近日，中国科学院国家纳米科学中心陈春英课题组在肠道微生物发酵人工合成碳纳米材料生成内源有机代谢产物方面取得重要进展。

碳纳米材料在肠道微生物内的“前世今生”被破解

近日，国家纳米科学中心研究员陈春英课题组在肠道微生物发酵人工合成碳纳米材料生成内源有机代谢产物方面取得重要进展。相关研究发表于美国《国家科学院院刊》。

肠道微生物控制的生物代谢过程决定外源碳纳米材料在宿主体内的最终命运。然而，对于碳纳米材料和肠道内的诸多组分，如食物、碳水化合物、蛋白和脂质等分子以及碳元素，传统方法无法实现其在肠道内代谢转化过程的精准分析。

“为解决这一难题，我们建立了稳定同位素13C骨架标记与代谢流同位素示踪的创新分析方法，明确解析了碳纳米材料在肠道内的‘前世今生’。”该论文第一作者、国家纳米科学中心副研究员崔雪晶说。

本工作发现肠道微生物能够降解两种人工合成碳纳米材料——单壁碳纳米管和氧化石墨烯。研究通过筛查两种碳纳米材料口服暴露后宿主肠道的代谢产物，发现乙酸和丁酸等短链脂肪酸含量明显升高。研究进一步建立氧化石墨烯同位素代谢流示踪新方法，分析鉴定出13C-氧化石墨烯降解后通过13C-丙酮酸途径生成13C-丁酸整个代谢链条的产物（13C-氧化石墨烯—13C-葡萄糖—13C-丙酮酸—13C-乙酸—13C-丁酸）；证实了碳纳米材料类似于膳食纤维能够作为碳源被肠道微生物所利用，进行降解发酵，并进入丙酮酸代谢途径，最终生成丁酸的代谢机制。其中，多种关键的微生物代谢酶，包括己糖激酶、丙酮酸激酶、丙酮酸脱氢酶和丁酸激酶等参与碳纳米材料发酵生成丁酸的过程。微生物测序揭示产丁酸菌是利用碳纳米材料生成丁酸的优势菌种。

该研究发表后被《自然》杂志作为亮点进行报道。该研究基于建立的创新分析方法，首次明确了碳纳米材料的源端-中端-终端代谢全流程，突破传统微生物只能利用碳水化合物合成有机丁酸分子的认知，证实肠道微生物能够利用人工合成碳纳米材料作为碳源生成内源有机代谢产物，揭示了体内碳纳米材料新的生物学命运，为拓展碳纳米材料应用场景提供了重要理论支撑。

碳纳米材料在医学中的应用

口腔种植中的碳纳米材料

口腔种植学是以解剖生理为基础，研究如何应用生物材料制作人工牙根和牙冠等，修复缺失牙及周围组织，获以长期稳定性、舒适的咀嚼功能和外形的一门临床医学。

随着口腔纳米材料不断的进步与发展，大量研究发现碳纳米材料在口腔种植领域有着广泛的应用。

1、碳纳米材料主要分为3类，即零维、一维和二维碳纳米材料，因其具有独特的空间结构和良好的理化性质，在种植体表面涂层、支架材料改性、载药和制备屏障膜等方面具有较大应用潜力。

2、此外材料的成骨和抗菌作用还有利于形成稳定的骨整合和良好的软组织封闭作用，在种植体周围炎的预防与治疗中也有一定的研究意义。

3、碳纳米材料种类繁多，许多研究还将碳纳米材料与其他生物分子材料功能化组合成复合材料，从而可以获得某种特性。此外，碳纳米材料本身也具备抗菌作用，石墨烯也常与其他抗菌剂(如银纳米粒子)功能化来增强抗菌性能。

4、综合来看，碳纳米材料中石墨烯作为典型的二维碳纳米材料，一直是口腔种植及其他领域研究的热点，其中氧化石墨烯是应用较为广泛的一类石墨烯衍生物材料。有研究发现将其应用于种植体表面改性时，对种植体周围炎的治疗及预防方面具有一定的研究意义。

5、但关于碳纳米材料诱导干细胞分化/成骨相关信号通路以及免疫调节机制的研究还不太明确，材料的细胞毒性、降解和不良反应也仍需进一步研究。

6、目前也有待研究出一种具有成本效益、可扩展性和可重复制备碳纳米材料的工艺方法和材料生物相容性的评价指标，此外也需进一步深入研究当碳纳米材料应用于植体表面涂层时，对种植体周围炎的预防与治疗意义。

抗骨质疏松中的碳纳米材料

骨质疏松症是一种全球关注的系统性疾病，影响着全球2亿多患者，其特点是骨量低、骨强度降低、易骨折。骨质疏松性骨折在老年人中很常见，不仅增加经济负担，而且降低生活质量，威胁生命。绝经后骨质疏松症是最常见的骨质疏松症类型，表现为骨转换率高，骨形成增强，甚至更强的骨吸收，最终导致骨质疏松。破骨细胞是哺乳动物唯一的骨吸收细胞，在绝经后骨质疏松症的骨吸收中占主导地位。我们可以通过减少骨吸收或促进骨形成来改善骨量，在这种策略下，已经有许多药物针对破骨细胞或成骨细胞，如雌激素、双膦酸盐和特立帕肽。但由于严重的副作用或药物的非肠道给药方式，它们的应用均受到限制，因此迫切需要开发新型的抗骨质疏松药物。

纳米碳材料具有高稳定性、良好的生物相容性和高细胞渗透性等独特的物理化学性质，近年来成为研究最多的领域。目前研究的纳米碳材料包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯/石墨烯氧化物和纳米金刚石。它们被认为是各种医学应用的

潜在替代品，如生物传感、组织工程、临床成像、癌症光热治疗和药物传递系统。以骨缺损修复为主的骨科领域中，纳米碳材料主要被用作成骨载体，但其在骨质疏松症治疗中的应用却鲜有报道。在这些纳米碳材料中，石墨烯是最有价值、研究最广泛的一种。然而，几乎所有的纳米碳材料（包括石墨烯）都具有时间、大小和剂量依赖性的细胞毒性。

纳米碳材料作为“后起之秀”，具有多种不同功能的同素异形体目前尚未发现，通过表面改性可以将其生物相容性提高到极限。利用上述特点，开发出具有优良生物活性和生物相容性的新型纳米碳材料成为可能。在此，我们报告了一种新的纳米碳材料，称为胶体纳米碳（CNC），它在骨质疏松症的治疗方面显示出巨大的潜力。CNC的制备非常简单，只需要一步液相脉冲法，使CNC具有巨大的羟基。碳颗粒平均粒径约为50nm，形成链状微组织。在此，我们在去卵巢小鼠上应用CNC，并通过影像学、组织学、生物力学和血清学评估，研究其抗骨质疏松特性。相比一种新型药物，我们认为我们的研究将为骨质疏松症的治疗提供一个新的视角。