氧化石墨烯的结构与毒性

石墨烯的结构

    石墨烯是一种新兴纳米材料，由碳原子整齐排列成二维、六边形、平面层状结构。其厚度一般为单原子或多层叠加。石墨烯具有表面积超大、导电性好、强度高、化学稳定等特点，主要应用于半导体、超级电容、生物传感器等方面。相比较，氧化石墨烯是由氧化反应合成出来的，其表面含有羟基、羧基、环氧基、羰基等含氧功能团。由于存在羟基和羧基等亲水基团，氧化石墨烯更能溶于水，常用于生物试剂。氧化石墨烯经还原反应可去除大部分含氧基团，生成还原石墨烯。

氧化石墨烯的生产

    生产大片、高品质的石墨烯一般使用机械剥离法或化学蒸汽沉积法。一种机械剥离法是用胶纸粘在石墨上，然后慢慢剥下一层。这两种方法成本高，难以大规模生产。

    工业上低成本大规模生产石墨烯的方法是利用化学方法将石墨剥离成氧化石墨烯，然后再还原成还原石墨烯。氧化反应一般使用哈默斯法（Hummer’s Method），简要来讲是将石墨碎片浸泡在强酸中，然后慢慢加入高锰酸钾进行氧化反应，石墨中的层状结构被氧化剥离开，形成氧化石墨烯。使用微波加热法或化学还原法可以将氧化石墨烯转化为还原石墨烯。（注意，哈默斯法使用强酸、强氧化剂等危险品，请勿在家模仿。）

    石墨烯类纳米材料的毒性与其表面含氧基团数量成正比，所以毒性是氧化石墨烯>还原石墨烯>石墨烯。所以在疫苗中使用的氧化石墨烯是这三者中毒性最强的。

氧化石墨烯的毒性

氧化石墨烯在体内的分布

    2016年南方医科大学的团队曾发表一篇文献综述，总结石墨烯类纳米材料进入体内的分布状况。小鼠静脉注射10毫克/公斤体重后，氧化石墨烯随血液传遍全身，并聚集在肺脏、肝脏、脾脏、骨髓等处，造成发炎、肺水肿、肝脏损伤。经气管注入的石墨烯会聚集在肺部，四周后仍有47%残留。

    石墨烯进入体内的分布与其大小有关。平均直径340纳米左右的石墨烯可以缓慢增加血脑屏障的通透性，而直径小于100纳米的石墨烯则可以穿透血脑屏障。较小的氧化石墨烯片（直径小于10-30纳米）主要集中在肝脏和脾脏，而较大的氧化石墨烯片（10-800纳米）主要集中在肺部。较大的石墨烯片会在体内积累，无法从肾脏排除。直径小于100纳米的纳米粒子可以进入细胞，而直径小于40纳米的粒子可以进入细胞核。

    经气管注入的石墨烯类纳米材料在90天后仍存在与肺部。大量氧化石墨烯会形成聚集体，堵塞肺部血管，还能刺激释放细胞因子，造成发炎和肺部纤维化。静脉注射高剂量（1毫克/公斤体重）氧化石墨烯甚至能激活血小板，造成血栓。

影响生殖能力

    怀孕母鼠注射石墨烯会造成流产，不论任何剂量。高剂量石墨烯能杀死妊娠后期的母鼠。同时，石墨烯会妨碍胚胎发育，比如减少鸡胚心血管的生成。此外，石墨烯还会抑制鸡胚核酸的合成，破坏大脑发育。

对动物体的毒性

    上海交通大学的团队曾在2011年发表论文揭示氧化石墨烯对动物的毒性。随机分组的小鼠被静脉注射氧化石墨烯，浓度为0 毫克（对照组）、0.1毫克（低剂量）、0.25毫克（中计量）、0.4毫克（高剂量）。被注射高剂量（0.4毫克）氧化石墨烯后，4/9小鼠在七天内死亡，且死前出现疲乏、活动降低、体重减轻。即使存活的小鼠亦出现乏力、体重减轻。

    不同剂量组的小鼠在七天后被解剖，肺部组织切片在光学显微镜下显示肺部发炎，程度随剂量增长。大量白细胞聚集在肺组织中，肺组织出现肉芽肿，肺泡隔膜变厚，有些肺泡破裂。即使在低剂量下（0.1毫克），肺组织损伤也随时间增加。注射7天后肺部开始出现初期损伤。注射后30天的小鼠肺部切片显示更多肉芽肿（一种由巨噬细胞浸润造成的局部发炎）。

    对小鼠肺部和肝脏组织切片的电子显微镜影像显示，一个月后氧化石墨烯仍然存在肺部，有些存在毛细血管，有些存在细胞的细胞质中。肝脏巨噬细胞中也含有氧化石墨烯。而且因为其片状结构以及不可生物降解，氧化石墨烯很难从肾脏排出。

对细胞的毒性

    上海交大的这个团队同时还测试了氧化石墨烯对细胞的影响。氧化石墨烯被加入体外培养的人成纤维细胞中，最终浓度达到5，10，20，50，100微克/毫升。发现浓度大于等于20微克/毫升时，则对细胞产生毒性，细胞成活率降低、细胞漂浮、细胞凋亡。电子显微镜影像显示细胞中存在大量黑点，表明氧化石墨烯进入细胞质，聚集在线粒体等细胞器附近，少量氧化石墨烯进入细胞核。进入细胞的氧化石墨烯数量随时间增加。

    光学显微镜影像显示，在浓度为20微克/毫升下培养72小时后，细胞形态出现异常，比如细胞边缘不明显、细胞凋亡等。

影响遗传物质

    一个埃及的科学团队曾在2017年发文解释氧化石墨烯对遗传物质的伤害。每周在小白鼠腹膜内注射0（对照组），10，50，100，250，500微克/公斤体重的氧化石墨烯。小鼠在7，28，56天后被安乐死并解剖。在光学显微镜下，小鼠骨髓细胞中染色体出现异常，且随时间和剂量增加。在细胞分裂时，DNA紧紧缠绕形成染色体，只在分裂细胞中可见。染色体异常（比如断裂）表示遗传物质受损。

    另外，该团队还对小鼠肺部细胞中的DNA进行电泳测试，发现细胞DNA存在断裂，这也证明遗传物质受损。DNA损伤随时间和剂量增加。

    此外，氧化石墨烯进入细胞后会诱导形成活性氧簇（ROS），导致细胞内氧化压力剧增。活性氧簇也可以损伤DNA，造成变异。这就是为什么氧化石墨烯可致变异、致癌。

毒性机理

    氧化石墨烯以多种机理造成毒性。大致可分为：1）物理伤害；2）氧化压力；3）DNA损伤；4）炎症反应；5）线粒体损伤；6）刺激细胞死亡。

物理伤害

    氧化石墨烯可以吸附于细胞膜或蛋白质表面，影响其正常工作。氧化石墨烯会吸附于红细胞表面，破坏其细胞膜，造成溶血效应。同时，氧化石墨烯的薄片结构可以嵌入并像刀片一样划伤细胞膜。

氧化压力

    氧化石墨烯可诱导形成活性氧簇（ROS），耗尽细胞内天然的抗氧化剂。氧化压力会造成细胞内广泛损伤，比如细胞膜损伤、DNA断裂、蛋白质改变性质、如线粒体等细胞器损伤。过度氧化压力会导致细胞死亡。

DNA损伤

    除了氧化压力，氧化石墨烯还可以吸附于DNA表面或嵌入DNA碱基对中，导致DNA断裂或变异，还能导致染色体断裂。即使大片的氧化石墨烯不能进入细胞核，在细胞分裂时细胞核膜消失，其仍然可以损伤暴露的DNA。如果发生在生殖细胞，DNA损伤可导致不育或子代健康问题。

炎症反应

    氧化压力就可以刺激炎症反应。氧化石墨烯还能诱发发炎细胞因子的·释放，过度刺激免疫系统，导致肺水肿。另外，石墨烯可以与某些细胞表面受体蛋白结合，激活一些信号传递路径，最终导致发炎。

线粒体损伤

    线粒体是细胞内进行新陈代谢并生成能量物质（ATP）的细胞器。氧化压力会损伤线粒体，细胞无法正常产生能量。

细胞死亡

氧化压力、线粒体损伤、炎症、以及启动某些受体蛋白会导致细胞凋亡、自噬、坏死。

    上海交大和同济大学的另一个团队于2020年发表论文，发现细胞自噬抑制剂（如氯喹）可以缓解氧化石墨烯造成的损伤。被静脉注射氧化石墨烯的小鼠在使用氯喹后，肺部损伤、水肿、氧化压力、炎症、以及发炎细胞因子含量均有明显缓解，但不能彻底恢复。（细胞自噬是一种细胞通过溶酶体分解蛋白质、消化受损细胞器的过程。过度启动细胞自噬会造成细胞损伤、死亡。故细胞自噬抑制剂可以缓解组织损伤。）

拓展阅读：

武汉两医生被抢救后脸色发黑，为何？

易经的智慧（全集）