小烯导读
目前，石墨烯材料在生物医药和器械方面的使用，已经带来这些方面的巨大进步。但是，伴着它们的广泛使用，生物体安全方面的问题随之产生。近年来，研究表明石墨烯衍生物能够进入生物体，对生物体产生不利影响，尤其是细胞毒性和基因毒性。因此，石墨烯衍生物的生物体安全问题需要深度的探索。
目前，石墨烯衍生物已经批量生产，石墨烯材料在生物医药和器械方面的使用，已经带来这些方面的巨大进步，甚至是生物医学领域的革命．但是，伴着它们的广泛使用，生物体安全方面的问题随之产生。
石墨烯衍生物材料主要包括：单层石墨烯、数层石墨烯（2-10层）、氧化石墨烯等。氧化石墨烯具有含氧官能团，可溶于水中，易溶解在许多溶剂中，所以被广泛应用在生物医学方面。另外，对石墨烯进行表面修饰，可形成化学基团，如引入羟基、羧基、环氧基和羰基等含氧基团，通过化学方法介入抗体、药物和ＤＮＡ等改进其功能，拓展其在生物医学的应用。
然而2010年，伊朗科学家发现将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌暴露在石墨烯中，可导致细菌死亡。因为石墨烯可抽取细胞膜的重要组分磷脂，导致细胞解体。石墨烯达到抑菌作用的同时，也可导致人体细胞的损伤。因此，更全面的研究石墨烯及其衍生物对生物体的毒性作用十分重要。
虽然对于石墨烯和ＧＯ毒性机制先前已经有过很多研究，但没有得到充分的结论来建立风险评估或法规．石墨烯的毒性依赖于石墨烯表面能（化学结构或官能化的涂层性质）、尺寸大小、细胞类型、剂量、暴露的时间等。
许多报道已经提出，氧化应激是涉及碳纳米材料的毒性作用的机制之一。过量的活性氧簇（ＲＯＳ）导致的氧化应激是诱导石墨烯的病理变化的主导机制。抗氧化酶（超氧化物歧化酶或谷胱甘肽过氧化物酶）能够减少或消除活性氧自由基。如果ＲＯＳ超出体内清除能力，会使氧化应激发生而导致细胞大分子蛋白质、ＤＮＡ和脂类等的损坏。
又由于石墨烯具有尖锐的边缘，当它直接接触细胞膜时，产生薄膜应力使细胞膜脱落，对其产生毒性作用。此外，由于石墨烯的疏水性质，蛋白质被强迫分离破坏了细胞代谢，最终导致细胞死亡。
石墨烯衍生物因具有光催化和吸附作用而被应用于处理污染水和废气。然而石墨烯衍生物在应用中产生的废弃物进入到空气、土壤、水中，通过吸入、饮食、渗透进入生物体，会在生物体内发生物理化学以及生物作用而引起生物体毒性。
石墨烯衍生物进入人体有四种不同的途径：吸入、食入、经皮肤渗透、注射或植入生物体。如图所示，人体对石墨烯衍生物的防御体系主要有粘液、磷脂双分子层、皮肤、血脑屏障等生物屏障．石墨烯以及氧化石墨烯通过这些生物屏障会引起机体反应，如肺部毒性、血液病、细胞毒性等敏感反应。
肺部毒性
Schinwald发现对于石墨烯这种片状的材料，其空气动力学直径要远小于其横向直径，投影面积直径为30μｍ 的石墨烯片，其空气动力学直径仅有3.26μｍ.空气动力学直径在10μｍ 以下的都属于可吸入颗粒物。大尺寸的石墨烯片很容易成为可吸入颗粒物，进入肺部并沉积到肺泡，并对肺部产生毒性效应。因为在氧化过程中引入了官能团，使ＧＯ能够与血浆中的蛋白作用形成ＧＯ-蛋白质复合颗粒，大尺寸和高剂量都能促进ＧＯ形成更大的复合体，被肺截留，从而造成严重的肺纤维化和囊肿。
遗传物质毒性
遗传物质毒性研究是非常重要的，因为它与ＤＮＡ损伤、基因突变和癌
症之间有密切的相关性。Ｑｉａｏ比较了不同的纳米材料（＜５０ｎｍ）以及氧化石墨烯（２μｍ）在人的成纤维细胞中的ＤＮＡ 毒性，观察到不同的材料可以引起不同的ＤＮＡ 损伤，其中ＧＯ的毒性作用最大。此外，他们还对不同材料的毒性作用进行了浓度测试，石墨烯引起毒性的最低测试浓度为１μｇ·ｍＬ－１，而纳米颗粒ＳｉＯ２、氧化锌、二氧化钛、锡和碳纳米管材料仅在高浓度（１００μｇ·ｍＬ－１）才会引起ＤＮＡ损伤。故石墨烯是导致ＤＮＡ损伤最严重的材料。
细胞毒性
石墨烯衍生物显示出良好的生物相容性，人体细胞可在其上附着和增殖，特别是视网膜色素上皮细胞。
石墨烯材料家族（GFNs）因具有大的表面积和高的吸附活性而被广泛应用到环境中，这将导致GFNs对动物（例如，哺乳动物、浮游动物、原生动物等）产生不利影响。图4描述了GFNs通过直接渗透和内吞作用进入细胞，并且通过提取和切割造成生物体细胞膜的损伤。覆盖在细胞外表面上的GFNs可因阻断离子／气体交换产生毒性。GFNs内化作用可引起氧化应激、线粒体功能障碍和DNA损伤。
选用植物的无菌种子，在温度为２５℃的黑暗中，浸渍于不同浓度的石墨烯溶液（0、500、1000和2000ｍｇ·Ｌ－１）并过夜．然后取出浸泡的种子放在湿滤纸上，在25℃温度条件下，分别放在含有3ｍＬ石墨烯的溶液和没有石墨烯的溶液中培养直到发芽。发芽后，对发芽种子的数目进行计数并分析。结果说明石墨烯衍生物显著抑制植物生长。石墨烯诱导活性氧自由基的浓度增加，导致甘蓝、西红柿、菠菜的细胞死亡和坏死性病变，而生菜没有表现毒性效应。这些事实也表明，植物的潜在毒性作用可能在很大程度上依赖于石墨烯的剂量以及植物物种。
由于石墨烯及其衍生物具有优异的物理性质，已经在材料学、能源、生物医学等领域被广泛使用。随着石墨烯衍生物生产工艺的改进，生产成本的降低，其使用领域将进一步扩大，在生产、使用和废旧材料处理中产生的含石墨烯衍生物垃圾将迅速增多。随着它们在空气、水体、土壤中的积累，石墨烯衍生物对生物体的影响成为环境科学的研究热点之一，大量的研究表明石墨烯衍生物具有生物毒性，其对环境的影响必须引起足够重视。
（文章来源：《南京大学学报》，作者：李 婷，张超智，沈 丹，袁 阳
（南京信息工程大学环境科学与工程学院、江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室）
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