一支由国际科学家组成的团队研发出了一种水溶性“扭曲纳米石墨烯”，这是一种灵活的分子，具有生物相容性的同时，显示出在荧光细胞成像方面的应用前景。而当细胞暴露于蓝色激光时，这种新石墨烯分子会诱导其死亡。因此需要进一步研究以确定纳米碳如何应用于一系列生物相关应用，比如癌症治疗的光动力治疗。

名古屋大学和波士顿学院的一组化学家和生物学家已成功地首次合成水溶性扭曲纳米分子。最近在“应用化学国际版”(Angewandte Chemie International Edition)中描述的这种新型分子扩展了纳米碳在生物方面的应用，包括癌细胞成像甚至根除。

纳米石墨烯是具有独特的电子、光学和机械性能的纳米级碳分子，并且被认为是很有电子和生物医学用途前景的材料。然而，纳米石墨烯的扁平结构导致其在各种溶剂中极易发生堆叠和聚合，因此其难以溶于各种溶剂，并由此引起生物应用中的并发症。

2013年，日本名古屋大学(Nagoya University) JST-ERATO Itami分子纳米碳项目主任Kenichiro Itami教授和他的同事合成了一种带有马鞍形结构的扭曲纳米分子。该分子由26个石墨烯环组成的独特结构阻止其聚合，使其能溶于最常见的有机溶剂。此外，在紫外线或蓝光照射下，它会呈现出绿色荧光。

Itami说：“当我们成功地合成了一种扭曲纳米石墨烯分子时，非常的兴奋，而且我们对使它能够应用于生物方面的课题非常感兴趣，并通过在分子中加入水溶性官能团实现了这一目标。”

在最近的一项研究中，Itami的工作小组解释了他们是如何开发出使弯曲的纳米线成为水溶性的简单方法。首先，他们通过一种铱催化的C-H硼化反应用5个硼原子取代了氢原子。之后将硼取代的扭曲纳米石墨烯带与一种含有水溶性链的称为芳基卤化物的化合物混合。一种钯催化的Suzuki-Miyaura耦合反应使水溶性链附着在纳米分子边缘，使其溶于水和其他有机溶剂。这种方法也可以在扭曲纳米石墨烯上引入其他官能团，来使其性能易于进行调整。

研究小组研究了水溶性扭曲纳米石墨烯的荧光性质。他们发现，在紫外线照射下，这种纳米石墨烯溶解于水中时，分子会发出黄色荧光，而在普通有机溶剂二氯甲烷中呈现绿色荧光。新一代的纳米石墨烯具有很高的光稳定性，这意味着其性质在光照下不会发生显著变化。相反，荧光颜色会根据溶解溶剂的极性变化而变化。

接下来，Itami的团队与ITbM的生物学家进行合作，对新分子是否能将活细胞染色，并应用于荧光细胞成像进行了测试。他们用一种水溶性的扭曲纳米石墨烯溶液处理了HeLa细胞(一种广泛用于研究的宫颈癌细胞)。显微镜观察显示，细胞在几个小时内吸收了该分子，并在溶酶体中进行积累，溶酶体是细胞中的细胞器。随着时间推移，细胞存活率没有显著变化，证明水溶性的扭曲纳米石墨烯具有较低的细胞毒性，可以作为HeLa细胞的荧光染色剂。

然而，这种分子在某些情况下也会变得致命。例如，当治疗的HeLa细胞被蓝色激光照射后，30分钟后就会显示细胞死亡。未经处理的HeLa细胞则没有该情况发生。

Itami说：“虽然我们新一代的扭曲纳米石墨烯对HeLa细胞的毒性很低，但我们惊讶地发现，当光照射到新的纳米石墨烯上的细胞上时可观察到细胞死亡现象发生。”

这种细胞死亡的具体机制尚不清楚，但该小组推测，在照射过程中会产生一种导致细胞死亡的有毒单氧分子。已知的其他几种化合物会发生光诱导细胞死亡，但仍需要发现能够吸收较长波长的分子，以安全地用于治疗深层组织中的癌细胞。研究人员设想，他们的功能和调谐扭曲纳米石墨烯的方法可能会导致生物相容分子吸收不同波长的辐照。

Itami说:“我们成功地合成了一种具有荧光性、良好的光稳定性和较低的细胞毒性的水溶性扭曲纳米石墨烯，这些性质使得它有望应用于生物成像。这一成就是一个很好的例子，展示了我们研究所正在进行的化学和生物之间广泛合作的成果。我们希望通过进一步的跨学科合作，使我们所研究的分子可进一步发展到更为广泛的生物应用领域。”

本研究结果不仅证明了纳米碳化物对生物应用的影响，而且还表明了合成化学与生物学之间的协同效应。