CNTs在生物医学领域的应用 

CNTs的完美石墨结构赋予了其多种优异特性，使其成为一种极具潜力的生物医学应用材料。特别是在疾病的诊断和治疗领域，应用前景广阔。

基因与药物输送

目前，基于碳纳米管（CNTs）构建的递送药物系统的研究数量众多，主要集中在抗肿瘤药物的开发上。这些递药系统通常遵循两种策略：首先是选择性靶向，通过特定的配体进行功能化，以实现靶向药物递送；其次是针对肿瘤微环境的可控释放。这种方法能够使药物主要集中在肿瘤部位，从而减少对正常组织的毒副作用，提高药物的安全性和有效性。通过受体介导的靶向治疗和针对肿瘤内部微环境的可控释放等治疗策略，能够促进药物在特定细胞内的聚集，从而提高病变区域的药物浓度，减少用药剂量，并降低对其他正常组织和细胞可能产生的毒副作用。

癌症的放射治疗

CNTs的特性使其可以作为一种危害性较小的材料应用于临床治疗研究。例如，在近红外线照射下，CNTs展现出良好的热特性，能够用于疾病的诊断和治疗。相关的体内研究显示，SWCNTs联合放射治疗能够显著缩小肿瘤体积，并且其复发率相比其他治疗方法显著降低。此外，SWCNTs主要集中在肿瘤、肝脏和肾脏，对正常组织和细胞造成的毒副作用相对较小。

药物与光热联合疗法

结合碳纳米管（CNTs）的结构特性，合理地对其进行靶向修饰并加载抗肿瘤药物，以便实现靶向作用，使其能够特异性聚集于肿瘤细胞周边。随后，通过近红外激光照射肿瘤区域，利用激光辐射结合CNTs的光学特性，肿瘤部位会对入射光产生显著的吸收效应，最终将吸收的光能迅速转化为热能，导致肿瘤局部温度快速升高，从而引起肿瘤细胞的蛋白质变性并最终致使细胞死亡。

生物医学影像学

生物医学成像结合了多种科学领域的方法，是一种新兴技术，能够为细胞、组织、器官或整个机体的动态提供高分辨率成像。碳纳米管（CNTs）因其独特的结构和物理特性，可以利用 多种成像手段进行功能分析和环境响应的优化，甚至可以通过成像技术直接检测活细胞中CNTs的分布情况。

此外，利用碳纳米管（CNTs）作为基础，还能够开发出多种有效的多功能体系作为生物医学成像剂。例如，通过对CNTs进行修饰或引入其他结构元素，比如在CNTs上添加不同类型的金纳米颗粒、量子点、氧化铁纳米颗粒以及PET成像纳米探针等，可以增强荧光强度，从而提升CNTs的性能和应用范围，进而提高成像的有效性。这也为研究CNTs的行为提供了新的方法和视角。

CNT的毒性与生物安全性

然而，碳纳米管的生物安全性问题仍是其进一步发展的一个重要挑战。为了使碳纳米管（CNTs）能够更广泛地应用于生物医药领域，并最终实现临床应用，必须深入了解它们的生物学特性，尤其要确保CNTs具备良好的生物安全性和环境友好性。然而，与其他化学物质不同，CNTs的结构和纯度并不总是明确，这使得它们与生物环境之间的相互作用相对复杂，甚至难以预测。

研究表明，碳纳米管（CNTs）对正常组织和细胞存在一定的毒性。不同的制备方法、纯度、聚集状态、表面化学成分、氧化程度、官能团，以及应用剂量和浓度等因素也可能导致碳纳米管表现出一定的毒性，这限制了其在生物医药领域的进一步应用。

CNTs的毒性受制备方法和纯度的影响

CNTs的毒性机制和起源仍未得到充分阐明，目前观测到的毒性作用很可能与CNTs的纯化程度低有关。CNTs表现出一定的毒性，最简单和直接的原因可能是残留的大量金属催化剂，例如Ni/Co、Fe等金属催化剂中含有的Ni、Co和Fe等元素。这些元素在细胞环境中能够产生活性氧（ROS），而ROS会引发炎症反应，包括线粒体膜降解、炎症生物标志物的增加和抗氧化剂的耗竭，从而显著降低细胞的活力。

聚集状态对碳纳米管毒性的影响

当碳纳米管处于聚集状态时，会使纳米管的聚合体变得更大、更坚固，从而引发更高的相对毒性。研究表明，即使是在相同浓度下，不同聚集态的单壁碳纳米管（SWCNTs）对细胞的毒性表现也各有不同，而其毒性会随着SWCNTs聚集程度的增加而加重。体内研究还发现，高度聚集的多壁碳纳米管（MWCNTs）会在肺部和肝脏等重要器官中严重积累，进而引发一系列炎症反应。

增溶剂对碳 nanotubes（CNTs）毒性的影响

由于CNTs之间的相互作用非常强，容易形成纳米管束，因此需要使用特定的试剂来提高纳米管在水相中的分散性。然而，研究表明，溶解在天然分散剂中的单壁碳纳米管（SWCNTs）对原核细胞和真核细胞的毒性明显大于未经过处理的SWCNTs。

CNTs的长度和功能基团对其毒性影响的研究

与CNTs的弥散凝聚态类似，其长度和功能化在一定程度上会影响CNTs的细胞毒性。根据不同的合成方法，CNTs的长度可以变化在纳米到毫米之间，因此其细胞毒性也因长度的不同而存在差异。

研究表明，当纳米管的长度超过巨噬细胞的长度时，CNTs将无法被巨噬细胞完全吞噬，这可能导致系统无法及时清除这些物质，从而引发一系列炎症反应。对于未经过功能化处理的CNTs，较短的CNTs相较于较长的CNTs显示出更高的毒性。然而，在经过功能化处理后，较短的CNTs在水溶性和生物相容性等方面都有了显著提高，更容易被细胞吸收，并表现出相对较低的细胞毒性。

CNTs的功能化修饰

通过功能化修饰后，CNTs的生理溶解性和生物相容性都得到了改善，为其在药物研究领域的应用发展奠定了基础。目前，CNTs的功能化修饰主要分为两种类型：共价修饰和非共价修饰。

• 共价修饰主要是利用CNTs表面的特性，通过氧化、环加成、酰胺化等反应，在其表面形成化学键，以连接功能化修饰基团。

• 非共价键主要通过分子间的π-π堆积和范德华力等方式来增强碳纳米管（CNTs）的分散性，从而防止其聚合。

这两种修饰提升了碳纳米管（CNTs）在稳定性和生物相容性方面的表现。考虑到CNTs的结构特点，许多研究者将其视为理想的基因和药物输送系统进行开发。此外，若在CNTs表面负载或在其空心管内填充磁性元素和化合物，就能形成磁性碳纳米管复合材料，这在磁共振成像等领域展现出良好的发展前景。

此外，通过共价结合的方式对碳纳米管（CNTs）进行功能化修饰，可以改善其作为抗肿瘤药物的治疗效果。另一方面，某些分子（如芳香烃）虽然无法与CNTs形成共价键，但可以通过强烈的非共价键附着在CNTs上。CNTs的非共价功能化修饰已在基因和药物递送领域得到了应用，许多成功的碳纳米管基因药物均是通过非共价相互作用开发而成。目前，研究者们已经开发出以CNTs为载体，能够高效、特异性递送si RNA、基因和DNA等多种生物分子的非病毒基因递送系统。