二维材料“遇见”生物大分子：机遇与挑战

杜春保 ，胡小玲 ，张刚 ，程渊 ,＊

1西安石油大学化学化工学院，西安 7100652西北工业大学理学院，西安 7100723新加坡科技研究局高性能计算研究所，新加坡 138632

1 引言

2004年具有单原子厚度的二维石墨烯的问世，打破了“热力学定律不允许任何二维晶体在有限温度下存在”这一原有科学认识。此后，二维材料以其优异的特性开启了材料科学的新时代1-7。伴随着科技创新的迅速发展，基于二维材料的纳米科学与技术取得了巨大进步。到目前为止，二维材料已广泛涉及到单质、非金属化合物、金属化合物、盐类和有机物等。除了石墨烯8-13，其它典型的二维材料如氮化石墨烯(C2N)14、六方氮化硼(h-BN，碳和氮以等比例共价连接成的类石墨烯六角结构)15,16、过渡金属硫族化合物(TMDs，过渡金属元素和硫族元素S/Se/Te组成的化合物，如MoS217-22、WS223、TiS224、VS225、TaS226、ZrS227、MoSe228、WSe229、NbSe230、Bi2Se331、MoTe232-34等)、过渡金属氧化物(TMOs，如ZnO35、MoO236、WO337等)、类石墨相氮化碳(g-C3N4)38、磷烯(单层磷原子形成的褶皱蜂巢结构)39-44、硼烯45、硅烯(单层硅原子形成的弯曲状蜂巢结构)46、锗烯47、砷烯(单层砷原子形成的椅状蜂巢结构)48、锑烯49,50和锡烯51等始终是当前材料科学的研究热点。经过十几年学术界与工业界的不懈努力，二维材料家族的成员不断增加，它们以各自独特的光学、力学、电学和化学性质，在能源转换、电子器件、传感和生物医学等领域展现了广泛的应用前景52-56。在自然界中，生物分子(尤其是生物大分子)以非共价键或共价键被吸附或固载到纳米材料表面是一种非常广泛的现象57-62。纳米材料与生物大分子的结合可以构建各种形形色色的新型纳米材料，极大地拓展了纳米材料的范围和应用领域。正是基于这种理念，当二维材料与生物大分子“相遇”时，二者的结合以其各自优异的性能展现了巨大的应用潜力，而深入揭示二维材料与生物大分子之间的作用机制，在纳米电子学器件、生物传感器和疾病治疗等领域起着重要的作用。

通过二维材料与生物大分子之间的“碰撞”来改变生物大分子的“本征”构象从而调整生物大分子的生物化学性质，或将二者组装成纳米复合/杂化材料，其核心是揭示二维材料与生物大分子之间的作用机理，它是决定二者结合后的应用价值的决定性因素。因此，探索不同类型的二维材料和生物大分子之间的作用机理、阐明二者之间的作用规律、开发各种不同性能的纳米复合/杂化材料是当前该领域研究的重要方向。近年来，科研工作者们已相继研制了各种不同类型的二维材料，并通过实验和理论计算相结合的方式揭示了它们与生物大分子之间的作用机理，开发了多种新型的纳米复合/杂化材料，并实现了广泛的应用，使人们看到了二维材料与生物大分子相结合后的潜在应用价值。本文就目前所发现的二维材料和生物大分子之间的作用方式以及通过二者之间的结合所衍生的实际应用进行了一些简单的分类和评述，以便于读者了解二维材料在涉及生物大分子中的应用价值和拓展新颖的应用方向。

2 作用方式

生物大分子主要包括蛋白质、酶、多糖、脂类和核酸(包括脱氧核糖核酸DNA、核糖核酸RNA)等。二维材料与生物大分子之间的结合方式主要包括非共价键结合和共价键结合(图1)。其中非共价键结合主要包括范德华作用、π-π堆叠、静电和疏水作用，而共价键结合主要为二维材料表面的功能基团与生物大分子的功能基团发生化学反应而生成新的化学键。非共价键具有非破坏性，可以更好的保持和发挥生物大分子和二维材料本身的优异性能，并且反应条件温和，操作相对简单。共价键具有较高的破坏性，但是由于其键能较大，使得生物大分子与二维材料之间的结合比较稳定。基于二维材料和生物大分子的多样性，二者之间的结合使其在柔性器件、传感器、智能皮肤、药物递送、疾病治疗和抗菌等领域展现出了广泛的应用前景(图1)

2.1 非共价键结合

图1 二维材料与生物大分子之间的作用方式及应用Fig. 1 The interactions between 2D materials and biomacromolecules and relevant applications.

图2 (a)无石墨烯作用时，蚕丝蛋白的非结晶区域的二级结构变化；(b)石墨烯存在下，蚕丝蛋白的非结晶区域的二级结构变化；(c)石墨烯作用下，蚕丝蛋白的结晶区域的氢键数目变化Fig. 2 Time-evolution of the secondary structures of amorphous region in of silk protein without(a) and with (b) graphene; (c) Number of hydrogen bonds of crystalline region in the bottom layer with (blue curve)and without (red curve) graphene as a function of simulation time.Adapted from Ref. 63.

石墨烯是最典型的二维材料。以石墨烯为出发点，揭示石墨烯与生物大分子之间的作用机理可以为理解其它二维材料与生物大分子之间的作用提供一些理论参考。近年来，Cheng等63-65以石墨烯与蚕丝蛋白为研究目标，展开了一系列有趣的研究。蚕丝蛋白具有很多优异的性质，如高机械强度、硬度、生物相容性和生物可降解性，而这些优异的性质使其被广泛应用于服装/医用织物、组织工程支架、药物/基因载体、光学元件和传感器等领域。蚕丝蛋白是一种多区域的共聚物，主干网包括交替的纳米尺寸的疏水区域和亲水区域，涉及各种氢键作用、极性-极性作用和疏水-疏水作用。揭示蚕丝蛋白的不同区域与石墨烯之间的作用机理，有利于通过石墨烯来调控蚕丝蛋白的机械性能，提高其应用价值。Cheng等63采用分子动力学模拟研究了石墨烯与蚕丝蛋白(非结晶区域和结晶区域)之间的作用方式。结果表明，蚕丝蛋白的非结晶区域与石墨烯之间的作用主要为疏水作用。蚕丝蛋白的非结晶区域在水溶液中的稳定性较差，其二级结构螺旋含量仅为1.79%。与石墨烯结合后，非结晶区域中的丙氨酸(Ala)和苏氨酸(Thr)中的疏水基团(甲基)易于通过疏水作用与石墨烯结合，使该区域二级结构的螺旋含量提高至48.21%。其中，形成的310-螺旋序列结构为丙氨酸-甘氨酸-丙氨酸(Ala-Gly-Ala)和丙氨酸-甘氨酸-苏氨酸(Ala-Gly-Thr)，Ala的侧链甲基和石墨烯之间的疏水作用，诱导310-螺旋结构的形成(图2a，b)。在没有甲基的氨基酸序列中，不会形成螺旋结构。即非结晶区域中末端的3个氨基酸残基(如苏氨酸-甘氨酸-丝氨酸，Thr-Gly-Ser)与石墨烯结合时却始终不会形成螺旋结构。由此可知，Ala的疏水基团(甲基)与石墨烯之间的疏水作用是形成310-螺旋的主要驱动力。因此，当蚕丝蛋白的非结晶区域与石墨烯结合时，疏水作用是至关重要的。由于非结晶区域和石墨烯之间的结合可以使得该区域形成更多的氢键结合位点、更稳定的氢键结构和更高的螺旋含量，使蚕丝蛋白的非结晶区域具有更高的稳定性，也因此会增强其机械性能。蚕丝蛋白的结晶区域主要是以β-折叠结构为主，它决定了蚕丝蛋白的机械强度。该区域与石墨烯结合时，由于结晶区域内部的β-折叠的链与链之间的氢键结合比较稳定，只有在临近石墨烯位置的β-折叠区域的氢键数据略有改变(图2c)，且波动范围极小。石墨烯与结晶区域之间的范德华力不足以诱导该区域结构的改变，石墨烯对整个β折叠结构的影响并不明显，结晶区域的稳定性较好。因此，石墨烯和蚕丝蛋白的不同区域的结合是由蚕丝蛋白的序列、疏水性以及结构所决定。Wang等66使用氧化石墨烯(GO)和蚕丝蛋白组装成了蚕丝蛋白-石墨烯薄膜。结果表明，仅质量分数0.5%的GO就可以将该薄膜的杨氏模量提高至纯蚕丝蛋白的5.8倍，这与Cheng等63得到的结论一致，即二维材料的高比表面积和蚕丝蛋白之间的疏水作用增强了蚕丝的机械性能。此外，Cheng等67以β-淀粉样蛋白(2BEG)为研究对象，发现石墨烯会通过疏水作用诱导2BEG的二级结构发生显著的改变。由于石墨烯具有强烈的疏水性，溶剂(水)会促进石墨烯向2BEG靠近。最近，他们以四种常见的不同结构的蛋白质(溶菌酶Lyz、牛血红白蛋白Hb、卵清蛋白OVA和牛血清白蛋白BSA)为研究目标，在同等实验条件下研究了GO与它们之间的作用。结果表明，GO可以通过与Lyz之间的疏水作用诱导Lyz的无规卷曲结构转变为更稳定的螺旋结构。而对于Hb、OVA和BSA，石墨烯会诱导螺旋结构转变为β-折叠结构。该四种蛋白质的空间结构和性质上的巨大差异使GO与生物大分子相互作用时的功能存在各向异性。

Zuo等68采用分子动力学模拟研究了绒毛蛋白(HP35)吸附到石墨烯表面的过程。结果表明，π-π堆叠作用是HP35与石墨烯之间结合的主要驱动力，并控制了整个热力学和动力学过程。HP35与石墨烯之间的π-π堆叠作用主要由HP35结构中的五个带苯环的氨基酸残基体现，这种π-π堆叠作用为错位面对面平行堆积作用。石墨烯与HP35之间的相互作用破坏了HP35的疏水部分，从而导致HP35的二级结构发生了很大的变化，主要体现在α-螺旋转变为310-螺旋、β-折叠和β-转角，蛋白质也因此失去了原有的生物学功能。

Chong等69采用实验与理论模拟相结合的方式，研究了石墨烯与四种血液蛋白(牛纤维蛋白原BFG、免疫球白蛋白Ig、转铁蛋白Tf和BSA)之间的作用。结果表明，这四种蛋白质在石墨烯表面的吸附除了疏水作用之外，还主要由焓驱动的π-π堆叠作用来控制，而且它们与石墨烯之间的结合能力以BFG最强，Ig次之，BSA最弱。在涉及石墨烯与生物大分子之间相互作用的研究中，考虑到石墨烯在极性水溶液中不易分散，通常会选择GO作为实验对象。尽管GO的含氧原子基团(如羟基、环氧基和羧基)与生物大分子之间的静电相互作用会在一定程度上增强二者之间的作用，但是由于GO中含有大量的sp2碳杂化区域，GO与生物大分子之间仍然会以π-π堆叠作用和疏水作用为主。

磷脂双分子层是构成细胞膜的基本支架，揭示二维材料与磷脂双分子层之间的相互作用有助于阐明二维材料的生物学毒性。Tu等70最早使用分子动力学模拟发现石墨烯可以通过较强的范德华力从细胞膜中抽取磷脂，从而诱导细胞膜结构的破坏。相比之下，具有含氧基团的GO，由于其亲水基团的存在，会削弱GO与磷脂之间的范德华作用。因此，他们认为具有含氧基团的石墨烯和被还原的GO比纯石墨烯的毒性要小，从而具有更高的生物安全性。在最近的研究中，Li等71通过使用冷冻电子显微镜和染料渗漏实验相结合详细揭示了石墨烯与磷脂之间的作用机理。结果表明，石墨烯与磷脂之间的相互作用并不明显，而GO却可以诱导磷脂结构的破坏。GO对磷脂的破坏除了与GO的氧化程度和氧化位点有关，还由磷脂的强度决定。GO的未被氧化的区域(例如角落处)可以刺穿细胞膜，诱导GO的其它区域更易进入磷脂，导致GO的亲水区域(被氧化的位置)形成孔洞，最终促使细胞膜的破坏。该研究为进一步调控石墨烯的氧化程度来控制其毒性提供了理论和实验依据。

氮化石墨烯(C2N)是一种新型的类石墨烯二维纳米材料，表面分布着周期性的小孔，孔的边界由氮原子组成。由于电子主要富集在氮原子周围，因而C2N的亲水性比石墨烯好。Li等72采用分子动力学模拟研究了HP35在C2N的表面吸附和构象变化的动力学过程，发现HP35与C2N之间的结合是由静电作用主导。在该动力学演变过程中，HP35能够被吸附到C2N的表面，与C2N形成稳定的结合，而且C2N不会导致HP35的结构出现明显的变化。此外，C2N具有固有的周期性孔洞结构，该结构导致的静电势可以吸附带电的氨基酸(赖氨酸Lys和天冬氨酸Asp)，使HP35在C2N的结合位点上十分稳定。通过伞状采样方法发现，HP35在C2N上的吸附位置很固定，高自由能势垒使得HP35几乎不发生平移运动。在Li等73另一项研究工作中，他们发现双链DNA分子与C2N之间具有独特的结合模式，二者之间的特异性结合主要由范德华力和静电作用主导。双链DNA与C2N之间的结合与DNA的初始构象无关，无论DNA和C2N被如何放置，双链DNA都能够垂直地结合在C2N表面。在该结合过程中，双链DNA的结构可以被完好保持(图3a，b)，其内部的Watson-Crick氢键几乎没有受到破坏。与蛋白质的研究结果类似，DNA在C2N表面的平移运动完全被抑制，C2N表面特殊周期结构的第一水合层会导致DNA与C2N结合以后不能再进行平滑移动(图3c)，从而促使其位置被固定。与石墨烯进行对比，C2N对DNA分子也呈现出良好的生物相容性。

此外，Li等74研究了蛋白质在MoS2表面的吸附机理。MoS2是TMDs的代表性二维材料，具有优异的物理化学性质，其应用已广泛涉及能源、器件、催化和生物医学等领域75-81。在该研究中，他们以不同长度的聚丙氨酸(PAn，n = 10，20，30，40)作为模型，通过分子动力学模拟研究了PAn与单层MoS2之间的作用，发现二者之间的结合力主要为范德华力，MoS2会以较快的速率和较强的作用力与PAn结合。由于该作用力比较强，无论PAn的长短如何，MoS2均可以破坏PAn内部的氢键，从而导致其初始的α-螺旋结构的破坏，并最终引起PAn构象发生严重的变化，完全破坏掉其二级结构。

图3 (a，b) DNA与C2N在不同时刻之间的作用(37 ns，42 ns)；(c) C2N表面特殊周期结构的第一水合层Fig. 3 (a, b) Interactions between DNA and C2N at different times (37 ns, 42 ns); (c) Density map of the densest water layer on C2N surface.Adapted from Ref. 73.

磷烯是有序磷原子所构成的单层二维材料，具有直接带隙和优异的电子迁移能力。Zhang等82以HP35为目标，采用分子动力学模拟研究了磷烯与HP35之间的作用。结果表明，磷烯与HP35之间的结合主要以色散力和疏水作用为主。其中芳香族氨基酸与磷烯之间的色散力比疏水作用强。此外，与石墨烯进行对比时，他们还发现，石墨烯与HP35之间的π-π堆叠作用强于色散力，而且石墨烯对HP35的破坏能力远大于磷烯。

DNA/RNA的基础组成单位为核苷酸碱基对(腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶)、揭示这些基本组成单位与二维材料之间的作用机理对生物分子的捕捉和检测具有重要意义。Hussain等83使用量子力学计算研究了硅烯/锗烯与DNA/RNA的核苷酸碱基对之间的作用。结果表明，DNA/RNA的核苷酸碱基对与硅烯/锗烯之间的结合过程同时存在物理吸附和化学吸附过程，其中以鸟嘌呤与硅烯/锗烯之间的结合能力最强，这是因为由鸟嘌呤的氧原子与硅烯/锗烯之间的电子转移所致。此外，该研究还发现，在蛋白质的基本组成单位的芳环氨基酸(酪氨酸Tyr、色氨酸Trp、组氨酸His、苯丙氨酸Phe)和杂环分子(环戊烷、呋喃、吡咯、噻吩、苯、吡啶、吡喃、四氢噻喃)中，硅烯/锗烯与它们之间的结合过程也同时存在物理吸附和化学吸附过程，Trp与硅烯的结合能力强，Tyr与锗烯之间的结合能力强，均为错位面面平行的π-π堆叠作用。在杂化分子中，吡啶分子的氮原子与硅烯之间存在较强的电子转移作用，四氢噻喃与锗烯之间存在着较强的范德华作用。Jagvaral等84也通过量子力学计算研究了气相和溶剂化环境中蛋白质的基本组成单元与硅烯之间的作用。该研究以氨基酸的三种类型的功能基团(烷基基团、含氧/氮基团和苯环)作为研究目标，发现烷基和硅烯之间的作用为物理吸附的范德华作用，含氧/氮基团与硅烯之间的作用为化学吸附的电子转移作用，苯环与硅烯之间为物理吸附的π-π堆叠作用。由于蛋白质的体积较大，蛋白质与二维材料的作用实际上为蛋白质的侧链与硅烯之间的作用。由于硅烯是一种呈酸性的二维材料，无论在气相环境中还是溶剂化环境中，蛋白质与硅烯之间的作用均为物理吸附和化学吸附共存的协同作用。

2.2 共价键结合

在生物大分子的结构中存在大量的氨基和羧基等活性功能基团。二维材料与生物大分子之间的共价键结合，主要是通过二维材料表面特殊的功能基团(如羧基、羟基、环氧基等)与生物大分子的功能基团发生化学反应来实现。在通常的实验条件下，石墨烯即可被氧化成GO，并带有羟基、羧基和环氧基等基团。因此，在当前二维材料与生物大分子之间的共价键结合的研究中，以石墨烯最为普遍。例如，Shen等85使用BSA对GO进行了共价功能化。他们首先使用浓硫酸(H2SO4)和高锰酸钾(KMnO4)对GO进行活化，赋予其表面具有羧基功能基团，然后通过与1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDAC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)反应形成稳定的活性酯基，该活性酯基即可与BSA的氨基形成稳定的共价键。该策略为通过其它生物大分子与石墨烯之间的结合来构建新型杂化材料提供了一种简单通用的制备方法。Li等86使用1-芘丁酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯(PNHS)等对GO进行了一系列修饰得到了杂化支架，该支架表面的环氧基团可以与蛋白质的Lys进行共价键结合。Hong等87通过使用葡萄糖氧化酶对GO进行了共价功能化。他们首先将GO与葡萄糖氧化酶混合在一起进行非共价吸附自组装，然后加入戊二醛作为交联剂，通过戊二醛与蛋白质的氨基形成希夫氏碱来获得共价键结合。此外，Wang等88使用铜催化的叠氮-炔反应实现了DNA和GO之间的共价键结合。他们首先使用2-氯乙基异氰酸酯对GO进行改性，然后加入叠氮化钠，将叠氮基团通过卤代烷基亲核取代反应固定在GO表面，随后通过叠氮-炔反应将炔基功能化的DNA与叠氮功能化的GO进行共价键结合，该方法可以在GO表面生成具有超高DNA密度的稳定多价共轭化合物。此外，Yang等89研究了GO与多糖之间的共价键结合。他们使用GO与氯化亚砜进行反应，将其羧基转变为酰氯。酰氯化的GO可以分别与羟丙基纤维素的氨基和壳聚糖的羟基经过肼还原实现共价键结合。经多糖改性的GO，其水溶性和生物相容性都大大提高，在生物医学领域具有潜在的应用前景。

对于其它二维材料的共价功能化研究，目前主要集中在有机小分子，尚未涉及到生物大分子，这可能与这些二维材料的表面功能基团的修饰难度有关。然而通过对石墨烯的研究可以看出，二维材料与生物大分子之间的共价键结合及其相关应用确实取得了进展。这些结合方法不仅可以改善二维材料的分散性，还可以赋予二维材料新的功能。相比于二维材料与生物大分子之间的非共价键结合，共价键结合会破坏二维材料的本征结构，但该方法所得到的结构由于具有高度有序和良好的稳定性等特性，因此同样展现了良好的应用前景。

3 应用

3.1 工程应用

近年来，智能柔性电子器件激发了研究者们的浓厚兴趣。以人造皮肤为例，以前只要求其具有无毒、无刺激和相容好等特性。然而，目前和未来则需要开发多功能仿生电子皮肤，实现如保健监控和人机交互界面等应用。最近，Liu等90采用一种灵活和简单的方法制备了成本低廉的石墨烯-丝绸压力传感器。该研究以丝绸为载体，与石墨烯形成了有序多层结构的三维装置，对压力的灵敏度能达到0.4 kPa-1，测量范围可达140 kPa，作为人造皮肤可实现对人体压力的实时监测。此外，该压力传感器可以与针织服装和纺织产品进行良好的结合，当应对不同压力时，测量范围可达100 kPa，具有灵敏度高、重复性好和柔韧性优异等特点，适用于各种可穿戴电子产品。二维材料还可以与生物大分子组合为智能器件，实现对目标分子的特异性定量检测。例如，Zeng等91通过使用十二烷基苯磺酸钠功能化的GO和辣根过氧化酶通过静电自组装得到了新型的具有层级结构的纳米复合材料用于对过氧化氢(H2O2)的检测。结果表明，辣根过氧化酶可以均匀地分散在GO中，并且其天然结构在组装后仍保持不变。该纳米复合材料作为电极时，对H2O2具有优异的电催化活性。Guo等92通过使用石墨烯、人工过氧化酶和细胞外基质蛋白构建了一种智能型的多功能生物界面体系，并将其应用于细胞的生长和原位定量检测H2O2。石墨烯为人体细胞的生长提供了尺寸上的兼容性，与细胞外基质蛋白结合后，可以促进细胞的吸附和生长。此外，上述体系与人工过氧化酶结合后，可以实现对H2O2的选择性检测。由于石墨烯具有优异的导电性，该多功能生物界面体系检测到细胞外的H2O2分子数目约为1011数量级。相比于其它碳材料体系(如通过碳纳米管-人工过氧化酶，多孔碳-人工过氧化酶，碳化二氧化碳纳米管-肌红蛋白，纳米多孔金-细胞色素c等)，该石墨烯体系对H2O2的检测线可以达到0.10 μmol·L-1。Al-Dirini等93使用石墨烯构建了基于单分子检测的多孔纳米生物传感器。该传感器可以同时在水/盐溶液中检测尺寸最小的Gly。尽管检测对象为小分子，鉴于氨基酸为蛋白质/酶的基本组成单元，该研究可以拓展到二维材料对生物大分子的特异性识别与检测。最近，Zhang等94在温和的实验条件下，使用廉价的丝蛋白纤维剥离石墨制备了高质量的石墨烯分散体。丝蛋白纤维不仅可以赋予该分散体在水溶液中的良好稳定性，还可以提高分散体在胎牛血清溶液中的稳定性和生物相容性。通过该体系制备的丝蛋白-石墨烯复合薄膜还具有良好的柔性和导电性，在生物光学和电子器件领域具有潜在的应用价值。

3.2 疾病治疗

随着二维材料的迅速发展及其二维材料与生物大分子之间的作用机理不断被揭示，二维材料在生物医学领域也得到了学者们的广泛关注。二维材料的比表面积较大，当进入机体后会吸附生物大分子。这些生物大分子可以赋予二维材料以新的生物学功能。例如，二维材料具有帮助解决如阿尔茨海默症等蛋白质折叠疾病的潜力。当前以石墨烯为代表的二维材料在阿尔茨海默症中的研究较为普遍。阿尔茨海默症是最普遍存在的神经退化疾病之一，阿尔茨海默症患者脑部中的Aβ肽通过自组装形成的Aβ聚集体被认为是导致和造成该疾病恶化的重要物质之一。Yang等95通过实验与理论计算相结合研究了GO对Aβ聚集体的破坏作用。结果表明，GO可以从Aβ聚集体中抽取Aβ单体(图4a，b)，该抽取过程的驱动力是二者之间的疏水作用和π-π堆叠作用的协同作用力。此外，他们通过使用原子力显微镜和硫磺素荧光实验证实，GO不仅可以将成熟的Aβ聚集体切成片，还可以抑制Aβ单体的聚集，阻止其形成Aβ聚集体(图4c，d)。细胞实验也表明，GO可以降低由Aβ聚集体所导致的细胞毒性。因此，基于石墨烯的纳米疗法具有解决关于阿尔茨海默症和其它蛋白聚集相关疾病的潜力。

图4 (a，b) Aβ聚集体与石墨烯在不同时刻之间的作用；(c) Aβ聚集体的原子力显微镜图；(d) GO作用后的Aβ聚集体的原子力显微镜图Fig. 4 (a, b) Interactions between Aβ fibrils and graphene at different times; (c, d) AFM images of Aβ fibrils without and with GO.Adapted from Ref. 95.

二维材料也可以进一步被设计或组装成多孔材料进行药物递送。Cheng等96在之前的研究基础上，根据石墨烯的特性，巧妙地设计了一种卷筒状的碳纳米材料，发现具有疏水特性的碳纳米管可以保护其内部的蚕丝蛋白晶粒免受外界水分子的削弱作用，是一种优异的药物递送体系。该研究为将二维材料设计成特殊的卷叠结构，通过控制其结构的尺寸和内部空腔的大小构建生物医学器件具有一定的指导作用。Weng等97构建了一种良好水溶性和生物相容性的多孔h-BN纳米材料。由于该纳米材料的制备是基于碳原子在石墨化碳氮化合物中的热取代反应，因此能够产生具有较高羟基化度的多孔结构。此外，多孔结构的h-BN纳米材料对抗癌药物分子阿霉素(DOX)的载药量可达质量分数的309%，其治疗效果也远远优于游离的DOX。Chu等98使用GO和脱细胞真皮基质构建了一种杂化混合支架。将该支架植入糖尿病患者的伤口中，可以促进细胞增生，诱导骨髓间充质干细胞分化成脂肪细胞和成骨细胞，从而实现糖尿病患者伤口的早期创面愈合。此外，该杂化混合支架还可以作为强大的药物输送系统来开发干细胞治疗方法、组织工程和再生医学。

除了良好的导热和结构稳定性，二维材料在近红外光区域还展现出优异的吸收特性，是一种良好的光热转换试剂。表1是近年来报导的一些典型的二维材料的光热转换性能在生物医学中的应用汇总，表明二维材料的光热转换性能在肿瘤治疗中展现了良好的应用前景。例如，Yin等99使用壳聚糖对MoS2进行修饰，制备了生物相容性好的纳米材料。该纳米材料被递送到肿瘤细胞部位时，除了具有优异的成像性能，还具有良好的光热-化疗协同抗肿瘤效果。Yong等100制备了BSA修饰的WS2纳米材料，该纳米材料在肿瘤部位具有超强的计算机断层扫描成像信号，可为疾病的诊断与确认提供强有力的证据。

3.3 抗菌

当前抗生素的滥用导致细菌的耐药性逐渐增强。在某些环境中，二维材料可对细菌和一些正常细胞的生存产生影响，被认为具有一定的抗菌活性，存在对微生物感染治疗的潜力101-116。例如，Tu等70将GO溶液加入到大肠杆菌溶液中，发现大肠杆菌在短时间内对低浓度的GO具有耐受能力。然而，随着时间的推移，大肠杆菌的细胞膜逐渐遭到破坏，并最终失去细胞完整性，甚至完全失去了细胞质。GO抗菌的方式主要是通过末端疏水区域逐步嵌入到细胞膜的磷脂中，其独特的sp2碳杂化结构使GO与脂质分子之间的分散相互作用异常强烈，GO通过范德华力和疏水作用力将磷脂抽取出来，破坏细胞膜的结构，使胞内的物质流出，最终导致细菌的死亡。Pham等112使用实验与理论计算相结合，研究了石墨烯表面的抗菌行为。他们设计了不同边缘长度和不同方位角度的石墨烯，并将其加入到棒状的铜绿假单胞菌和球状的金黄色葡萄球菌培养液中，发现石墨烯会促使细菌细胞壁的孔隙的形成，造成渗透失衡，引起细胞死亡。他们还发现石墨烯边缘的密度是影响石墨烯抗菌性能的主要因素。此外，Xiong等113使用探针式细胞破碎仪在无氧去离子水中制备了磷烯，然后以革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性枯草杆菌为研究对象，通过细菌生长曲线、菌落计数和活/死细胞染色等方法研究了磷烯的抗菌特性。结果表明，磷烯对大肠杆菌和枯草杆菌具有显著的抗菌效果，抗菌效率分别高达91.65%和99.69%，且存在强烈的时间和浓度依赖性。磷烯对大肠杆菌的最强破坏时间远高于枯草杆菌，这种差异是由于两种细菌的细胞膜的结构不同和功能的差异所致。该研究揭示了两种抗菌机理，即依赖于活性氧的氧化应激反应和磷烯的边缘诱导的细胞膜损伤效应。其中，氧化应激是由于磷烯和细胞膜之间的电荷转移活动所致，而细胞膜的损伤是由于磷烯的边缘抽取细胞膜中的磷脂造成的。如前所述，二维材料具有优异的光热转换特性，这种特性使其也具有抗菌性能。例如，Hui等114利用GO和聚苯乙烯磺酸钠制备了层层自组装薄膜。在太阳光照射下，该薄膜可以在10 min内杀死空气中90%的细菌。Yin等115使用简单的水热法制备了MoS2并对其进行了生物相容性改性。动物和细胞实验表明，MoS2可以催化H2O2的分解产生羟基自由基；经近红外光诱导，MoS2所产生的热量可以促进谷胱甘肽(GSH)的氧化，加速细菌的死亡，表明该纳米材料对大肠杆菌和枯草杆菌均有良好的抗菌效果。Bang等116使用单链DNA(ssDNA)剥离块状WS2和WSe2分别制备了WS2-ssDNA和WSe2-ssDNA纳米材料。相比于GO，WS2-ssDNA和WSe2-ssDNA纳米材料对大肠杆菌均表现出较强的抗菌活性，其中WSe2-ssDNA纳米材料的抗菌性能更优异。

表1 近年来一些典型的二维材料的光热转换性能在生物医学中的应用Table 1 Applications of photothermal conversion performance of some typical 2D materials in biomedicines.

4 结论

二维材料与生物大分子的结合为工程和生物医学等领域带来了前所未有的机遇和挑战。本文对近年来二维材料与生物大分子之间的相互作用的研究及其应用进行了综述，重点探讨了二者之间的作用方式以及在工程和生物医学领域中的应用。随着越来越多关于二维材料与生物大分子的应用被广泛研究，其强有力的研究成果背后，仍然不得不面对一些非常严峻的问题，比如开发应用成本和循环稳定性等。除了石墨烯以外，当前以化学气相沉积或者机械剥离得到其它二维材料的产率仍然很低，限制了其大规模的应用。以二维材料为基础的电子器件和传感器的开发，虽然灵敏度可以满足实际需求，但其重现性、稳定性和可靠性仍需要进一步证实。此外，在生物医学领域中，二维材料的生物安全性是限制其应用的关键问题，这是因为二维材料进入人体后，势必会对生物大分子的结构和功能造成影响。尽管一些研究已经证实通过对二维材料进行改性来降低生物毒性，提高生物相容性，但是二维材料在人体体内的排放和代谢问题仍然需要更多的动物和临床试验来证实。

基于二维材料与生物大分子之间的作用机理越来越明朗，本文认为后续的研究方向包括：

1) 设计具有特定尺寸和亲疏水性结构的生物大分子作为剥离试剂来制备二维材料/生物大分子纳米复合/杂化材料，减少操作步骤，降低开发成本。

2) 提高生物大分子在与二维材料结合时的分子活性，探索提高活性和降低生物毒性的方法，增强应用稳定性。

3) 扩大应用范围，挖掘应用潜力。充分发挥二维材料与生物大分子的各自优势，将更好地造福人类，创造美好未来。