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碳纳米材料石墨烯及其衍生物（最常见的衍生物是氧化石墨烯，GO）凭借独特的理化性质，在光电、材料和生命等各个领域都有广泛应用前景，尤其在生物医学领域，如成像与诊断、药物输运和光热疗法等;同时，其潜在的纳米毒性机制和生物安全性也引起广泛关注。目前有关GO毒性的研究结论尚不一致;更重要的是，GO毒性不仅与其自身的物化性质密切相关，而且与不同生物系统和不同培养条件等因素都有重要的相关性。这些研究的欠缺都严重阻碍了GO在生物医学领域的应用。 首先，本论文研究了氧化程度这一理化因素与GO毒性的关系。本研究合成3种不同氧化程度的GO，三者在水中都具有相似粒径分布(200-260 nm)和良好的溶解性，并研究它们对小鼠胚胎成纤维细胞(MEFs)的毒性及其化学机制。生物透射电镜(TEM)观察发现GO可被MEFs细胞摄入。细胞活力和凋亡检测均证实，GO对MEFs毒性随着氧化程度的降低而增加。研究发现3种GO处理的MEFs内活性氧(ROS)水平均较control组有大幅度升高（2-6倍），并且氧化程度越低则ROS水平越高。由此推测氧化应激很可能是GO毒性主要机制。利用电子自旋波谱(ESR)测定GO在化学条件下产生ROS的能力发现，氧化程度越低，GO携带自由电子越多，氧化能力和催化H2O2分解产生·OH的能力就越高。理论计算证实，GO催化H2O2分解反应的能垒与GO的羧基基团和sp2区域大小密切相关，即sp2区域越大则H2O2分解反应越容易发生。基于低氧化程度GO其sp2区域更大的事实，故可解释ESR中低氧化程度的GO催化产生·OH更多的结果。结合氧化应激学说对高氧化应激水平引起细胞凋亡和死亡的观点，ESR和理论计算的结果对MEFs毒性顺序进行了合理解释。 其次，我们进一步利用秀丽线虫（以下称“线虫”）模型，从整体动物水平上对GO衍生物在不同病生理条件下的毒性进行研究。我们合成了聚赖氨酸-聚乙二醇(PLL-PEG)修饰的功能化GO(GO/PP)，测定了其分别在正常和应激条件下对线虫的毒性。结果表明，GO/PP毒性是可被应激因子诱导的:在正常条件下，寿命实验、生殖实验和运动行为结果均显示GO/PP对线虫无毒性，但在热应激和氧化应激条件下则显示出明显毒性。同时，在正常条件下观察到GO/PP引起线虫体内ROS水平上升。ESR结果显示，GO/PP能一定程度提高H2O2分解产生·OH的速率;理论计算也表明GO的加入可以避免反应过程中的高吸热反应步骤，从而加快反应进行。另一方面，cyt c（细胞色素C）/H2O2的电子传递作用可被GO/PP显著增强。我们知道，在正常条件下，胞内H2O2数量和cyt c所处线粒体内膜部位都是受到严格控制的，因此GO/PP毒性并不明显;相反，在应激条件下，过多H2O2和线粒体释放的cyt c使GO/PP能够明显促进·OH过度产生，并能直接与cyt c接触促使来自H2O2的电子传递作用。这样便导致具有强氧化作用的cyt c中间体会不断的产生，进而对细胞造成严重的氧化损伤。这一双通路假说解释了GO材料在体内不同病生理环境下，可被应激诱导毒性的化学机制。 综上，本论文综合阐述了材料本身的理化性质和生物体的病生理条件两个因素对GO毒性的影响。系统地研究了GO的氧化程度与其产生自由基能力的关系及其化学机理，也为研究或合成更加低毒安全的石墨烯、甚至其他碳纳米材料提供了理论和方法的依据。同时，在人们大量关注碳纳米材料理化性质对毒性影响的背景下，鉴于氧化应激存在于多种疾病（神经退行性疾病、糖尿病和肿瘤等）发生发展过程中，GO衍生物的应激诱导毒性提醒我们要更加关注病理条件下或易感人群对纳米材料的毒性反应。