石墨烯生物毒性的计算机模拟研究进展
摘要：石墨烯（graphene）是一种独特的二维碳纳米材料，GO（Graphene oxide，氧化石墨烯)是其氧化产物，两者都具有优异的光学、电学、力学特性，在许多领域引起了极大的兴趣。但同时也引发了人们对于其生物安全性的关注。在这篇综述中，我们总结了一些关于这个重要主题的最新计算机模拟研究。详细讨论了石墨烯和氧化石墨烯与蛋白质、DNA、细胞膜的分子相互作用。实验和理论方法证明，石墨烯和氧化石墨烯均有潜在的细胞毒性，能破坏蛋白质、细胞膜和DNA的结构。
关键词：石墨烯、氧化石墨烯、分子动力学模拟、毒性
一、文献综述
近年来，随着纳米技术的发展，越来越多的纳米产品开始进入人们的日常生活。纳米粒子由于其独特的物理化学性质被广泛用于多个领域，例如在生物医学领域，纳米粒子可用于医学成像、诊断、药物的靶向运输以及癌症的同步诊断和治疗等[1]。纳米粒子在一维尺度上长度小于100nm，尺寸很小，容易进入人体，与体内的生物大分子结合从而可能对人体产生毒性，然而对纳米粒子可能的毒性作用还缺乏深入的研究。
石墨烯是一种由碳原子以spsup2;杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。其厚度仅为0.35nm，是世界上最薄的二维材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料[2-3]。氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，经过氧化处理后，氧化石墨仍保持石墨的层状结构，但在每一层的石墨烯单片上引入了许多氧基功能团。这些氧基功能团的引入使得单一的石墨烯结构变得非常复杂。这类物质粒径很小，容易进入生物体，与组织、细胞、细胞器和蛋白质等生物大分子相互作用，导致组织或细胞的功能紊乱[4]。近年来，通过计算机模拟的方法蛋白质、核酸(如DNA)和细胞膜与纳米材料特别是石墨纳米材料之间的相互作用得到了广泛的研究。
1.石墨烯与细胞膜的相互作用：
纳米材料要进入细胞，首先接触到细胞膜。细胞膜的主要作用便是保护细胞免受周围环境的破坏。所以研究石墨烯和氧化石墨烯对细胞膜的毒性格外重要。早期实验组观察到石墨烯的抗菌现象， 认为锋利的侧边可能会以类似于刀片的方式插入、切割细胞膜[5-6]。
而涂育松等人发现原始石墨烯和氧化石墨烯纳米片能诱导大肠杆菌内外细胞膜的降解，降低其生存能力。图1显示出了在不同时间石墨烯与脂质分子的相对位置。可观察到三种不同的运动模式：游离、插入和抽取。在游离模式中， 石墨烯纳米片层绕着受约束位置自由转动， 持续了一段时间后， 尾端会贴在双层脂膜上， 从而进入快速插入模式; 石墨烯纳米片层的尾端一旦开始插入脂膜里面， 仅仅几纳秒后， 石墨烯纳米片便快速插入到脂膜里面，随后一些脂质被拉到石墨烯表面，从而破坏了细胞膜的完整性[7]。氧化石墨烯虽然分布着大量的亲水氧化基团，但由于其氧化基团高关联分布使得有大量未氧化部位，所以仍具有类似的破坏细胞膜的能力。
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