石墨烯是由碳原子sp2雜化構(gòu)成的一種新型二維納米材料，由于其獨(dú)特的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，石墨烯具有獨(dú)特優(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。這些性質(zhì)使得石墨烯在很多領(lǐng)域都具有極大地應(yīng)用價(jià)值，例如量子物理學(xué)、納米電子學(xué)、能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換研究、新型催化材料、納米復(fù)合材料以及納米生物材料。

    由于其上述廣泛的應(yīng)用前景，近年來，石墨烯及其衍生物的研究已在多個(gè)領(lǐng)域成為備受矚目的研究熱點(diǎn)。 目前有關(guān)石墨烯及其衍生物的研究，主要集中在其物理，化學(xué)，以及其材料學(xué)方面的性質(zhì)，而石墨烯在生物學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究工作才剛剛開始。

    石墨烯及其衍生物在生物學(xué)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究主要涉及到生物檢測、疾病診斷、靶向藥物和基因載體、腫瘤的光熱治療，抗菌和抗病毒、生物成像、組織工程等。研究熱點(diǎn)也多集中在石墨烯的生物功能性及生物安全性及其衍生物的合成與制備。由于石墨烯高的比表面積，強(qiáng)親疏水界面作用，使得其具有非常高的藥物及功能分子裝載能力，利用其較強(qiáng)的近紅外光吸收能力，功能化納米石墨烯可以進(jìn)一步結(jié)合光熱治療實(shí)現(xiàn)高效抗腫瘤。

    石墨烯同時(shí)具有優(yōu)異的光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，可以用作細(xì)胞及醫(yī)學(xué)檢測成像研究。蘇州大學(xué)劉莊教授課題組較早的開展了功能化納米石墨烯的抗腫瘤及細(xì)胞顯影與納米安全性方面的研究，該課題組于2013年在《Chemical Society Reviews》發(fā)表了相關(guān)領(lǐng)域的綜述，該綜述論文系統(tǒng)的總結(jié)了納米石墨烯在生物醫(yī)學(xué)尤其是腫瘤診療方面近年來的重要工作進(jìn)展。

    除了靶向藥物和基因載體、腫瘤的光熱治療及生物成像，石墨烯及其功能化衍生物還在生物電極，疾病診斷，細(xì)胞及組織信號(hào)監(jiān)測，可植入導(dǎo)電支架材料，微生物燃料電池等生物學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域逐漸顯現(xiàn)出各種優(yōu)異性能。

    這些領(lǐng)域的研究雖然內(nèi)容上千差萬別，但是其最根本的內(nèi)部聯(lián)系在于石墨烯及其復(fù)合材料可以極大的促進(jìn)材料界面跟生物體的相互作用，例如促進(jìn)蛋白吸附，加快細(xì)胞及微生物粘附速度，提供電學(xué)及力學(xué)刺激等。例如在導(dǎo)電支架及微生物燃料電池陽極材料的研究中，石墨烯改性后的生物支架可以加快材料界面對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的吸附速度，從而促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的形成速度，最終加快了細(xì)胞或者微生物的附著速度，并為細(xì)胞及微生物的生長提供更好的外部微環(huán)境。

    除此之外，石墨烯雜化的復(fù)合材料還能通過其特異的物理及化學(xué)性質(zhì)來影響細(xì)胞的信號(hào)機(jī)制及生物學(xué)功能性。例如南京理工大學(xué)馮章啟副教授利用石墨烯包裹的電紡絲支架的高導(dǎo)電性及三維纖維化結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的增殖和分化的電刺激調(diào)控。2 另外又如上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院的鄒德榮教授及澳大利亞莫納什大學(xué)（Monash University）的李丹教授聯(lián)合發(fā)表了利用化學(xué)還原石墨烯凝膠薄膜加快支架材料的蛋白吸附，細(xì)胞粘附及羥基磷灰石沉積，從而加速創(chuàng)傷骨組織的愈合速度。

    上述石墨烯及其衍生物在生物學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新興研究內(nèi)容，不僅拓寬了石墨烯的應(yīng)用范圍，同時(shí)又具有非常鮮明的多學(xué)科交叉特點(diǎn)，將會(huì)催生更多新型研究領(lǐng)域和研究成果。盡管上述領(lǐng)域已經(jīng)有較多創(chuàng)新性研究成果，但是相關(guān)領(lǐng)域一直還未有相對(duì)全面的綜述文章對(duì)其進(jìn)行全面總結(jié)性報(bào)道。2017年1月11日，Chemical Reviews在線發(fā)表德國柏林自由大學(xué)程沖（Chong Cheng）博士后及Rainer Haag教授和美國密歇根大學(xué)Nicholas Kotov教授等人聯(lián)合撰文的長篇綜述“Functional Graphene Nanomaterials Based Architectures: Biointeractions, Fabrications, and Emerging Biological Applications”。

    該綜述首先介紹了功能化石墨烯的種類、化學(xué)結(jié)構(gòu)、改性方式等基本概念，然后概述了石墨烯及其功能化復(fù)合物與生物體的相互作用機(jī)制，然后總結(jié)了目前常用的制備二維及三維石墨烯復(fù)合材料的物理化學(xué)策略。最后詳細(xì)討論了石墨烯基復(fù)合材料在細(xì)胞及病原體檢測，組織監(jiān)測、植入體材料、干細(xì)胞誘導(dǎo)、組織再生及微生物燃料電池陽極材料等方面應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀。

    當(dāng)功能化石墨烯應(yīng)用于生物學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域時(shí)，由于其高的比表面積及強(qiáng)親疏水作用等因素，復(fù)合材料界面最先發(fā)生的相互作用就是吸附各種生物高分子，特別是非特異性的蛋白吸附。石墨烯表面很快會(huì)富集大量的蛋白，從而使得復(fù)合材料顯示出新的界面特性。大量蛋白吸附后也將極大的增加復(fù)合材料的生物學(xué)活性，例如提升細(xì)胞粘附、生長甚至分化能力等。

    另一方面，蛋白吸附也可能引起材料的免疫學(xué)反應(yīng)或者降低材料的導(dǎo)電性等。目前關(guān)于石墨烯與細(xì)胞的相互作用主要是集中在石墨烯的納米毒性方面，其主要毒性機(jī)理來自于石墨烯納米片跟細(xì)胞膜的直接相互作用，這可能導(dǎo)致細(xì)胞膜的直接物理損傷或者引起細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)增強(qiáng)，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。但當(dāng)石墨烯被復(fù)合到其他材料內(nèi)部，其與細(xì)胞膜的“edge-to-face” 接觸模式將變?yōu)?ldquo;face-to-face” 模式。

    這就意味著，石墨烯基復(fù)合材料比石墨烯納米分散液具有更加優(yōu)異的細(xì)胞相容性，在復(fù)合材料未降解階段，材料的生物學(xué)毒性會(huì)非常低。而關(guān)于石墨烯跟干細(xì)胞的相互作用，主要是得益于其較好的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白粘附能力，多變的物理化學(xué)性質(zhì)及微納米形貌。其可以通過影響干細(xì)胞的粘著斑生長，也會(huì)存在電信號(hào)傳遞，硬度，褶皺及多孔結(jié)構(gòu)等影響干細(xì)胞的形態(tài)及生物學(xué)活性。此外石墨烯基材料還能富集環(huán)境中的生長因子等從而調(diào)節(jié)或強(qiáng)化干細(xì)胞的分化過程，蛋白及基因表達(dá)等。

    除此之外，石墨烯納米分散劑還與細(xì)菌，病毒等有較強(qiáng)的相互作用，使得其可以用于細(xì)菌或病毒的體外檢測，或者用于細(xì)菌及病毒的抑制劑。而當(dāng)石墨烯被復(fù)合到陽極支架后，則會(huì)促進(jìn)微生物的粘附和生長，可用于設(shè)計(jì)高性能微生物燃料電池。

    該綜述進(jìn)一步的總結(jié)了目前常用的制備二維及三維石墨烯復(fù)合材料的物理化學(xué)策略。在二維復(fù)合材料方面，主要有（1）原子級(jí)別的CVD沉積石墨烯薄膜；（2）單層及多層的溶液薄膜組裝，主要方法有旋涂，噴涂，浸漬，電泳，Langmuir-Blodgett 及層層自組裝；（3）自支撐的石墨烯基柔性薄膜，例如抽濾法，模板法，界面組裝干燥法，層層組裝交聯(lián)法，原位生長法。而在三維石墨烯基復(fù)合材料方面，主要有（1）自組裝的石墨烯水凝膠及氣凝膠，如水熱還原法，多重非共價(jià)組裝法等；（2）共價(jià)交聯(lián)石墨烯基水凝膠，化學(xué)交聯(lián)劑直接凝膠化，或自由基聚合交聯(lián)凝膠化；（3）冰模板及冷凍干燥法制備有序多孔石墨烯氣凝膠；（4）三維骨架界面自組裝方法；（5）基于CVD的石墨烯三維泡沫；（6）三維打印制備精確結(jié)構(gòu)的石墨烯支架；（7）功能化石墨烯-細(xì)胞或細(xì)菌雜化材料；（8）其他三維石墨烯基復(fù)合材料，如蜂窩狀石墨烯，石墨烯微球，褶皺石墨烯，濕法紡絲微米纖維，仿貽貝螺旋纖維等結(jié)構(gòu)。不同的二維或者三維石墨烯基復(fù)合材料顯示出各異的物理化學(xué)性質(zhì)，在討論完每個(gè)種類材料后，該綜述也對(duì)每種材料的典型生物及醫(yī)學(xué)應(yīng)用做了總結(jié)。

    接著該綜述詳細(xì)全面的介紹和歸納了石墨烯基復(fù)合材料在細(xì)胞及病原體檢測、組織器官信號(hào)監(jiān)測、植入體材料、干細(xì)胞誘導(dǎo)、組織再生及微生物燃料電池陽極支架等方面的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的問題。該部分內(nèi)容較多，就不再一一贅述，請?jiān)敿?xì)閱讀該綜述的介紹。最后該綜述還總結(jié)了目前石墨烯基復(fù)合材料在上述新興研究領(lǐng)域所面臨的研究難點(diǎn)和未來發(fā)展趨勢。

    例如在細(xì)胞及病原體檢測及組織器官信號(hào)監(jiān)測領(lǐng)域，制備具有更加優(yōu)異的電化學(xué)，光學(xué)及力學(xué)等性能的石墨烯基電極仍然是未來的主要研究趨勢，構(gòu)建具有更加特異性，高靈敏度以及實(shí)時(shí)監(jiān)測能力的石墨烯基電極對(duì)于病原體及疾病的檢測和治療具有重要意義，例如高靈敏度可植入的柔性神經(jīng)或心臟監(jiān)測電極。在干細(xì)胞工程領(lǐng)域，進(jìn)一步的探究導(dǎo)電基材如何誘導(dǎo)干細(xì)胞分化及內(nèi)在信號(hào)傳遞機(jī)制將會(huì)極大的促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展，特別是在單個(gè)細(xì)胞或者亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)水平上的研究。

    進(jìn)一步設(shè)計(jì)各種不同類型的石墨烯基導(dǎo)電基材，探究這些納米導(dǎo)電界面對(duì)不同類型干細(xì)胞的誘導(dǎo)分化效應(yīng)也非常有必要。 盡管石墨烯基復(fù)合材料在組織修復(fù)領(lǐng)域已經(jīng)取得較大的研究進(jìn)展，但目前的研究主要集中在體外模型上，進(jìn)一步探明其在體內(nèi)的環(huán)境下的長期效果顯得尤為重要，特別是長達(dá)6個(gè)月以上的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，由于石墨烯具有難生物降解的特點(diǎn)，長期系統(tǒng)的生物學(xué)觀察將會(huì)對(duì)其全面的生物毒性研究起到重要作用。

    而在微生物燃料電池陽極領(lǐng)域，進(jìn)一步開發(fā)高微生物粘附，高導(dǎo)電性，低成本的石墨烯基電極將會(huì)是人們的不懈追求。傳統(tǒng)電極材料往往只具有二維結(jié)構(gòu)，構(gòu)建三維連續(xù)孔道結(jié)構(gòu)的石墨烯電極，將極大的促進(jìn)單位體積的微生物負(fù)載量，同時(shí)將這些電極與高導(dǎo)電集流體進(jìn)行復(fù)合，如不銹鋼網(wǎng)等，也將進(jìn)一步提升其產(chǎn)電效率。

    總之，石墨烯及其衍生物在生物學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究還處在起步階段，大多數(shù)都處于初步階段，以體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)居多，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)較少，要走向?qū)嶋H應(yīng)用及臨床還有很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要補(bǔ)充。尤其是體內(nèi)生物學(xué)評(píng)價(jià)、不可降解性能及其在體內(nèi)的毒副作用還有待進(jìn)一步的系統(tǒng)性研究。以石墨烯為平臺(tái)的生物傳感方面和疾病診斷方面，雖然靈敏度達(dá)到了實(shí)際要求，但是其可靠性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，才能制備出相應(yīng)的器件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)其實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)考慮到石墨烯較高的生成成本，在未來的研究中，各種功能化石墨烯基復(fù)合材料還是需要有針對(duì)性的找到符合自己物理化學(xué)特性的獨(dú)一無二的高端應(yīng)用才行。

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