用于生物活性物质递送的碳纳米材料：结构 - 功能关系、胃肠道归宿、安全性及食品转化证据

《Food Bioscience》：Carbon nanomaterials for bioactive delivery: Structure–function relationships, gastrointestinal fate, safety, and evidence for food translation

　　

**摘要**

功能性食品和营养保健品中使用的生物活性化合物（BACs）常受限于水溶性差、物理化学不稳定性、胃肠道降解以及口服生物利用度低等问题。碳纳米材料（CNMs）——包括石墨烯基材料、碳纳米管（CNTs）、碳点/碳量子点（CDs/CQDs）和石墨烯量子点（GQDs）——因其延展的石墨表面、可调控的表面化学性质、多样的结构构型以及部分碳点固有的光学特性，已被研究作为结构独特的递送平台。本综述系统考察了CNM结构、合成路线、表面功能化及杂化如何影响BACs的结合、保护与释放，涉及π–π堆叠、氢键、静电相互作用、疏水缔合及分子限域等机制。本综述特别强调将制剂指标与具有生理相关性的递送终点区分开来。载药量、包封效率、释放行为、胃肠道生物可及性、细胞摄取、上皮转运及全身生物利用度被视为独立的实验终点。证据根据其转化相关性进行解读：直接食品基质和口服暴露研究获得最大权重，胃肠道及肠道相关模型提供中等强度的证据，而生物医学研究仅在阐明特定物理化学或细胞机制时予以保留。现有证据表明，CNMs的性能强烈依赖于制剂条件，不支持对CNM类别进行通用排序，也不支持其相对于已有脂质或聚合物载体具有固有优势。面向食品的证据远不如生物医学概念验证研究成熟，尤其在序贯消化、肠道转运、反复口服暴露及制剂特异性安全性方面。因此，向食品和营养保健品应用转化将需要现实的食品和胃肠道模型、标准化表征、与现有食品兼容载体的直接对比、长期毒理学评估以及制剂特异性法规评估。

**引言**

将食品生物活性化合物（BACs）——如多酚、类胡萝卜素及其他植物化学物质——纳入功能性产品面临多重物理化学挑战。水溶性差、加工和储存过程中的降解、与食品基质成分的相互作用以及胃肠道（GI）降解均可降低可用于肠道吸收的完整BAC比例。因此，递送系统的性能不仅涉及载药量和包封效率等制剂指标，还取决于加工和消化过程中的保护效果、相关生理条件下的释放行为、生物可及性、与食品基质的兼容性以及安全性（McClements, 2015）。

传统食品级递送平台——包括乳液、脂质体和生物聚合物颗粒——可以改善敏感BACs的分散和保护效果，但其性能取决于化合物的物理化学性质和制剂条件。近年来，碳纳米材料（CNMs）已被研究作为结构独特的递送平台或支撑支架。其相关特性包括延展的石墨表面、可调控的表面化学性质、多样的结构构型，以及某些碳点（CDs）固有的荧光特性，可辅助实验追踪（Mahor et al., 2021; Zarouki et al., 2026）。本综述考虑的主要CNM类别包括石墨烯及其氧化物衍生物、碳纳米管（CNTs）、碳点/碳量子点（CQDs）、石墨烯量子点（GQDs）、碳纳米角（CNHs）和富勒烯。然而，将这些材料视为可互换的载体将忽视其在维度、石墨有序度、氧化态、表面功能基团、聚集行为及杂质谱方面的重大差异。

这些结构差异影响BACs与碳表面结合的机制。芳香族和疏水化合物可通过π–π堆叠和疏水相互作用与暴露的石墨区域结合，而含氧或含氮的表面基团可贡献氢键、静电相互作用或共价偶联。开放式CNTs可在纳米管尺寸和可及性允许的情况下提供内部空腔以实现分子限域。CDs将表面介导的货物结合与固有荧光相结合，可辅助实验追踪（Ali & Radwan, 2021; Arvapalli et al., 2020; Einafshar et al., 2024）。尽管这些特性支持了大量生物医学研究，尤其在药物递送领域，但膳食BACs口服递送方面的证据仍然有限。

有利的制剂指标不一定能预测有效的口服递送。强烈的载体–货物结合可能提高表观载药量，但也可能限制在特定生理或制剂条件下的后续脱附或释放（Barahuie et al., 2017; Yaghoubi et al., 2021）。表面功能化可改善水分散性和胶体行为（Rajabi & Jafari, 2024），但同时可能改变BAC结合位点的可及性以及载体呈现的生物学界面；表面化学的变化已被证明可改变蛋白质吸附、冠层形成和细胞摄取（Arezki et al., 2022; Zhang et al., 2019）。同样，在非肠道模型中观察到的细胞内化本身不足以确立胃肠道稳定性、肠道转运或口服生物利用度，尤其因为胃肠道处理可在上皮暴露之前显著改变CNMs的聚集状态和表面化学（Bitounis et al., 2020; Guarnieri et al., 2018; Mu et al., 2012）。因此，载药量、物理保护、释放行为、胃肠道转化、生物可及性、上皮转运和全身生物利用度应被视为独立的实验终点，而非可互换的递送性能度量（McClements, 2015; Tang et al., 2024）。

保持这些区分尤为重要，因为现有证据在递送通路的不同阶段分布不均。面向食品的研究已证明BACs稳定性改善和制剂性能提升，在较少案例中证明了胃肠道生物可及性（Jv et al., 2023; Liang et al., 2022; Pinilla-Pe?alver et al., 2022; Tang et al., 2024）。相比之下，许多关于BACs结合、pH响应性释放、细胞摄取和细胞内命运的详细机制研究是在生物医学而非食品导向的模型中进行的（Barahuie et al., 2017; Lacerda et al., 2012; Mu et al., 2012; Yaghoubi et al., 2021; Yaron et al., 2011）。这些研究可以阐明特定的分子或细胞机制，但不能确立食品基质兼容性、肠道吸收或膳食安全性。同样，使用可食用植物、食品成分或生物质前体进行CNM合成本身并不能确立所得纳米尺度材料的安全性（J. Chen et al., 2026; Fu et al., 2023; Jia et al., 2023; Zhang et al., 2023）。

还需要在BAC负载的CNMs与食品系统中使用的相关碳基技术之间做出区分。通过热碳化或水热碳化植物提取物、分离的植物化学物质或食品加工残留物合成的CDs是化学转化产物；除非独立将完整的BAC负载到所得CDs上并分析确认其存在，否则这些材料不应被描述为原始前体的载体（Ahn et al., 2019; Fu et al., 2025; Khan et al., 2023; Wu et al., 2024）。同样，纳入包装材料中主要用于结构增强、抗氧化活性、抗菌活性或感知的CNMs代表的是CNM赋能的食品技术，而非口服BAC递送的证据。因此，将完整BAC有意与CNM结合制剂——如含姜黄素的氧化石墨烯复合膜——应与前体衍生的CDs分别归类（Salimbahrami et al., 2023）。保持这些类别的区分可防止相邻的食品技术应用被用于夸大CNMs作为口服BAC递送平台的成熟度。

因此，本综述中的证据根据其转化相关性进行解读。直接食品基质和口服暴露研究获得最大权重，其次是胃肠道及肠道相关模型。生物医学研究仅在阐明特定分子或细胞机制时予以保留，而通用材料研究则为基本原理化学关系提供支持。较低级别的证据不用于推断未直接测定的生理终点。此框架应用于递送通路的主要阶段。据此，本综述按照递送通路展开，从CNM合成与表面化学，经过BACs结合、保护与释放、胃肠道转化、肠道与细胞相互作用、安全性评估，最终到食品系统性能。

因此，本综述的目标不是确定一种普遍优越的CNM，而是确定现有证据实际上为个别CNM制剂建立了什么、机制性证据在哪些方面仍属间接、以及哪些实验缺口目前限制了向食品和口服递送应用的转化。

**章节摘要**

**CNM同素异形体的合成与结构调控**

CNMs由结构和化学性质截然不同的材料类别组成。CDs、GQDs、CNTs、CNHs、富勒烯和石墨烯基材料在维度、石墨有序度、缺陷密度、比表面积和表面化学方面存在差异。合成和后合成处理确立了其中许多特性，而这些特性又反过来影响分散性、分子吸附、聚集行为以及后续功能化位点的可用性（Iijima, 1991; Marcano et al., 2010; Pan et al., 2010）。

**决定CNM基递送平台性能的结构–功能关系**

低水溶性、加工过程中的化学不稳定性、胃肠道降解和有限的肠道吸收可能限制BACs在功能性食品中的纳入和有效递送。传统脂质基和聚合物基质可在一定程度上解决这些局限，但其性能仍然取决于制剂条件。CNMs通过暴露的石墨表面、可变等特征为BACs结合提供结构独特的环境。

**BAC负载CNMs的表征**

BAC负载CNMs的表征需要对制剂的多个不同层次进行评估：碳支架的尺寸和形态；表面化学和结构修饰；BAC的物理状态、数量和化学完整性；以及最终制剂在储存、食品基质纳入、胃肠道暴露或生物学测试过程中的胶体行为。没有单一分析技术能够独立解决所有这些层次的问题。

**与口服BAC递送相关的CNMs胃肠道转化、细胞相互作用及细胞内命运**

口服给药的CNM在到达肠道上皮之前其物理化学状态可能发生显著变化。石墨烯衍生材料和CDs的研究均报告了消化依赖性变化，包括聚集状态、形态、表面化学和组分保留的变化，所得消化后材料在某些情况下展现出与原始CNM不同的生物学行为。这些发现表明，在胃肠道之前进行的表征不足以预测到达肠道后的实际情况。

**与口服BAC递送应用相关的安全性和毒理学证据**

CNM基递送系统的安全性评估应具有制剂特异性和途径特异性。颗粒尺寸、表面化学、聚集状态、残留合成污染物、功能基团、表面涂层及关联货物均可影响生物学反应。因此，使用原始CNMs、静脉给药或肿瘤学导向制剂获得的毒理学发现不应直接外推至反复膳食暴露。治疗性细胞毒性、

**食品相关应用与转化证据**

将CNM基BAC制剂转化为食品系统需要超越载药量、抗氧化试验或简单缓冲液中释放曲线的数据。口服制剂需要评估食品基质兼容性、加工稳定性、胃肠道行为、生物可及性、肠道转运和安全性。对于食品接触应用，相关终点则包括活性剂释放、潜在CNM迁移、防腐性能、感官影响等。

**结论与展望**

CNMs为BACs——如姜黄素、槲皮素、橙皮素和雷公藤红素——的结合、保护和释放提供了结构多样的平台。其性能不能仅归因于维度。表面氧化、功能化、聚集状态、可及石墨区域和BACs化学性质共同影响载药量、胶体行为、释放和生物学相互作用。生物聚合物或生物分子修饰可改善分散并保护敏感化合物。

**CRediT作者贡献声明**

Seid Jafari：写作——审稿与编辑、验证、监督、形式分析、概念构思。Mansour Ghorbanpour：验证、形式分析。Elham Assadpour：写作——审稿与编辑、方法学、数据整理。Asli Can Karaca：写作——初稿、调查研究、数据整理。Hamid Rajabi：写作——初稿、软件、方法学、调查研究、数据整理。

**未引用参考文献**

Chen et al., 2026; Newbury? and Ritchie, 2013。

**利益冲突声明**

? 作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。

Hamid Rajabi|Asli Can Karaca|Elham Assadpour|Mansour Ghorbanpour|Seid Mahdi Jafari