我们如何减少碳纳米管的毒性？安全应用的策略

为了减少碳纳米管（CNT）的毒性，您必须解决其不良生物效应的三个主要来源：制造过程中的金属杂质、它们的物理形状和尺寸，以及它们的表面化学性质。最有效的策略包括生产后的纯化以去除金属催化剂和表面功能化以提高其溶解度并改变它们与细胞的相互作用方式。

核心问题在于，CNT 的毒性不是单一的、固定的属性，而是其物理和化学特性的复杂结果。因此，使 CNT 更安全并不是要找到一个单一的“修复”方法，而是要系统地控制杂质、形状和表面特性，以符合特定的生物学或环境背景。

CNT 毒性的来源：不仅仅是碳

了解碳纳米管为何可能具有毒性是减轻风险的第一步。毒性很少由碳晶格本身引起，而是由相关的杂质和物理特性引起的。

生产 CNT 的主要方法——化学气相沉积（CVD）——依赖于金属纳米颗粒（例如铁、镍、钴）作为催化剂。

不可避免地，一些这些金属杂质会残留在最终的 CNT 材料中。这些残留的金属可能会浸出并产生活性氧物质（ROS），导致氧化应激和细胞损伤。

CNT 的物理形态是决定其毒性的主要因素。长、直、刚性的多壁碳纳米管的行为可能像石棉纤维。

如果被吸入，这些结构太大，无法被身体的巨噬细胞吞噬和清除，从而导致慢性炎症和对肺部等组织的物理损伤。这被称为受挫的吞噬作用。

原始的、未改性的 CNT 是高度疏水（排斥水）的。因此，它们倾向于在生物液体中聚集形成大的聚集体。

这些聚集体会导致生物通路阻塞，并产生高浓度的局部区域，从而放大其毒性作用。它们的原始表面也可能引发免疫反应。

基于毒性来源，需要采取多步骤方法来设计更安全的 CNT。

最关键的第一步是去除合成过程中残留的金属杂质。这通常通过强力的纯化方法来实现。

常用技术包括气相氧化以烧掉无定形碳和液相酸洗（使用硝酸或硫酸）以溶解和去除金属颗粒。

这是减少 CNT 毒性最强大的策略。功能化涉及将新的分子或官能团化学连接到 CNT 的表面。

共价添加羧基（-COOH）或羟基（-OH）等基团可以使 CNT 具有亲水性（水溶性）。这极大地减少了聚集，改善了在生物系统中的分散性，使它们更“隐蔽”，更不容易引发强烈的免疫反应。

控制 CNT 的长度是另一种有效的策略。较短的 CNT 通常毒性较低，因为它们足够小，免疫细胞可以将其清除出体外。

长度可以通过合成过程或通过诸如超声处理之类的后处理步骤来控制，超声处理可以将较长的管子打断成较小的片段。

降低毒性并非没有代价，了解其中涉及的妥协至关重要。

虽然是必要的，但强酸处理等强力纯化方法可能会在 CNT 的碳晶格中引入缺陷。

这种损害可能会对最初使 CNT 具有吸引力的特性——例如导电性或机械强度——产生负面影响。

表面功能化从根本上改变了 CNT 的表面。这种改善生物相容性的变化也会破坏碳结构的离域 $\pi$ 电子系统。

因此，功能化几乎总是会降低导电性。在最大化生物相容性和保持 CNT 的原始电子特性之间存在直接的权衡。

先进的纯化和功能化增加了 CNT 生产的成本和复杂性。

在工业规模上获得一致、特性良好且低毒性的 CNT 仍然是一个重大的工程和财务挑战，限制了它们在许多潜在应用中的使用。

降低毒性的适当策略完全取决于预期用途。

如果您的主要重点是生物医学应用（例如，药物输送、成像）： 优先考虑多步纯化和使用聚乙二醇（PEG）等生物相容性分子的表面功能化，以确保在体内的最大安全性和稳定性。
如果您的主要重点是材料增强（例如，复合材料）： 重点是将 CNT 安全地嵌入基体材料（如聚合物）中，以防止它们被吸入空气中，并最大限度地减少工人接触和最终的环境释放。
如果您的主要重点是电子产品： 尽可能使用最温和的纯化方法来保持导电性，并探索非共价功能化，这种方法可以包裹 CNT 而不破坏其结构。

最终，主动管理碳纳米管的物理化学性质是安全释放其变革潜力的关键。