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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。
这是一个关于氧化石墨烯的相关研究汇总，仅供参考，内容引自微信公众号卡卡西农场，更多内容请关注公众号。
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。
这是一个关于氧化石墨烯的相关研究汇总，仅供参考，内容引自微信公众号卡卡西农场，更多内容请关注公众号。
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