产业技术综合研究所【会长：中钵良二】（以下简称“AIST”）纳米管实用研究中心【研究中心主任：畠健二】CNT评估组首席研究员：张敏芳，研究组组长：冈崎利也（兼）研究中心副主任，与日本瑞翁株式会社（以下简称“瑞翁”）合作近红外吸收测量方法碳纳米管 (CNT)的数量进入细胞超级成长法产生的单壁碳纳米管 (SGCNT) 数量的变化随着时间的推移，研究人员发现 SGCNT 是可生物降解的。此外，发生活性氧变化的结果随着时间的推移，SGCNT 被生物降解时，产生的活性氧量减少，对细胞的毒性也降低。
该测量技术不仅为碳纳米管的安全管理提供了一种新的定量测量方法，也为目前正在产业化的单壁碳纳米管的安全性提供了重要知识，有望为碳纳米管产业的发展做出贡献。
该技术的详细信息将于2017年9月12日至15日在京都大学举行的第53届富勒烯、纳米管和石墨烯综合研讨会上公布。
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| 免疫细胞内碳纳米管生物降解的概念图 |
碳纳米管表现出优异的热学、电学和机械性能，并且是化学性质极其稳定的材料，因此有望在从电子到医学的广泛领域为社会带来巨大利益。目前，碳纳米管的产业化在全球范围内进展迅速，产品种类繁多，包括锂离子电池电极、移动信息终端触摸屏用透明导电薄膜、大规模集成电路内嵌的非易失性存储器、导热材料等。
另一方面，随着碳纳米管产业的创建，人们担心碳纳米管可能会暴露在环境中，被动物或人类吸收，并在免疫系统中积累，从而对健康产生有害影响。尽管据说碳纳米管的急性毒性较低，但澄清其长期安全性很重要。特别是，在讨论碳纳米管的长期安全性时，阐明碳纳米管的生物降解特性是一个重要问题。关于碳纳米管的生物降解性能，目前已有多个研究报告，但大多是定性讨论，具体细节尚不清楚。
产业技术研究院正在开发大量CNT合成技术、结构分离技术、功能性复合材料生产等基础技术，旨在打造CNT产业。特别是，经过产学研和 Zeon 10 多年的共同研究，SGCNT 的量产工厂于 2015 年竣工（AIST 新闻公告 2015 年 11 月 4 日)，日本作为世界领先的纳米技术而备受关注。我们还重点开发了CNT安全评估技术（AIST 新闻公告 2017 年 2 月 15 日）。
这次，我们利用碳纳米管在近红外区域具有光吸收带的特性来定量评估碳纳米管进入细胞的量。
这项研究和开发得到了Zeon CNT研究所和日本学术振兴会基础研究项目（C）“使用可生物降解的纳米碳创造靶向癌症治疗药物（2013-2019财年）”的支持。
这次，我们开发了一种技术，利用碳纳米管吸收近红外光的特性来测量进入细胞的碳纳米管数量。近红外光的波长为700至1100 nm，介于红外光和可见光之间，新开发的技术可裂解已掺入CNT的细胞，并测量细胞裂解液中吸收的750 nm左右波长的光量。由于生物物质在近红外区域不具有吸收带，因此可以定量测量细胞裂解液中与生物物质混合的CNT的量。
为了明确CNT在免疫细胞内的生物降解特性，将免疫细胞在含有SGCNT的培养液中培养24小时，使SGCNT掺入细胞内。用磷酸盐缓冲盐水洗涤细胞后，将它们在不含SGCNT的新鲜培养基中培养0至7天。在每个时间点裂解细胞，并使用近红外吸收测量对细胞裂解液中的 CNT 量进行定量，以测量细胞中 CNT 量随时间的变化（图 1）。
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| 图 1 测量免疫细胞中碳纳米管数量随时间变化的过程 |
这次使用了三种类型的细胞：培养的小鼠免疫细胞（Raw2647）、人白血病细胞系（THP-1）和原代细胞（来自小鼠肝脏的库普弗细胞）。实验表明，在所有免疫细胞中，20-50% 的 SGCNT 在细胞内被降解。作为示例，图 2 显示了 THP-1 细胞的测量结果。
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图2 THP-1免疫细胞中SGCNT含量的时间过程
掺入 SGCNT 的 THP-1 细胞的光学显微照片（上）、细胞裂解物的照片（左下）以及细胞内 CNT 的定量测量结果（右下）。 |
为了阐明SGCNT的生物降解机制，我们还测量了SGCNT掺入后免疫细胞内产生的活性氧的量。结果，细胞内SGCNT的残留量（图2，右下）与活性氧产生量的减少趋势（图3，左）一致。这表明免疫细胞内 SGCNT 的生物降解是由于活性氧的作用。此外，摄取SGCNT后4天，免疫细胞产生的活性氧量与对照细胞（未添加SGCNT）相同，细胞总蛋白量随时间的变化也与对照细胞几乎相同，表明SGCNT降解残留物对细胞可能具有较低的毒性。
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| 图 3 与对照细胞（未添加 CNT）相比，吸收 SGCNT 的免疫细胞中产生的活性氧量（左）和总细胞蛋白量（右）随时间的变化 |
基于本次获得的研究成果，CNT联盟联盟项目（AIST 新闻公告 2017 年 2 月 13 日) 与 Nippon Zeon 合作，我们将阐明 SGCNT 的生物降解性与其尺寸、表面改性和其他物理化学性质之间的关系，并开发能够预测和控制 CNT 生物降解性的方法。