KwaZulu-Natal大学Preez博士：石墨烯基纳米材料的生物医学应用，以及对人体健康和环境的潜在风险

研究背景

石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维材料，以其卓越的物理化学性质而备受关注，在生物医学、农业、食品等领域展现出广泛的应用前景。石墨烯基纳米材料（GBNs）因其尺寸小、表面积大和靶向性而表现出独特的生物医学特性。然而，随着石墨烯材料（GBMs）生产成本的逐渐降低，其使用规模在不断扩大，曝露在空气、水体、土壤中的累积量也日渐增多，其生物安全性问题也引起了人们的关注。尽管石墨烯及其衍生物在医疗诊断、药物传递、抗菌治疗等方面展现出巨大潜力，但它们可能引起的人体氧化应激、细胞损伤、炎症反应等健康风险也不容忽视。此外，GBMs在环境中的生物降解过程也需要引起重视，这直接关系到它们的环境安全性。来自夸祖鲁·纳塔尔大学的研究人员通过综述GBMs的理化特性、生物毒性以及环境和健康风险，旨在为评估GBMs在工程应用中的潜在风险提供一个全面的视角，并呼吁进行深入研究以确保GBMs应用的生物安全性。

原文信息

du Preez HN, Halma M. Graphene-based Nanomaterials: Uses, Environmental Fate, and Human Health Hazards. Nano Biomedicine and Engineering, 2024, 16(2): 219-231.

研究摘要

Abstract

Graphene-based materials (GBMs) possess remarkable physiochemical properties, making them promising for diverse applications in biomedicine, agriculture, food, and industrial applications. Human and environmental exposure to GBMs is increasing at an unprecedented rate, yet there is still a knowledge gap regarding the safety of GBMs. This review summarizes the physiochemical properties of GBMs and critically examines the possible effects of GBMs, both at the level of molecular mechanism and at the level of the organism. While oxidative stress-mediated cell damage has been proposed as a primary cytotoxicity mechanism for GBMs, various in vivo biodistribution and cytotoxicity mechanisms are also highlighted. This review of the literature provides an overview of the cytotoxicity of GBMs, raising concerns about their widespread application with potential hazardous consequences on the environment and in human health.

摘要

石墨烯基材料（GBMs）因其卓越的理化特性而在生物医学、农业、食品和工业应用中展现出巨大的潜力。虽然石墨烯纳米材料具有相对良好的生物相容性，但仍表现出一定的生物毒性，其广泛应用对人体和环境均存在一定的隐患。本文综述总结了GBMs的理化特性，并在分子机制和生物体水平上分别探讨了GBMs可能产生的影响。虽然氧化应激介导的细胞损伤已被认为是GBMs的主要细胞毒性机制，但本文同时也强调了其在生物体内的免疫毒性，以及在环境中与其他环境污染物产生的联合毒性作用。本文提供了关于GBMs生物毒性的概览，并重点关注了它们对环境和人类健康产生的潜在威胁。

研究结论

(1) 石墨烯及衍生纳米材料对生物系统影响已通过体外细胞和动物模型进行了研究，但其在人体内的长期效应仍未明确。

(2) 纳米粒子疗法在癌症治疗领域的商业化显著，但由于其毒性机制尚不明确，临床转化应用比例尚不足10%。GBNs作为纳米佐剂和药物递送载体，主要用于临床前研究。

(3) GBMs的生物风险包括细胞毒性、免疫毒性，以及在环境中与其他环境污染物产生的联合毒性，可在使用前对上述风险进行合理评估，减小GBMs的危害。

(4) H₂O₂、NO、过氧化物酶等均可实现GBMs的降解，可用于处理环境中的GBMs污染，减小GBMs的生物风险。