墨烯纳米材料在多重疗法中的应用

近年来多重疗法也被进一步研究来提高癌症治疗效果。本综述中，作者以光热治疗、光动力治疗和化疗等方法为例，指出基于多种治疗手段的多重疗法在激光照射下也取得了优异的癌症治疗效果。

二、基于石墨烯纳米材料在抗感染方面的应用

近年来，具备抗菌特性的纳米材料逐渐引起人们的注意。本综述指出，基于石墨烯纳米材料在抗菌方面表现优异，例如石墨烯薄片可穿透细菌膜，阻止细菌生物膜的形成。氧化石墨烯表面存在的褶皱形成“陷阱”，破坏细菌结构。此外，作者还提出，对基于石墨烯纳米材料的表面进行功能性修饰可进一步提高该材料的抗菌能力，例如将金属氧化物掺杂在石墨烯表面，释放出的金属离子也可以杀死细菌。本综述主要从三个方面：体内抗菌、伤口愈合和破坏细菌生物膜，介绍了基于石墨烯纳米材料在抗菌方面的应用。

图3：基于石墨烯纳米材料在伤口愈合时的抗感染作用。a. 基于石墨烯纳米材料的聚合物合成示意图。b. 基于石墨烯纳米材料的聚合物的XPS表征图。c. 激光照射下基于石墨烯纳米材料的聚合物的抗菌机理示意图。d. 不同制剂处理下S. aureus的实时OD600值。e. 激光照射下，基于石墨烯纳米材料的聚合物用于伤口愈合的抗菌测试示意图。f. 治疗14天后的伤口部位对比图。

最后作者指出基于石墨烯纳米材料在临床上用于癌症治疗和抗感染仍面临着一些局限或挑战，如生物安全性存在争议、抗菌机制不够明确、制备过程复杂繁琐、对环境产生负面压力、试验对象有限缺乏说服力等。作者建议科研人员进一步研究基于石墨烯纳米材料在抗菌方面的原理机制，优化精简基于石墨烯纳米材料的聚合物的制备步骤，明确基于石墨烯纳米材料的安全性问题，为该材料在临床上应用于癌症治疗和抗感染打下坚实的基础。

02

论文第一/通讯作者简介

第一作者：王妍

北京理工大学物理学院2019级博士研究生，主要研究内容为借助超高真空扫描隧道显微镜对金属表面的自组装材料进行纳米尺度的表征，并进一步研究其光热特性、电学特性等。

通讯作者：张灿阳

清华大学深圳国际研究生院特别研究员、助理教授、博士生导师、生物医用材料与制剂工程课题组组长。研究方向重点是面向生物医药与生命健康领域重大需求与问题，设计和开发多功能工程化生物医用材料载体和递送（剂型）策略，用于疾病诊断与治疗，如癌症、感染、自身免疫性疾病。主要有四个研究方向:

1. 刺激-响应型生物材料体系的设计与开发。

2. 细胞介导的免疫调控靶向系统的开发。

3. 基于产品工程与制剂工程的生物医药与健康工程研究。

4. 微针相关技术与产品开发。

03

资助信息

本工作得到清华大学深圳国际研究生院科研启动基金（No. QD2021020C, No. 01010600002）、广东省绿色化学产品技术重点实验室研究基金项目（No. 03021300001）和 国家自然科学基金（No. 21902012）的支持。

04

原文信息

Yan Wang, Juan Li, Xiaobin Li, Jinping Shi, Zhaotan Jiang, Can Yang Zhang. 

Graphene-based nanomaterials for cancer therapy and anti-infections. 

Bioactive Materials, 14 (2022) 335-349.

点击阅读原文，查看文章详情

Bioactive Materials是一本高质量英文期刊，目前已经被SCIE、PubMed Central、Scopus、Embase收录。同时本刊还入选了2019年中国科技期刊卓越行动计划--“高起点新刊”项目。

2022年Bioactive Materials 获得影响因子16.874 ，在Materials Science，Biomaterials领域排名第一。

位于《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区表》1区，TOP期刊。

CiteScore 2021: 14.3。