内嵌金属富勒烯在生物医药中的应用
作者：鄂义峰 丁杨栋 方芳 刘佳川
【关键词】 内嵌
摘要：论述了近几年来内嵌金属富勒烯的合成、分离和提纯方法，阐述了其在生物医药领域的应用前景。
关键词：金属富勒烯；生物医药
1991年第一个宏观量的嵌金属富勒烯La@C82作为一种稳定的化合物也被制备出来［1］,从此掀起了内嵌金属富勒烯的研究热潮［2］，内嵌金属富勒烯也就成为国际上富勒烯化学研究的热点课题之一。内嵌金属富勒烯有许多优异的物理和化学性质，这使得它们有可能成为超导、有机铁磁体、非线性光学材料、功能分子器件、核磁造影剂、生物示踪剂等新型材料，它的研究成果对于学、电磁学、光学和药学将产生重大影响。内嵌金属富勒烯可以用激光法［3］、电弧法［4］、离子注入法［5］几种方法合成。最近几年, 许多内嵌金属富勒烯及其同分异构体已被分离纯化出来, 使得它们的结构性质、物理化学性质的研究成为可能。
基于内嵌金属富勒烯的某些奇特性质, 预计它在新材料、催化、医药方面有广阔的应用前景。但由于产率低，分离困难，目前还很难大量得到内嵌金属富勒烯的纯品，因此对其应用的研究还处于起步阶段。将磁性原子包入碳笼形成的内嵌金属富勒烯有可能是一种新型的半导体或超导体；包入具有荧光或其它光学性质的原子，有可能在光学上发挥一定的作用；包入放射性的物质有可能使内嵌金属富勒烯具有放射性；如果内嵌金属富勒烯被破坏，碳被燃烧后生成的氧化物与原来的氧化物有不同的性质，可以成为一种制备氧化物的新方法。此外，碳笼还可以形成管子或“纳米铅笔”，用来记录数据和划线，不仅可以在很小的地方记录大量的数据，还可以在极小的芯片上划出导电的线。目前较多的应用研究主要集中在以下几个方面：
1 内嵌金属富勒烯在医学技术上的应用
La系金属的内嵌金属富勒烯在MRI技术上得以应用主要有两个方面的原因［6］。其一是利用La系金属原子的特点，如某些三价La离子具有磁性，可用于NMR检测。其二是内嵌金属富勒烯本身的特殊结构决定的。内嵌金属富勒烯将金属原子包入它全碳的笼状结构中，可以使金属原子以一种全新的状态进入体内。实验结果表明，内嵌金属富勒烯有可能成为新的诊断和放射性药物和新的MRI对比试剂。
Shinohara［7］和Cagle［8］等人首先提出内嵌金属富勒烯可以用于做MRI诊断中对比试剂。Gd内嵌金属富勒烯与传统的MRI对比试剂Gd螯合物相比有更为突出的优点：①顺磁性Gd内嵌金属富勒烯更为有效地提高驰豫能力；②全碳的笼保护Gd金属离子不会与外界发生化学反应，因而避免了裸露的Gd3+的毒性。
Cagle与Kato［9］等分别报导了Gd@C82 (OH)x的合成，并测定其驰豫率为通常对比试剂的5~10倍。图1是它做对比试剂与临床上用的GdDTPA做对比试剂成像的效果图。在组织内外的实验均表明，Gd@C82(OH)x作对比试剂水质子的驰豫率R1比GdDTPA做对比试剂的驰豫率高出20倍，这使得其在很低的浓度时就可以呈现更清晰的图象。Gd@C82(OH)40作为高效无毒的显影剂具有其它显影剂无法比较的优势，如能实现化生产，势将取代现临床所用的常规GdDTPA显影剂。Gd@C82(OH)40将磁共振成像效率提高20倍，可能引发磁共振显影技术的革命，使其成为临床上不可缺少的设备。而高效生物器官定向显影剂的开发将引发磁共振成像技术的第二次革命。
内嵌金属富勒烯另一个重要应用是用作放射性示踪剂和放射性药物［10］ 。现在的放射性药物是放射性金属的特殊螯合物，其螯合配体保护着有毒的金属离子。这些螯合物是热力学稳定的，但它们常是动力学不稳定的，可以放出少量的金属有毒离子。而内嵌金属富勒烯既是热力学稳定的，又是动力学稳定的，并且内嵌金属富勒烯的大的表面积为衍生物的制备提供了一个大的空间，有可能制备出具有组织针对性的化合物。另外, 放射性金属一旦进入富勒烯笼内,溶解将变得很方便, 在医学上可提高放射性治疗的效果并减少副作用，同时减少放射性金属对健康细胞的危害。
3 用内嵌金属富勒烯填充碳纳米管制备生物传感器
如同在空心富勒烯内部填充金属原子形成内嵌金属富勒烯一样，在空心的纳米管内部同样可以填充原子或分子。利用碳纳米管的一维限域效应，可以将空心富勒烯河内嵌金属富勒烯潜入碳纳米管中形成一维链（图2），这种豆荚型（peapod）碳纳米管的嘴小管径约10.5埃，而且潜入物在碳纳米管中的不同位置有不同的吸附构型，它们可以显著改变纳米管的性质。利用这种性质可以制备微小的生物传感器。
笼内金属富勒烯的发现，为化学、物、材料学等学科开辟了崭新的研究领域，尤其是其分子结构的“超级原子”模型 (中间是带正的金属离子、周围是带负电子的富勒烯碳笼)，超越了常规的化学键概念，树立了超分子化学体系的典范：金属在碳笼内，处于非常特殊的环境之中，其电子结构不同于正常状态，并以特殊方式影响富勒烯球面上的电子结构，两者形成互相作用，互相影响的有机整体。随着其产量的不断增加以及研究的不断深入，其将对生物医药领域的产生重大的影响。
1 Sun D， Liu Z， Guo X， et al. J. Phys. Chem， 1997, 101, 3927～3930.
2 Nagase S， Kobayashi K， Akasaka T， et al. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1996, 69, 2131 ～ 2142.
3 Chai Y， Guo T， Jin C，et al. J. Am. Chem, 1991, 95, 7564.
4 Shinohara H, Takata M, Sakata M, et al. Materi.Sci.Forum, 1996, 232, 207.
5 Wan Z, Christian J, Basir Y, et al. Chem. Phys, 1993, 99, 5858.
6 Lon J, Wilson. The Electrochemical Society Interface,1999,24~28.
7 Shinohara H, Yagi K, Nakamura. Japanese Patent, 1996, No 143478.
8 Cagle D.W, Alford J. M, Tien J, et al. J. Fullerenes 1997,vol 4,pp 361~388.
9 Mikawa M, Kato H, Okumura M, et al. Bioconjugate Chem, 2001,12,510.
10 Dubois D, Kadish K.M, Flanagan S, et al. J. Am. Chem. Soc, 1991, 113, 7773.
