石墨烯納米材料對哺乳動物的毒性及其作用機制

蔡全領(lǐng)，胡獻剛，周啟星

南開大學環(huán)境科學與工程學院，環(huán)境污染過程與基準教育部重點實驗室/天津市城市生態(tài)環(huán)境修復與污染防治重點實驗室，天津300350

納米材料是一種具有很大比表面積的新型材料，由于其化學催化活性的顯著增加，常廣泛應用于工業(yè)、材料、醫(yī)藥、環(huán)保以及電子等行業(yè)。納米材料可以穿透生物膜進入體內(nèi)直接影響細胞，所以其合成、使用、廢棄過程中的生物安全性得到了人們的廣泛關(guān)注。

石墨烯是目前已知最薄的、應用廣泛的新興非金屬納米材料，厚度僅為一個碳原子，是一種由碳原子組成的六角形蜂巢晶格的二維結(jié)構(gòu)材料[1-3]。石墨烯具有獨特的電學機械性能、良好的導熱導電性、超大的比表面積以及潛在的生物相容性，被廣泛應用于材料、電子、能源、光學以及生物醫(yī)學等領(lǐng)域，如電化學設(shè)備、能源存儲、細胞成像、藥物輸送和生物傳感器等[4-8]。隨著石墨烯在實際生活中的大規(guī)模生產(chǎn)和應用，石墨烯的環(huán)境行為和生物毒性研究備受關(guān)注。目前，已有大量研究證實石墨烯納米材料的生物毒性因其自身的物理化學性質(zhì)(尺寸、形態(tài)、官能團等)、作用濃度、生物的攝入方式及作用器官等的不同而不同[9-12]。不同的石墨烯及其衍生物具有不同的理化性質(zhì)和生物毒性，通常情況下，石墨烯可分為單層石墨烯、少數(shù)層石墨烯、石墨烯氧化物(GO)、還原型石墨烯氧化物(rGO)、石墨烯納米帶、石墨烯薄片及量子點石墨烯等[13]。由于受官能團的影響，石墨烯納米材料的生物毒性主要集中于對石墨烯氧化物和還原型石墨烯氧化物的研究。本文以石墨烯氧化物和還原型石墨烯氧化物為主體，總結(jié)了石墨烯納米材料的生物毒性的相關(guān)研究。

哺乳動物試驗表明，石墨烯可以通過氣管滴注[14]、吸入[15]、靜脈注射[16]、腹腔注射[17]以及口服[18]等方式進入體內(nèi)，通過血液-空氣屏障、血腦屏障和血液胎盤屏障等積累在肺、肝、脾等部位引起急性或者慢性損傷[19]。有關(guān)石墨烯毒性機制的研究主要集中于線粒體損傷[20]、DNA損傷[21]、炎性反應[19]、凋亡[22]等終點及氧化應激[20]參與的復雜信號通路。不同石墨烯納米材料的濃度、尺寸、表面結(jié)構(gòu)和官能團等對石墨烯的生物毒性影響不同[13]。本文對不同實驗方法下石墨烯納米材料的個體毒性、細胞毒性、毒性影響因素及毒理作用機制研究進行總結(jié)，為石墨烯材料廣泛應用的生物安全性提供理論指導。

1 石墨烯納米材料的動物毒性(Animal toxicity of graphene nanomaterials)

大量有關(guān)石墨烯的動物毒性(圖1)研究證明，在通常情況下，石墨烯納米材料可以通過不同暴露方式穿過不同的生理屏障或細胞結(jié)構(gòu)進入動物體內(nèi)，從而導致生物毒性的發(fā)生。不同暴露方式、不同的生理屏障、不同的組織分布和排泄都是影響石墨烯納米材料毒性的決定因素。因此，對影響因素的全面了解有助于更好地理解和把握石墨烯毒性的發(fā)生和發(fā)展。

圖1 石墨烯納米材料的動物毒性Fig. 1 Animal toxicity of graphene nanomaterials

1.1 暴露方式(Exposure method)

動物模型中常用的暴露方式包括吸入、口服、氣管滴注、靜脈注射、腹腔注射以及皮下注射等。雖然吸入暴露是最接近現(xiàn)實生活的暴露模型，但滴注模型是更有效、更節(jié)省時間且會產(chǎn)生長期炎性的暴露方式。吸入暴露和氣管滴注通常會導致肺部炎性的發(fā)生。3項大鼠吸入暴露低劑量石墨烯及GO的研究對比發(fā)現(xiàn)，石墨烯和GO引起雄性大鼠的肺損傷和炎性是可逆的[23-25]。而石墨烯的氣管滴注模型對小鼠產(chǎn)生急性肺部損傷和炎性[14,26]，并且氣管滴注的石墨烯納米材料會在小鼠肺部積累并滯留3個月以上[27]。靜脈注射、腹腔注射和皮下注射可對小鼠產(chǎn)生系統(tǒng)毒性。在用小鼠靜脈注射石墨烯納米材料的毒性研究中，石墨烯通過30 min的體內(nèi)循環(huán)便可積累到一定濃度并沉積在肝臟，且石墨烯在肺、肝、脾的沉積至少可持續(xù)6個月[28-29]。腹腔注射模型中GO會聚集到注射部位附近，少數(shù)GO會滲透到鄰近肝臟和脾臟的結(jié)締組織等部位[30-31]。皮下注射GO 3周后，在注射部位出現(xiàn)輕微炎性[32]。然而小鼠口服模型中，氧化石墨烯衍生物沒有出現(xiàn)明顯的組織吸收，并可以被迅速排泄[30]。

1.2 生理屏障(Physiological barrier)

由于石墨烯納米材料尺寸小，通過不同暴露方式進入動物體內(nèi)后可通過血液-空氣屏障、血腦屏障和血液胎盤屏障積累并滯留在肺、肝、脾等不同部位引起炎性等生理毒性。

1.2.1 機械屏障

皮膚與粘膜構(gòu)成動物個體機械防御的第一道防線。由于動物的石墨烯暴露途徑主要是吸入，所以明確石墨烯納米顆粒通過機械屏障發(fā)揮毒性的作用機制是生物安全性研究的熱點。研究證明，通過呼吸進入哺乳動物體內(nèi)的石墨烯納米顆粒經(jīng)過呼吸道黏膜層的過濾作用后可到達肺部，破壞肺部的超微結(jié)構(gòu)和生理特性，從而發(fā)揮毒性作用[33]。雖然黏液可以阻擋病原菌或者超細顆粒進入眼睛、呼吸系統(tǒng)以及胃腸道等[34]，但目前有關(guān)石墨烯與黏液的相互作用未見報道。肺部對石墨烯顆粒的清理工作主要依賴于肺泡巨噬細胞和上皮細胞[35]，凝聚態(tài)的石墨烯粒子沉積在肺泡內(nèi)表面，進而被肺泡巨噬細胞吞噬，而一些小的可吸入的納米顆粒會滲透并進入肺泡上皮細胞或間質(zhì)細胞[35]。目前有關(guān)石墨烯沉積并滲入皮膚的路徑和機理還并不是很清楚，亟待研究。

1.2.2 血腦屏障

血腦屏障可以選擇性地阻止某些外來物質(zhì)由血液進入大腦，限制物質(zhì)在血液與腦組織的自由交換，由大量膜受體和載體組成。目前有關(guān)石墨烯是否能通過血腦屏障引起神經(jīng)毒性的研究暫無定論。有報道認為石墨烯不能穿過血腦屏障[36]。而目前有研究發(fā)現(xiàn)，聚乙二醇修飾的rGO會以時間依賴方式進入內(nèi)皮細胞間隙，破壞血腦屏障導致星形膠質(zhì)細胞功能障礙[37]。另有研究指出，尺寸小于100 nm的石墨烯量子點可直接穿透血腦屏障[38]。

1.2.3 胎盤屏障

胎盤屏障是母體與胎兒進行營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物交換的器官，可以阻止有害物質(zhì)進入胎兒，是母體懷孕期間必不可少的保護胎兒的防御性屏障。有關(guān)納米材料胚胎毒性的研究引起了廣泛關(guān)注，報告顯示，100 nm以下的納米顆?？梢酝ㄟ^胎盤進入胎兒血液中影響胎兒的生長發(fā)育[39]，這也說明石墨烯及其衍生物是極可能進入胎盤的。一些研究表明，孕前或妊娠早期低劑量靜脈注射rGO的小鼠母體產(chǎn)生的后代出現(xiàn)少量畸形，而妊娠后期低劑量注射rGO的母體產(chǎn)生的后代出現(xiàn)大量異常，高劑量注射rGO會直接導致母體死亡[40]。

1.3 系統(tǒng)毒性(Systemic toxicity)

1.3.1 呼吸系統(tǒng)的毒性

呼吸系統(tǒng)是石墨烯的直接作用系統(tǒng)，目前有關(guān)石墨烯造成呼吸系統(tǒng)損傷的研究是最多的。實驗報道，人體吸入的絕大多數(shù)石墨烯納米顆粒會穿過上呼吸道進入到肺部，在肺部沉積，呼吸道檢測到的石墨烯納米顆粒沉積率小于4%[41]。因此，石墨烯誘發(fā)肺損傷是石墨烯動物毒性的主要癥狀。氧化石墨烯納米材料暴露后的小鼠出現(xiàn)明顯的急性肺損傷和慢性纖維肺，但通過抗炎、抗氧化藥物地塞米松的治療后可以得到緩解，說明GO可能通過氧化應激引起肺毒性的發(fā)生[42]。但是GO通過修飾后可以明顯降低其肺毒性，尾靜脈注射聚乙二醇修飾的GO至小鼠體內(nèi)，90 d內(nèi)并沒有引起肺損傷[43]。

1.3.2 中樞神經(jīng)系統(tǒng)的毒性

目前有關(guān)石墨烯納米材料的中樞神經(jīng)系統(tǒng)毒性研究較少且不統(tǒng)一。100 μg·mL-1的rGO會影響大鼠星形膠質(zhì)細胞和大腦內(nèi)皮細胞的細胞活性，而聚乙二醇修飾的rGO對細胞產(chǎn)生損傷甚至引起細胞死亡[44]。但也有實驗報道，石墨烯材料的暴露對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中突觸的形成和功能沒有影響[45]。因此，石墨烯納米材料的神經(jīng)毒性影響需要進一步的研究。

1.3.3 生殖和發(fā)育系統(tǒng)毒性

石墨烯納米材料對雌雄生殖系統(tǒng)具有不同的毒性作用。數(shù)據(jù)顯示，腹腔注射高劑量的GO對雄性生殖系統(tǒng)幾乎沒有影響[46]。對于妊娠早期注射rGO的雌鼠，其后代只有少數(shù)出現(xiàn)異常，然而妊娠后期注射rGO會導致孕鼠流產(chǎn)甚至死亡[40]，在哺乳期，高劑量注射rGO的后代出現(xiàn)發(fā)育延遲。哺乳期間口服高劑量GO造成后代生長遲緩[47]。雖然研究結(jié)果表明石墨烯納米材料具有生殖和發(fā)育毒性，但目前有關(guān)石墨烯對雌雄生殖和發(fā)育影響的研究數(shù)據(jù)較少，需進一步闡明其潛在的毒性機制。

2 石墨烯納米材料的細胞毒性(Cytotoxicity of graphene nanomaterials)

2.1 在細胞中的吸收

石墨烯納米材料在不同細胞中的吸收和定位不同，石墨烯可通過多種途徑進入細胞。石墨烯材料的大小、形狀、表面修飾等物理化學參數(shù)決定了其穿過細胞膜的能力。不同尺寸的石墨烯材料對細胞的穿破程度不同，直徑小于100 nm的納米顆粒物可以進入細胞，小于40 nm的可以進入細胞核[48]。蛋白修飾的氧化石墨烯納米大顆粒(～1 μm)主要通過吞噬作用進入細胞，而小的氧化石墨烯納米顆粒(～500 nm)主要通過內(nèi)吞作用進入細胞[49]?，F(xiàn)有證據(jù)證實，GO可與質(zhì)膜相互作用被吞噬細胞吞噬，其中巨噬細胞三大受體：Fcg受體(FcgR)、甘露糖受體(MR)和補體受體(CR)在這一過程中起重要作用[50]。此外，GO可以通過其表面的含氧官能團粘附到細胞膜上，插入磷脂雙分子層與細胞相互作用內(nèi)化到細胞內(nèi)，聚乙二醇修飾的rGO可通過與細胞膜的疏水作用粘附到磷脂雙分子層[51]。由此可見，長期高濃度的石墨烯納米材料暴露會對細胞膜產(chǎn)生物理損傷，造成細胞骨架的不穩(wěn)定。

2.2 細胞毒性

大量體外實驗表明，石墨烯納米材料的毒性表現(xiàn)為改變細胞活性，改變細胞形態(tài)、破壞細胞膜的完整性[52]，進入溶酶體、線粒體、細胞核以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等誘導DNA損傷[53]和細胞凋亡[54]。石墨烯是增加細胞活性還是導致細胞死亡取決于細胞類型、石墨烯材料種類及劑量。石墨烯量子點進入小鼠胚胎成纖維細胞NIH-3 T3后可以誘導DNA損傷[55]，但是其對人類神經(jīng)干細胞(250 μg·mL-1)并沒有產(chǎn)生明顯的毒性[56]。相同暴露濃度和時間內(nèi)GO使A549細胞的活性降低，使CaCo2結(jié)直腸癌細胞的活性增加[57]。在一定的濃度范圍內(nèi)，GO不會損害A549的細胞形態(tài)、活性以及細胞膜的完整性，但暴露濃度高于50 μg·mL-1時會對A549產(chǎn)生細胞毒性，而GO暴露濃度高于20 μg·mL-1時會對人類成纖維細胞和肺上皮細胞產(chǎn)生細胞毒性[58]。

3 石墨烯及其衍生物生物毒性的影響因素(Influencing factors of biological toxicity of graphene and its derivatives)

3.1 暴露劑量與方式的影響

3.1.1 劑量的影響

石墨烯材料的動物和細胞毒性(如肺、肝和腎損傷、細胞活性的降低和細胞凋亡等)存在劑量依賴效應。有關(guān)GO的小鼠體內(nèi)實驗中，低劑量(0.1 mg)和中劑量(0.25 mg)暴露水平?jīng)]有表現(xiàn)出明顯的毒性，但高劑量(0.4 mg)暴露會出現(xiàn)慢性毒性[59]。以10 mg·kg-1體重的量靜脈注射GO的小鼠肺部出現(xiàn)炎性細胞浸潤、肉芽腫形成和肺水腫等現(xiàn)象，而以1 mg·kg-1體重的量靜脈注射GO的小鼠經(jīng)過1周后會排出GO，并且未觀察到明顯的病理學反應[27]。此外，體外模型研究報道，石墨烯納米帶處理后HeLa細胞和小鼠胚胎成纖維細胞NIH-3 T3的細胞活性下降具有劑量(10～≥400 mg·mL-1)和時間(12～48 h)依賴性[60]。20 μg·mL-1的GO在2 h的暴露時間內(nèi)對A549細胞沒有毒性作用，而較高濃度(85 μg·mL-1)暴露24 h后細胞活性下降50%[61]。

3.1.2 暴露方式的影響

不同的暴露方式影響石墨烯納米材料的組織分布和排泄，氣管滴注的主要沉積器官是肺部，而靜脈注射、腹腔注射和皮下注射由于產(chǎn)生系統(tǒng)炎性，易分布在肝、脾及脂肪等組織。比如氣管滴注的少數(shù)層石墨烯通過機械屏障主要滯留在肺部且4周后滯留率仍為47%[41]。鼻腔吸入的石墨烯納米家族材料(GFN)會轉(zhuǎn)移到肺淋巴結(jié)[42]。靜脈注射的GO通過血液進入循環(huán)系統(tǒng)，滯留在肺、肝、脾等器官，最終通過尿液和糞便排出體外[43]。同樣地，腹腔注射后在小鼠肝臟和脾臟的網(wǎng)狀內(nèi)皮組織發(fā)現(xiàn)大量石墨烯衍生物的積累，而經(jīng)口服的氧化石墨烯衍生物和少數(shù)層石墨烯并沒有被胃腸道積累[30]。

3.2 理化性質(zhì)的影響

3.2.1 尺寸

有關(guān)納米材料的研究證實，尺寸小于100 nm的納米顆粒可以進入細胞，小于40 nm的可以進入細胞核，小于35 nm的可以穿過血腦屏障[48]。石墨烯直徑在100～500 nm之間時，尺寸越小毒性越大，而直徑小于40 nm時尺寸越小毒性越小[53]。另有研究指出，小尺寸(直徑10～30 nm)的GO薄片主要分布在肝臟和脾臟，而大尺寸(10～800 nm)的GO薄片主要積累在肺部；如果GO的尺寸大于血管尺寸，GO通常會在注射部位附近的動脈和毛細血管聚集[62]。人骨髓間充質(zhì)干細胞在低劑量(1.0 mg·mL-1)的直徑為(11±4) nm的rGO暴露1 h后，rGO能進入細胞核引起染色體畸變并產(chǎn)生DNA碎片，而在高劑量(100 mg·mL-1)的直徑為(3.8±0.4) nm的rGO暴露24 h后沒有明顯的基因毒性[63]。與小的石墨烯相比，較大的GO更易吸附到無吞噬作用的質(zhì)膜上，與Toll樣受體相互作用激活NF-κB通路，更易被細胞吸收[50]。氧化石墨的尺寸與其毒性作用總結(jié)如表1。

3.2.2 官能團

石墨烯經(jīng)過聚乙二醇、普朗克尼、羧基和葡聚糖等官能團的功能化處理后，顯著降低了其毒性并使生物相容性增加。體內(nèi)模型結(jié)果顯示，GO經(jīng)聚乙二醇修飾后，可有效減少其引起的急性組織損傷，減少GO在肝、肺、脾中的聚集和滯留，促進GO的清除[29]；皮下注射普朗克尼修飾的GO只表現(xiàn)出輕微的慢性炎癥[64]；在血液中，經(jīng)葡聚糖修飾的GO幾乎消除了溶血性[65]。體外模型表明，在濃度高達100 μg·mL-1的情況下，聚乙二醇修飾的GO并沒有對人類卵巢癌細胞(MCF-7)、結(jié)腸癌細胞(OVCAR-3)和淋巴母細胞(RAJI)等產(chǎn)生細胞毒性[66]。

3.3 器官分布的影響

目前，分布、排泄機制已成為納米材料毒性研究的重要方向，GO會通過干擾重要器官的正常生理功能導致急性炎性反應和慢性損傷，不同器官對石墨烯納米材料的積累和清除作用不同。肺部GO的積累隨著注射劑量和尺寸的增加而增加，但在肝臟中卻是相反趨勢[62]。尾靜脈注射的高劑量GO主要沉積在肺、肝、脾、腎，并且很難被腎清除。在肺部，石墨烯會被肺泡巨噬細胞吞噬通過黏膜纖毛以痰液形式排出，通過氣管滴注后46.2%的少數(shù)層石墨烯會在28 d后通過糞便排出[26]。在肝臟中，納米顆?？赏ㄟ^肝臟-膽管-十二指腸的途徑被清除[67]。最新研究表明，超過200 nm的GO薄片可以被脾物理過濾，而小尺寸的GO薄片可通過腎小管滲透到尿液快速清除，且沒有明顯的毒性[29]。有關(guān)石墨烯納米材料的排泄機制尚不全面，但腎臟和糞便似乎是石墨烯的主要消除途徑。

4 石墨烯及其衍生物的毒理作用機制(The mechanism of biological toxicity of graphene and its derivatives)

4.1 氧化應激

氧化應激是指體內(nèi)氧化與抗氧化作用失衡，即自由基的產(chǎn)生超過了過氧化氫酶、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽氧化酶(GSH)等抗氧化酶水平，對機體產(chǎn)生損傷?；钚匝踝杂苫?ROS)會對細胞產(chǎn)生損傷，造成膜脂質(zhì)分解、DNA碎片、蛋白質(zhì)變性、線粒體功能障礙等，從而影響細胞功能，導致衰老和疾病的發(fā)生[68]。GO與細胞相互作用產(chǎn)生過量的ROS是產(chǎn)生急性肺損傷、炎性反應、細胞凋亡、DNA損傷等的元兇[69]。據(jù)報道，SOD和GSH的活性隨著GO暴露時間和暴露劑量的增加而降低[59]。石墨烯處理細胞后，由ROS介導的MAPK(JNK、ERK、p38)以及TGF-β信號轉(zhuǎn)導通路，以及與凋亡相關(guān)信號(bcl-2、caspase-3)及下游基因PARP等被激活[70]。

表1 氧化石墨烯的毒性作用Table 1 Toxic effect of graphene oxide

注：CCK-8、MTT與WST-8為細胞存活率檢測方法，LDH與HA為細胞損傷檢測方法。

Note: CCK-8, MTT and WST-8 is the method for the detection of cell survival, LDH and HA for the detection of cell damage.

4.2 線粒體損傷

線粒體是細胞的產(chǎn)能中心，對于維持細胞功能具有重要作用，涉及多種信號傳導途徑。線粒體受損通常會導致細胞形態(tài)和功能受損，據(jù)報道，暴露于石墨烯納米材料后會引起線粒體膜電位下降，鈣離子信號通路受阻；GO對線粒體膜電位的影響具有時間、劑量依賴效應[71]。細胞直接暴露于GO會抑制線粒體電子傳遞鏈復合體I、II、III、IV的活性，使線粒體膜發(fā)生去極化，影響ATP的合成[72]。石墨烯納米材料可通過影響細胞線粒體功能引起氧化應激、質(zhì)膜損傷、細胞凋亡和和細胞壞死等。

4.3 DNA損傷

由于GO的體積小、表面積大和表面電荷高，可能會導致染色體斷裂、DNA鏈損傷及點突變、DNA加合物的形成等基因毒性的產(chǎn)生，MAPK、TGF-β、NFκB等信號通路在GO引起染色體分裂、DNA加合物形成和點突變等DNA損傷中起重要作用[53]。以20 mgkg-1的劑量靜脈注射GO的小鼠體內(nèi)發(fā)生基因突變；在不同細胞系中，石墨烯和rGO可以增加染色體損傷基因p53、Rad51、MOGG1-1等的表達，降低細胞周期相關(guān)蛋白CDK2的表達[53]。

4.4 炎性反應

炎性反應是研究最廣泛的一種石墨烯生物毒性，石墨烯納米材料可以通過釋放細胞因子和趨化因子觸發(fā)炎癥反應引起組織損傷。氣管滴注和靜脈注射高劑量的石墨烯納米材料可引起動物明顯的炎癥反應，如炎性細胞浸潤、肺水腫和肉芽腫形成等[42]。而靜脈注射GO后可以直接刺激血小板增加，形成血栓使肺血管阻塞[73]。石墨烯和rGO可以與細胞內(nèi)Toll樣受體(TLRs)結(jié)合，激活NF-κB信號通路引發(fā)炎癥[74]。

4.5 細胞凋亡

石墨烯和氧化石墨烯會對細胞膜產(chǎn)生物理損傷、增加細胞膜的通透性、改變線粒體膜電位，增加ROS的產(chǎn)生，誘發(fā)TGF-β和MAPK信號通路，激活線粒體相關(guān)的caspase-3通路，最終導致細胞凋亡[70]。而低劑量早期rGO的暴露可通過死亡受體和線粒體相關(guān)途徑引發(fā)凋亡[52]。另有研究顯示，不同石墨烯納米材料引發(fā)凋亡有不同的途徑：GO可直接與蛋白受體作用，增加ROS生成，激活bcl-2通路；羧化的GO也直接與蛋白受體作用，激活ROS通路，導致核DNA改變；聚乙烯亞胺修飾的GO通過損傷T淋巴細胞的細胞膜引發(fā)細胞凋亡[75]。

4.6 表觀遺傳

表觀遺傳分子機制包括DNA甲基化、RNA干擾、基因沉默、組蛋白修飾等，DNA甲基化是目前研究最多的表觀遺傳修飾方式。最新研究表明，GO衍生物暴露通過上調(diào)甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT3B基因引起全基因組甲基化[76]。單層石墨烯和少數(shù)層石墨烯引起的全基因組甲基化具有劑量依賴性，不同石墨烯衍生物引起的甲基化水平為：羧化石墨烯>胺化石墨烯>石墨烯[77]。此外，GO可通過激活microRNA-360抑制DNA損傷與凋亡發(fā)生[78]。

總之，大量研究已證實石墨烯納米材料引發(fā)線粒體損傷、DNA損傷、炎性反應和凋亡等主要是通過ROS的產(chǎn)生以及4種傳統(tǒng)信號通路(TLRs、TGF-β、TNF-α 和MAPKs)的調(diào)控發(fā)生的。而表觀遺傳調(diào)控作為新型調(diào)控機制也可能在石墨烯的生物毒性中發(fā)揮重要作用。

5 展望(Prospect)

由于石墨烯納米材料具有獨特的理化性質(zhì)，在能源和環(huán)境等諸多領(lǐng)域得到了應用廣泛，其環(huán)境行為和生物毒性的研究備受關(guān)注。本文通過對石墨烯納米材料的哺乳動物毒性、細胞毒性、毒性影響因素及毒理作用機制研究進行了全面的總結(jié)，為石墨烯材料廣泛應用的生物安全性提供理論指導。本文指出，石墨烯可以通過氣管滴注、吸入、靜脈注射、腹腔注射以及口服等方式進動物體內(nèi)，通過血液-空氣屏障、血腦屏障和血液胎盤屏障等積累在肺、肝、脾等部位引起急性或者慢性損傷。目前有關(guān)石墨烯毒性機制的研究主要集中于線粒體損傷、DNA損傷、炎性反應、凋亡等終點及氧化應激參與的復雜信號通路。不同石墨烯納米材料的濃度、尺寸、表面結(jié)構(gòu)和官能團等對石墨烯的生物毒性影響不同。

雖然，目前有關(guān)石墨烯哺乳動物毒性的研究已在逐步深入，但今后仍需對以下幾個方面的研究進行探討：一方面，納米材料的代謝和排泄是長期過程，目前對納米材料的毒性研究局限于短期毒性評估，石墨烯納米材料在不同組織中的長期積累的毒性是未知的。因此，有必要使用不同的細胞和動物模型對石墨烯納米材料的長期積累和排泄進行研究，以確保石墨烯在哺乳動物以及人類生物醫(yī)學應用中的安全性。其次，石墨烯對生物體的影響主要是通過與生物大分子的相互作用實現(xiàn)的，目前尚缺乏石墨烯與DNA、蛋白質(zhì)、酶等生物大分子相互作用方式和機制的研究。鑒于目前已經(jīng)開展了石墨烯對人和小鼠等哺乳動物的毒性研究，今后石墨烯對植物等其他生物的毒性作用也應成為生物安全性評估的內(nèi)容。

總之，石墨烯的的生物毒性取決于多方面的因素，哺乳動物接觸石墨烯產(chǎn)生健康風險不容忽視，有關(guān)石墨烯的生物安全性研究有待加強。

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