薛璐金

摘 要：石墨烯是一種由單層C原子SP2雜化的方式堆積形成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新型納米材料，具有良好的光學(xué)、導(dǎo)電、低毒、抗菌等特性。石墨烯及其衍生物的研究進(jìn)展十分迅速，現(xiàn)對(duì)近年來(lái)石墨烯及其衍生物的制備方法以及生物學(xué)方面的研究進(jìn)行綜述，探討其在生物學(xué)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：石墨烯;衍生物;材料化學(xué);生物

中圖分類(lèi)號(hào)：TB383 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1673-260X（2022）01-0008-04

2010年10月5日瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，以表彰他們?cè)谑┎牧戏矫娴淖吭窖芯浚源耸┏蔀椴牧匣瘜W(xué)研究的新寵兒。石墨烯（Graphene）是一種由單層C原子以SP2雜化的方式堆積形成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新型納米材料，具有良好的光學(xué)、導(dǎo)電、低毒、抗菌等特性，使得石墨烯及其衍生物在生物學(xué)領(lǐng)域迅速成為研究熱點(diǎn)[1-3]。本文就石墨烯和石墨烯衍生物的制備方法以及在生物學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)行探討。

1 石墨烯及其衍生物的制備

1.1 物理制備

2004年曼徹斯特大學(xué)的Novoselov K S等人[4]首次描述了單層晶體石墨烯，并探究了電場(chǎng)效應(yīng)，到2007年Williams J R等人[5]研究石墨烯中量子霍爾效應(yīng)，均用用膠帶反復(fù)粘貼石墨制備獲得少量單層石墨烯，極大地刺激了廣大研究者的興趣。雷達(dá)等人[6]為了提高金屬散熱器的散熱效率，利用自制的超臨界CO_2射流空化裝置獲得高質(zhì)量的石墨烯納米粉，將該納米粉制備成高散熱性能的石墨烯復(fù)合涂料，并且用噴涂法制備了表面具有石墨烯復(fù)合散熱涂層的金屬?gòu)?fù)合散熱器，證明利用該物理方法法剝離制備的石墨烯納米粉純度高、片層大、層數(shù)少，具有良好的導(dǎo)熱性能，使用該石墨烯納米粉體制備的石墨烯復(fù)合材料涂層并使金屬散熱器的散熱效率提高15.6%～21.6%。廖國(guó)東等人[7]以不同富氮碳源作為前驅(qū)體制備塊體氮化碳（g-C3N4，CN），利用高溫-快速氣化聯(lián)合的方法對(duì)塊體CN進(jìn)行剝離，制備了超薄CN納米片，并經(jīng)過(guò)一系列優(yōu)化得到制備條件最優(yōu)的富氮碳源和氮化碳的剝離量，發(fā)現(xiàn)不同富氮碳源制備的CN剝離后的比表面積均大大增加，與塊體CN相比，剝離后的超薄CN比表面積更大，平均片層厚度更小，為大規(guī)模制備原子層數(shù)可調(diào)的超薄CN納米片的工業(yè)化應(yīng)用提供了新的思路。劉長(zhǎng)青等人[8]提出一種超臨界N-甲基吡咯烷酮插層、剝離可膨脹石墨（EG）制備石墨烯的新方法，充分利用超臨界流體優(yōu)異的特性成功獲得石墨烯，該方法為制備高質(zhì)量石墨烯提供一條非常有潛力的途徑。Sinclair RC等人[9]進(jìn)行原子水平的石墨烯微機(jī)械剝離，利用分子動(dòng)力學(xué)探究了物理剝離石墨烯，并優(yōu)化了物理剝離石墨烯的實(shí)驗(yàn)方法。

1.2 化學(xué)制備

石墨烯及其衍生物的化學(xué)制備目前被公眾認(rèn)可度更高，而且相對(duì)物理法，化學(xué)制備可以大批量制備石墨烯及其衍生物。Zhang J等人[10]通過(guò)液相剝離法在異丙醇-水混合物中以鹽為助劑制備量石墨烯，利用滴鑄法制備的石墨烯薄膜顯示出優(yōu)異的導(dǎo)電性。Sontakke AD等人[11]利用低頻超聲加工獲得氧化石墨烯納米微球（GON），利用Hummer法合成成氧化石墨烯（GO）。Marjani A等人[12]研究氧化石墨烯對(duì)聚醚砜膜性能改性的影響及其在廢水處理中的應(yīng)用，利用化學(xué)法制備量氧化石墨烯顆粒，用于復(fù)合納米膜的研究，發(fā)現(xiàn)掃描電子顯微鏡分析添加氧化石墨烯的復(fù)合納米膜不論純水通量還是鹽截流率或者重金屬去除率都優(yōu)于未添加氧化石墨烯的納米膜。Esmaeili E等人[13]研究氧化還原法獲得的石墨烯/銀納米復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)潛力，利用化學(xué)法合成氧化石墨烯，為了防止銀納米粒子 AgNPs聚團(tuán)，使其被裝飾在還原氧化石墨烯（rGO）片上，病理學(xué)研究表明，包含rGO/Ag納米復(fù)合材料和姜黃素的支架對(duì)傷口愈合的影響最明顯，可以提高人工傷口的愈合率，這表明石墨烯納米材料在傷口愈合中具有良好的生物醫(yī)學(xué)潛力。Kumari S等人[14]研究化學(xué)法合成氧化石墨烯-銀（GO-Ag）納米復(fù)合材料，通過(guò)降解亞甲藍(lán)染料研究了納米復(fù)合材料的光催化應(yīng)用。結(jié)果表明，在GO表面摻雜AgNPs不僅可以改善其染料降解性能，還可以增強(qiáng)其熱釋光性能，進(jìn)一步證明GO-Ag納米復(fù)合材料的優(yōu)越抗菌性能。

2 石墨烯及其衍生物在生物安全方面研究

近幾年，隨著對(duì)石墨烯及其衍生物的研究日益增多，人們對(duì)其優(yōu)越的電學(xué)、力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等方面的性能進(jìn)行了廣泛研究，發(fā)現(xiàn)石墨烯雖然毒性低，但是在做藥物載體、臨床檢測(cè)等研究中仍存在著一定安全隱患。Manjunatha B等人[15]研究原始石墨烯（pG）對(duì)水生脊椎動(dòng)物的影響，利用發(fā)育中的斑馬魚(yú)胚胎作為體內(nèi)模型系統(tǒng)對(duì)pG的毒性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估，通過(guò)胚胎發(fā)生，觀察到pG會(huì)導(dǎo)致顯著的胚胎死亡率、孵化延遲、心跳、幾種形態(tài)學(xué)缺陷、心包毒性和心動(dòng)過(guò)緩，認(rèn)為pG對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物發(fā)育中的胚胎心臟缺陷有一定影響。隨后該團(tuán)隊(duì)還研究不同濃度的原始石墨烯（pG）和氧化石墨烯（GO）對(duì)發(fā)育中的斑馬魚(yú)（Danio rerio）幼蟲(chóng)或幼魚(yú)造成的多器官系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)pG和GO在腦組織中的大量積累，影響心跳和降低存活率，還破壞了線(xiàn)粒體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致多器官缺陷[16]。Mohamed HRH等人[17]研究氧化石墨烯（GO）納米粒子顆粒對(duì)小鼠染色體和DN損傷方面進(jìn)行安全評(píng)估，發(fā)現(xiàn)以10、20或40mg/kg三種劑量水平連續(xù)1天或5天口服GO納米顆粒，出現(xiàn)以劑量依賴(lài)性方式顯著增加小鼠骨髓細(xì)胞的微核和DNA損傷水平，并引起組織學(xué)損傷。與正常對(duì)照小鼠相比，小鼠肝臟和腦組織切片中的病變包括凋亡、壞死、炎癥和細(xì)胞變性明顯。Zhao S等人[18]研究氧化石墨烯對(duì)蚯蚓的生化毒性等方面，發(fā)現(xiàn)暴露不同劑量GO對(duì)于蚯蚓的過(guò)氧化氫酶（CAT）、過(guò)氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）存在不同程度的抑制，溶酶體的穩(wěn)定性和DNA損傷呈現(xiàn)劑量和時(shí)間依賴(lài)性。關(guān)于石墨烯及其衍生物的生物安全和生物講解方面存在很多不足，但是以上研究都提示我們石墨烯材料及其衍生物在生產(chǎn)和使用中對(duì)環(huán)境和生物存在著一定的安全隱患。

3 石墨烯及其衍生物在抗菌材料方面研究

抗生素的發(fā)現(xiàn)，給二戰(zhàn)期間的人們帶來(lái)了巨大醫(yī)學(xué)希望，隨之而來(lái)的就是抗生素濫用導(dǎo)致的細(xì)菌耐藥性，甚至產(chǎn)生了超級(jí)細(xì)菌，因此發(fā)現(xiàn)新型抗菌材料一直是人們研究熱點(diǎn)。石墨烯及其衍生物與動(dòng)物細(xì)胞具有較好的生物相容性，同時(shí)具有抗菌性，為人們抗菌材料的研究帶來(lái)新的思路。Geng H等人[19]研究氟化石墨烯對(duì)細(xì)菌和細(xì)胞的生物學(xué)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)材料表面和血液蛋白質(zhì)之間的π-π相互作用減弱，將氟引入原始石墨烯平面減少了血小板的粘附和聚集，證明氟化石墨烯復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的抗菌能力和細(xì)胞相容性，優(yōu)于原始石墨烯和氟石墨烯。Safari N等人[20]研究可生物降解骨修復(fù)材料的鎂基合金的改良，評(píng)估了石墨烯納米顆粒（Gr）修飾鎂合金對(duì)于協(xié)同穩(wěn)定性和抗炎特性，發(fā)現(xiàn)添加一定劑量的Gr到鋁鎂合金中，降解率降低了約4倍，抗菌率提高5倍。Balakrishnan A等人[21]研究聚二甲基硅氧烷-氧化石墨烯納米復(fù)合涂層防腐和抗菌作用，將碳鋼（CS）上進(jìn)行氧化石墨烯-二氧化硅-聚二甲基硅氧烷（GSP）涂層處理，暴露于革蘭氏陽(yáng)性芽孢桿菌、革蘭氏陰性假單胞菌和淡水細(xì)菌培養(yǎng)72h，證明石墨烯衍生物涂層的CS，具有良好的防腐和抗生物污損性能。Zhang J等人[22]研究石墨烯衍生物納米復(fù)合材料抗菌，化學(xué)方法合成制備量一種新型的AgO-CoO-CdO/聚（丙氨酸）-殼聚糖還原氧化石墨烯（PACSGO）納米復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)不論是對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、銅綠假單胞菌還是對(duì)蠟樣雙歧桿菌有明顯抑制作用。Bakhsheshi-Rad HR等人[23]研究鎂植入物與石墨烯衍生物結(jié)合復(fù)合材料，通過(guò)靜電紡絲方法將具有不同濃度氧化石墨烯-納米銀復(fù)合物（GO-AgNPs）結(jié)合PLLA，形成符合材料聚-L-乳酸/氧化石墨烯-銀納米顆粒，沉積在鎂合金上，抗菌試驗(yàn)表明對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抗菌性較好。

4 石墨烯及其衍生物在組織工程方面研究

石墨烯及其衍生物具有特殊的機(jī)械性能，使得其在再生醫(yī)學(xué)、干細(xì)胞和組織工程等有一定的研究?jī)r(jià)值。Adamowicz J等人[24]研究由羊膜（Am）和石墨烯構(gòu)建的新型生物復(fù)合導(dǎo)電材料，在細(xì)胞和外部刺激之間建立了界面以代替神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，保持了Am獨(dú)特生物學(xué)特性，同時(shí)利用豬尿肌的平滑肌細(xì)胞 （SMC）和豬膀胱上皮細(xì)胞（UC）生物復(fù)合材料組成的組織工程構(gòu)建體，用于評(píng)估開(kāi)發(fā)生物材料的特性，發(fā)現(xiàn)石墨烯層的存在顯著提高了生物復(fù)合材料的電導(dǎo)率。Zambrano-Andazol I等人[25]研究石墨烯與眼科治療生物膜方面，開(kāi)發(fā)了用于眼部再生醫(yī)學(xué)的還原氧化石墨烯膜（rGOM），并研究了其與不同類(lèi)型的人眼細(xì)胞的體外和體內(nèi)生物相容性和基因毒性，發(fā)現(xiàn)rGOM允許不同眼細(xì)胞的生長(zhǎng)，而不會(huì)在短期內(nèi)誘導(dǎo)體外或體內(nèi)細(xì)胞毒性或基因毒性，進(jìn)而證明rGOM可能是再生醫(yī)學(xué)中治療不同眼病的有希望的候選材料。Liu X等人[26]研究氧化石墨烯嵌入納米復(fù)合水凝膠的組織工程，將氧化石墨烯片共價(jià)交聯(lián)成水凝膠，引入了豐富的可交聯(lián)雙鍵來(lái)合成氧化石墨烯-三丙烯酸酯片（GO-TrisA）制造了聚丙烯酰胺（PAM）納米復(fù)合水凝膠（rGO-TrisA/PAM），相對(duì)通過(guò)PAM鏈和GO片之間的氫鍵保持的GO/PAM水凝膠相比，前者具有增強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)rGO-TrisA/PAM體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)展示了優(yōu)越的細(xì)胞相容性。Kostopoulos V等人[27]研究石墨烯納納米片狀羥基磷灰石與超分子電紡纖維，為組織工程和細(xì)胞培養(yǎng)尋找潛在材料，分別對(duì)石墨烯納米片（GNP）、羥基磷灰石（HA）以及二者復(fù)合材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)石墨烯納米片狀狀羥基磷灰石復(fù)合材料更好的親水表面和更細(xì)的纖維，認(rèn)為石墨烯及其衍生物在多孔纖維人工細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞培養(yǎng)材料方面大有作為。

5 展望

石墨烯及其衍生物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域這幾年成為研究熱點(diǎn)，取得了不少成績(jī)。本文重點(diǎn)對(duì)石墨烯及其衍生物的制備方法，以及生物安全、抗菌研究和組織工程等四個(gè)方面進(jìn)行探討，可以看出來(lái)石墨烯及其衍生物在生物學(xué)領(lǐng)域的研究目前還處于初級(jí)起始階段，面臨諸多挑戰(zhàn)和機(jī)遇，不論是控制毒性方面還是治療局限性方面都需要進(jìn)一步研究。

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