碳量子点的制备、性质及其在药物递送中的应用

曹群，臧慧敏，卢莎，武世奎

（内蒙古医科大学，内蒙古 呼和浩特）

0 引言

近年来，新型药物传递系统（DDSs）研究的兴起，使得药物的疗效得到极大提高，这一现象引起了广大学者的关注[1]。在传统的给药方法中，血药浓度变化迅速，有效血药浓度的维持时间大大减少[2]。DDSs则可以将药物送到特定的位点，并将血药浓度保持在有效范围内。纳米材料的兴起为新型DDSs的设计创造了新的机会[3,4]。碳量子点（CQD）是纳米级别的球形碳纳米材料（直径＜10 nm），具有尺寸小[5,6]、成本低廉和生物相容性好[5]、比表面积大及靶向性等优点。将其应用于药物载体，起效快[7]、疗效高[8]并能作用到靶细胞[9]。随着对于碳量子点的发现及深入研究，它的应用取得了很大的进展[10]。同时，碳量子点的原料来源广泛，制备成本也比较低，在材料制备领域有很大的优势，在医学成像设备[11]、化学传感器[12]、光催化反应[13]等领域中都有较好的应用前景。

传统的量子点的制备原料多含有重金属，制得的产物性能虽好，但由于重金属的毒性，很难将其作为药物载体。而碳量子点所使用的原料则更为绿色安全，因此具有不错的生物相容性，这使得其作为药物载体的应用成为可能。本文将简要介绍碳量子点的合成方法及性质，重点讨论近年碳量子点在药物递送中的研究进展。

1 碳量子点的合成方法

碳量子点的合成方法有数种，可以根据碳源的差异将其简单分类：由大分子量物质为碳源的制备方法多为自上而下法，而由小分子量物质为碳源往往使用的是自下而上法。大分子量碳源主要是碳材料，利用激光，电弧放电或给予电压的手段，将小分子量碳量子点从碳源上剥落下来[14,15][16]。可以作为碳源的小分子量物质种类则丰富的多，只要是含碳丰富的物质均可，例如柠檬酸[17]、葡萄糖[18-21]或者离子液体[22]等。合成方法也相对多样，氧化燃烧[23]、水热/溶剂热[24]、燃烧[25]、微波照射[26]、利用模板剂等方法最为常用。

2 碳量子点的性质

2.1 光学性质

碳量子点能应用于生物领域，很大程度上得益于其独特的光学性质。胞吞使碳量子点进入到细胞内，而它的荧光性能则能起到标识细胞的作用[27]。其光致发光性可用于痕量检测[28]。在生物传感应用领域，化学发光现象被广泛应用，而有研究证明碳量子点可以使得复合材料的化学发光性能增强[29-31]。碳量子点的上转换发光性也是其大受瞩目的性质，这一性质可能与多光子吸收有关，并有希望应用于双光子荧光显微镜进行细胞成像[32]。这些光学性质也丰富了碳量子点在药物递送方面的应用。

2.2 生物相容性

半导体量子点的毒性使得其在生物领域的应用受到限制，而碳量子点生物相容性高、毒性低，正好满足应用要求。SL D’Souza等[33]以万古霉素为前体制备荧光碳量子点。制得的CQD具有良好的水溶性，量子产量为6.47%。而且，制得的碳量子点对于MCF-7（人类乳腺癌）和SH-SY5Y（人类神经母细胞瘤）细胞具有生物相容性，生存率为75%。Y Yuan 等[34]以牛乳为原料，采用水热法合成CQD，工艺简单、环保。DOX （Doxorubicin）通过与CQD表面官能团的静电相互作用与之结合，得到的CQD-DOX复合物表现出依赖于PH的DOX释放行为。细胞毒性研究表明，CQD在使用的浓度范围内是无毒的。而且，与单独给药相比，CQD-DOX复合物对腺样囊性癌细胞系（acc2）具有更大的破坏作用，但对正常细胞毒性较低。共聚焦显微镜和流式细胞术证实，相较于单独给药，CQDDOX复合物可以提高癌症治疗效率，并诱导acc2细胞的凋亡。

3 碳量子点作为药物载体的应用

3.1 碳量子点直接作物为药物载体

CQD上的天然羧基和DOX分子上的胺基实现了CQD与抗癌药物DOX的非共价键结合，并利用肿瘤细胞与正常细胞之间的pH值差异作为DOX释放的触发机制[35]。Z Wang等[36]制备的碳量子点，平均尺寸为2.5 nm，溶解性、稳定性和荧光性好。并能起到缓释的作用，可作为高效的药物载体用于对抗癌细胞。同样的，还有研究者将山梨糖醇和阿拉伯树胶作为碳源合成碳量子点，用于DOX[37,38]与环丙沙星[39]的载药。

降压药物赖诺普利通过其表面的氨基和羟基基团与CQD的多个官能团之间的键合成功地负载在CQD的表面上。Mehta等[40]以巴氏灭菌牛奶为碳源，通过水热法在170°C下加热12 h合成高发光碳量子点，通过赖诺普利在CQD表面的自组装得到载有赖诺普利的CQD。该复合物根据PH不同，有着不同的控释效果，被HeLa细胞摄取后也没有表现出明显的细胞毒性。CQD还可以通过氢键与丝裂霉素相互作用，起到药物载体的作用[41]。还有研究报道了碳量子点与核酸的结合，能将药物靶向至核仁处[42]。GQD与逆转录酶抑制剂结合后，其抗HIV活性较其他纳米粒子有明显优势[43]。通过控制CQD的表面电荷范围也能得到核仁靶向的效果[44]。将蓖麻毒蛋白A链偶联至具有高尔基靶向能力的CQD上，构建的递送系统可以使其更好发挥作用[45]。

3.2 表面功能化碳量子点的载药

经表面修饰的碳量子点，其性能会有显著提升。使用聚乙二醇（PEG）对碳量子点进行表面修饰，可以实现荧光发射强度的增加[46]与量子产率的提高[47]。Zheng Wei[48]等用聚乙二醇修饰石墨烯量子点并负载Pt，合成的聚乙二醇-石墨烯量子点-Pt（GPt）对肿瘤生长具有强烈的抑制作用；Mingliang Pei[49]用PEG改性的荧光CQD对DOX的载药率高达67.2%。氨水处理也可得到荧光量子产率增加的氨基化碳量子点[50]；用烷基胺对发射蓝光的碳量子点进行类似处理，能得到绿色荧光产物[51]。Roxana Jijie等[52]制备了一种胺基功能化的碳量子点（CQDs-NH2）并将其作为载体，用于氨苄西林的载药。这种载体具有可见光触发的性质；与游离药物相比，其在溶液中的稳定性有所改善，且保留了CQDs-NH2的内在治疗特性。

3.3 碳量子点复合物的载药

3.3.1 化学掺杂碳量子点的载药

杂环原子的掺杂可以有效调控碳量子点的特性和表面化学性质。其中，氮原子被广泛应用于纳米材料的化学掺杂[38,53-57]。氮原子的掺杂能极大的改变其电学特性，并能提供更多的活性位点以表现出更加独特的性质。最显著的性质就是量子产率的增加与荧光性能的增强[55]。Ming Zhang等[58]所合成的N-P掺杂CQD有明亮的蓝色荧光，对金属离子、盐水溶液和高离子强度环境的干扰具有很强的抵抗力，可作为肿瘤细胞生物成像和药物递送材料。化学掺杂的碳量子点在靶向药物传送方面的应用也有报道[59,60]。

3.3.2 金属离子复合碳量子点的载药

碳量子点与金属离子复合物在碳量子点优势的基础上增加了磁性，使得其在药物靶向方面更具优势[61]。铜和硫掺杂碳量子点光热转换率高，稳定性强，可以选择性地靶向肿瘤组织[62]。将过渡金属离子Gd3+、Mn2+、Eu3+与碳量子点组合，制备得到磁荧光碳量子点，与 DOX结合制备的纳米复合材料对HeLa细胞的细胞毒性明显高于游离DOX[63]。Mei-Ling Chen等[64]将填充有Fe3O4的纳米材料与CQD结合，得到有靶向和磁成像能力的颗粒。Fe3O4能提高协同靶向效率并保护颗粒不发生团聚，增强其化学稳定性与载药能力，还能避免磁纳米晶体引起的量子点荧光猝灭。

3.3.3 水凝胶纳米复合物的载药

水凝胶具有多孔的分子结构，通过物理或化学方法交联产生[65]。有其中水溶性羧甲基纤维素（CMC）常用于水凝胶的制备，具有良好的生物相容性，易降解[66-68]。将带正电荷的CQD与带负电荷的生物表面活性剂通过静电相互作用可构建水凝胶。可生物降解的量子点纳米复合水凝胶薄膜，能够作为抗癌药物DOX的载体[34]。增加生物表面活性剂的浓度并添加三肽，可得到具有高度光致发光的水凝胶[69]，有些PH依赖的水凝胶甚至可以用于特定部位的药物递送[70-72]。Li W等[73]利用荧光交联碳量子点（CCQDs）合成了一种新型的两性多官能团纳米凝胶药物载体，该载体是一种新型的氨基酸衍生的两性离子单体。在这个载体结构中，引入CCQDs作为交联剂则可以实时跟踪和定位纳米凝胶。重要的是，细胞摄取实验表明叶酸偶联的纳米凝胶可以被叶酸受体过表达的癌细胞特异性地内化，这使这种多功能纳米凝胶在癌症治疗中的靶向性和与荧光成像成为可能。

3.4 修饰后的碳量子点作为药物载体

透明质酸（HA）可实现靶向药物释放并有提高稳定性的作用[74,75]。Junfeng Fang等[76]设计了一种HA修饰的碳量子点，这种中空介孔碳纳米粒子被用来包封DOX。表面修饰的HA能实现药物的癌细胞靶向，碳量子点的光热转换性能还能起到光热治疗的作用，双重效果加强了肿瘤细胞的抑制。结果所制备的CQD对阿霉素载药率达410mg/g，毒性可忽略不计，能完全抑制肿瘤生长。

癌细胞对叶酸的需求极大，这使得叶酸受体在癌细胞表面过度表达，所以叶酸修饰的载体表现出明显的癌细胞靶向性[77]。叶酸修饰的N掺杂碳量子点可被选择性内吞，自噬空泡破坏后释放的FNCQD激活内在和外在的凋亡信号通路，并有效杀死肿瘤细胞[78]；修饰过的碳量子点还可以作为细胞传感器选择性靶向MKN 45细胞[79]。Zhang Y等[80]的研究描述了一种新型的、通用的氧化还原反应控制药物释放纳米载体，该载体采用定制的荧光CQD检测介孔碳纳米颗粒。用二硫化基对载体进行修饰后，该系统对胞内谷胱甘肽敏感。通过静电相互作用将CQD固定在载体的表面，从而防止装载在载体通道内的DOX泄漏。荧光CQD既是开关，也是可视化药物传递过程的荧光探针。还有研究者将不同蛋白装载到碳量子点上，根据CQD光谱来确定蛋白质载体偶联物的组成[81]。这种新方法成功地测定了碳量子点对于不同蛋白质的包封率和载药率，可以解决目前药物输送系统的量化所面临的问题。

4 展望

以量子点为平台建立具有成像、靶向和治疗一体化的多功能给药体系是目前纳米给药载体的又一研究热点。通过碳量子点的功能化、靶向修饰和‘开关’功能，实现药物的靶向与控释。碳量子点的核仁靶向性对于肿瘤的治疗也有独特优势。同时，其荧光特性对于生物成像方面的贡献也是不可忽视的。总的来说，碳量子点作为药物载体与荧光标记的优点逐渐显现出来，相信其有着极大的应用前景。