富勒烯化学修饰与生物医学应用分析

李宣怡

摘要：富勒烯是一种全新的纳米材料，其本身是含碳类物质，并且具备特殊的结构，这让富勒烯拥有了独特的化学和物理性质。在很多领域也都能看到对富勒烯这种物质的分析报道，可以看出目前富勒烯的发展前景一片良好，同时，富勒烯也成为生物学、医药学及许多领域的研究热点之一。虽然富勒烯的优点有很多，但是在富勒烯的制备过程中容易产生有毒有害物质，这对于富勒烯的研究利用来说带来了不好的影响，为此本文对富勒烯的化学修饰做了相关阐述，并综述了富勒烯在生物医学方面所做的应用分析。

关键词：富勒烯；化学修饰；生物医学；应用；分析

一、研究背景

富勒烯，是由Kroto等人于1985年发现的，它的形状有点类似于足球，所以又称为足球烯。对于富勒烯来说，其涉及的领域也有很多，在化学、生物、物理材料和天文方面都有所研究。可见富勒烯分子具有相当大的科学研究意义。不仅如此，富勒烯的强大性质对生命科学、生物化学以及医药学来讲也有着相当重要的研究价值。由于富勒烯具备的独特的结构和性质，在食品添加剂、化妆品、润滑剂、建筑材料、电子产品和燃料电池等方面都有应用。

二、基本概念

富勒烯是通过单质碳的形式被发现的，它主要有三种同素异形体。富勒烯主要说的是一类物质，它有很多形状，比如以管状，球状还有椭圆状等结构存在，它们实际上都属于富勒烯类，都是叫做富勒烯。富勒烯的结构与石墨的结构相似，不过富勒烯可能有五元环，石墨主要是六元环。而C60是由Robert Curl等人在1985年制备出来的。德国科学家Huffman和Kraetschmer在1989年做的实验果断证明了C60所具有的碳笼型结构，至此富勒烯正式进入到了科学家的眼帘中，并逐渐在科学界占有重要的地位，展开了一个全新的研发阶段。根据实验研究表明，富勒烯类化合物有很多不为人知的独特功效，比如说治疗艾滋病病毒、抑制酶活性、DNA的切割以及光动力学治疗等。

三、富勒烯的制备与提纯机理及方法

（一）富勒烯的制备

无论是什么物质进行制备，首先要考虑的是如何在低成本的过程下进行高浓度的制备。自从科学家发现C60以来，人们陆陆续续的发现了许多种富勒烯的制备方法。富勒烯的制备方法主要以电弧法、热蒸发法、燃烧法和化学气相沉积法为主。

（二）富勒烯的提纯

富勒烯的提纯是一个使富勒烯化合物无杂质的过程。在制备富勒烯的粗产品的过程中，即烟灰中基本上是以C60为主的，C70为辅的混合物，而且还有一些同系物。实际应用的关键就是富勒烯的纯化。常用的富勒烯提纯步骤是：从富含C60和C70的烟尘中先用甲苯索氏提取，然后纸漏斗过滤。蒸发溶剂后，剩下的部分（溶于甲苯的物质）用甲苯再溶解，再用氧化铝和活性碳混合的柱色谱粗提纯，第一个流出组分是紫色的C60溶液，第二个是红褐色的C70，此时粗分得到的C60或C70纯度不高，还需要用高效液相色谱来精分。

四、富勒烯性质

富勒烯的溶解性很差，大部分溶剂都无法将其溶解，实际上我们经常用甲苯、氯苯，或非芳香性溶剂二硫化碳来溶解富勒烯。纯富勒烯的溶液一般是呈现紫色的，而浓度稍微大一些的则会呈现出紫红色，针对富勒烯的同素异形体来说C70的溶液颜色上比C60的稍微显红一些，主要是C70在500nm处还有吸收，所以会更深一些；而其他的富勒烯，如C76、C80等则是呈现出不同程度的紫色。近年來的研究发现富勒烯是室温下唯一可溶解于常规溶剂的碳的同素异性体。

五、富勒烯的化学修饰

目前改善富勒烯水溶性较为常用的方法主要有超声制备富勒烯水溶胶、制备富勒烯的水溶性包结物和在富勒烯表面结合的水溶性基团来合成富勒烯衍生物。目前较好的解决方案就是通过在富勒烯表面加上多个强极性基团来合成水溶性的富勒烯衍生物。富勒烯具有良好的水溶性，这给富勒烯的化学和物理性质做了很好的保障。

富勒烯内部含有金属富勒烯，二者的反应主要有两种：一是金属被放置于碳笼内部，另一种是金属位于碳笼外部。富勒烯碳笼是封闭的中空的多面体结构，内腔直径是0.71nm。

富勒烯在一些特定环境下可引起细胞的凋亡。，而富勒烯的化学修饰会大大改变其毒性作用。研究结果表明，富勒烯连接的羟基和羰基数目与它们的细胞毒性呈负相关。

六、富勒烯的生物医学应用分析

富勒烯及其衍生物在细胞内和生物体内的吸收、分布、代谢是开展生物医学应用的重要前提。富勒烯被认为是清除自由基的海绵，可有效地减少神经元的死亡。富勒烯是一种出色的抗氧化剂，清楚自由基效率高，水溶性好。富勒烯可以有效的保护神经侧索硬化症患者的神经元退化，阻止多巴胺黑质纹状体通路中铁诱导的氧化应激。

富勒烯衍生物可以与细胞色素C相互作用，可以与血清蛋白相互作用，穿过细胞屏障，可以与新陈代谢途径的酶接触。富勒烯表现有抗菌活性，主要是富勒烯与生物大分子不同的相互作用。事实上，这种抗菌活性可能与诱导细胞膜损伤有关。有些富勒烯是不可溶的，因为他们的 基态与激发态的带宽很窄，如C28，C36和C50，C72也是几乎不溶的，但是C72的内嵌富勒烯，如La2@C72是可溶的，这是因为金属元素與富勒烯的相互作用。早期的科学科学家对于没有发现C72很是疑惑，但是却有C72的内嵌富勒烯。窄带宽的富勒烯活性很高，经常与其他富勒烯结合。化学修饰后的富勒烯衍生物的溶解性增强很多，如PC 61BM室温下在氯苯中的溶解度是50mg/mL。 C60和C70在一些溶剂的溶解度列于左表，这里的溶解度通常是饱和浓度的估算值。

富勒烯是它们可作为金刚石薄膜生长的均匀成核位置而起重要作用。富勒烯材料的独特性质之一是它们在较低温度下升华，对于C60，其升华点大约是600℃，这使得富勒烯在不规则形状表面上的气体沉积覆盖相对来说很容易实现。另外，由于富勒烯易溶于像苯和 甲苯这样的极性有机分子溶剂，因而可以在室温下将复杂表面直接浸于制备好的溶液中，待溶剂挥发后就留下一层富勒烯分子薄膜。

七、结语

富勒烯作为一种新式的纳米材料，其发展前景十分可观，对我们生活的许多领域都有很大的帮助，尤其在生物学和医药学方面，我们在对其研发利用的同时也要注意富勒烯的利与弊，掌握好性质，将富勒烯的作用发挥的更好，造福我们的生活。

参考文献：

[1]李炜，赵峰，陈春英，赵宇亮.碳纳米材料的细胞生物效应[J].化学进展，2009（Z1）.

[2]单鹄声，倪瑾，蔡建明.富勒烯衍生物的生物学应用[J].生命的化学，2005（05）.