石墨烯类材料的制备以及在生物学方面的应用

薛璐金

摘 要：石墨烯是一种由单层C原子SP2杂化的方式堆积形成二维蜂窝状晶格结构的新型纳米材料，具有良好的光学、导电、低毒、抗菌等特性。石墨烯及其衍生物的研究进展十分迅速，现对近年来石墨烯及其衍生物的制备方法以及生物学方面的研究进行综述，探讨其在生物学领域的巨大应用潜力。

关键词：石墨烯;衍生物;材料化学;生物

中图分类号：TB383  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2022）01-0008-04

2010年10月5日瑞典皇家科学院宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究，自此石墨烯成为材料化学研究的新宠儿。石墨烯（Graphene）是一种由单层C原子以SP2杂化的方式堆积形成二维蜂窝状晶格结构的新型纳米材料，具有良好的光学、导电、低毒、抗菌等特性，使得石墨烯及其衍生物在生物学领域迅速成为研究热点[1-3]。本文就石墨烯和石墨烯衍生物的制备方法以及在生物学领域的研究进行探讨。

1 石墨烯及其衍生物的制备

1.1 物理制备

2004年曼彻斯特大学的Novoselov K S等人[4]首次描述了单层晶体石墨烯，并探究了电场效应，到2007年Williams J R等人[5]研究石墨烯中量子霍尔效应，均用用胶带反复粘贴石墨制备获得少量单层石墨烯，极大地刺激了广大研究者的兴趣。雷达等人[6]为了提高金属散热器的散热效率，利用自制的超临界CO_2射流空化装置获得高质量的石墨烯纳米粉，将该纳米粉制备成高散热性能的石墨烯复合涂料，并且用喷涂法制备了表面具有石墨烯复合散热涂层的金属复合散热器，证明利用该物理方法法剥离制备的石墨烯纳米粉纯度高、片层大、层数少，具有良好的导热性能，使用该石墨烯纳米粉体制备的石墨烯复合材料涂层并使金属散热器的散热效率提高15.6%～21.6%。廖国东等人[7]以不同富氮碳源作为前驱体制备块体氮化碳（g-C3N4，CN），利用高温-快速气化联合的方法对块体CN进行剥离，制备了超薄CN纳米片，并经过一系列优化得到制备条件最优的富氮碳源和氮化碳的剥离量，发现不同富氮碳源制备的CN剥离后的比表面积均大大增加，与块体CN相比，剥离后的超薄CN比表面积更大，平均片层厚度更小，为大规模制备原子层数可调的超薄CN纳米片的工业化应用提供了新的思路。刘长青等人[8]提出一种超临界N-甲基吡咯烷酮插层、剥离可膨胀石墨（EG）制备石墨烯的新方法，充分利用超临界流体优异的特性成功获得石墨烯，该方法为制备高质量石墨烯提供一条非常有潜力的途径。Sinclair RC等人[9]进行原子水平的石墨烯微机械剥离，利用分子动力学探究了物理剥离石墨烯，并优化了物理剥离石墨烯的实验方法。

1.2 化学制备

石墨烯及其衍生物的化学制备目前被公众认可度更高，而且相对物理法，化学制备可以大批量制备石墨烯及其衍生物。Zhang J等人[10]通过液相剥离法在异丙醇-水混合物中以盐为助剂制备量石墨烯，利用滴铸法制备的石墨烯薄膜显示出优异的导电性。Sontakke AD等人[11]利用低频超声加工获得氧化石墨烯纳米微球（GON），利用Hummer法合成成氧化石墨烯（GO）。Marjani A等人[12]研究氧化石墨烯对聚醚砜膜性能改性的影响及其在废水处理中的应用，利用化学法制备量氧化石墨烯颗粒，用于复合纳米膜的研究，发现扫描电子显微镜分析添加氧化石墨烯的复合纳米膜不论纯水通量还是盐截流率或者重金属去除率都优于未添加氧化石墨烯的纳米膜。Esmaeili E等人[13]研究氧化还原法获得的石墨烯/银纳米复合材料在生物医学潜力，利用化学法合成氧化石墨烯，为了防止银纳米粒子 AgNPs聚团，使其被装饰在还原氧化石墨烯（rGO）片上，病理学研究表明，包含rGO/Ag纳米复合材料和姜黄素的支架对伤口愈合的影响最明显，可以提高人工伤口的愈合率，这表明石墨烯纳米材料在伤口愈合中具有良好的生物医学潜力。Kumari S等人[14]研究化学法合成氧化石墨烯-银（GO-Ag）纳米复合材料，通过降解亚甲蓝染料研究了纳米复合材料的光催化应用。结果表明，在GO表面掺杂AgNPs不仅可以改善其染料降解性能，还可以增强其热释光性能，进一步证明GO-Ag纳米复合材料的优越抗菌性能。

2 石墨烯及其衍生物在生物安全方面研究

近几年，随着对石墨烯及其衍生物的研究日益增多，人们对其优越的电学、力学、生物医学等方面的性能进行了广泛研究，发现石墨烯虽然毒性低，但是在做药物载体、临床检测等研究中仍存在着一定安全隐患。Manjunatha B等人[15]研究原始石墨烯（pG）对水生脊椎动物的影响，利用发育中的斑马鱼胚胎作为体内模型系统对pG的毒性进行了实验评估，通过胚胎发生，观察到pG会导致显著的胚胎死亡率、孵化延迟、心跳、几种形态学缺陷、心包毒性和心动过缓，认为pG对无脊椎动物发育中的胚胎心脏缺陷有一定影响。随后该团队还研究不同浓度的原始石墨烯（pG）和氧化石墨烯（GO）对发育中的斑马鱼（Danio rerio）幼虫或幼鱼造成的多器官系统进行实验评估，发现pG和GO在脑组织中的大量积累，影响心跳和降低存活率，还破坏了线粒体结构，导致多器官缺陷[16]。Mohamed HRH等人[17]研究氧化石墨烯（GO）纳米粒子颗粒对小鼠染色体和DN损伤方面进行安全评估，發现以10、20或40mg/kg三种剂量水平连续1天或5天口服GO纳米颗粒，出现以剂量依赖性方式显著增加小鼠骨髓细胞的微核和DNA损伤水平，并引起组织学损伤。与正常对照小鼠相比，小鼠肝脏和脑组织切片中的病变包括凋亡、坏死、炎症和细胞变性明显。Zhao S等人[18]研究氧化石墨烯对蚯蚓的生化毒性等方面，发现暴露不同剂量GO对于蚯蚓的过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）存在不同程度的抑制，溶酶体的稳定性和DNA损伤呈现剂量和时间依赖性。关于石墨烯及其衍生物的生物安全和生物讲解方面存在很多不足，但是以上研究都提示我们石墨烯材料及其衍生物在生产和使用中对环境和生物存在着一定的安全隐患。

3 石墨烯及其衍生物在抗菌材料方面研究

抗生素的发现，给二战期间的人们带来了巨大医学希望，随之而来的就是抗生素滥用导致的细菌耐药性，甚至产生了超级细菌，因此发现新型抗菌材料一直是人们研究热点。石墨烯及其衍生物与动物细胞具有较好的生物相容性，同时具有抗菌性，为人们抗菌材料的研究带来新的思路。Geng H等人[19]研究氟化石墨烯对细菌和细胞的生物学反应，发现材料表面和血液蛋白质之间的π-π相互作用减弱，将氟引入原始石墨烯平面减少了血小板的粘附和聚集，证明氟化石墨烯复合材料表现出更好的抗菌能力和细胞相容性，优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复材料的镁基合金的改良，评估了石墨烯纳米颗粒（Gr）修饰镁合金对于协同稳定性和抗炎特性，发现添加一定剂量的Gr到铝镁合金中，降解率降低了约4倍，抗菌率提高5倍。Balakrishnan A等人[21]研究聚二甲基硅氧烷-氧化石墨烯纳米复合涂层防腐和抗菌作用，将碳钢（CS）上进行氧化石墨烯-二氧化硅-聚二甲基硅氧烷（GSP）涂层处理，暴露于革兰氏阳性芽孢杆菌、革兰氏阴性假单胞菌和淡水细菌培养72h，证明石墨烯衍生物涂层的CS，具有良好的防腐和抗生物污损性能。Zhang J等人[22]研究石墨烯衍生物纳米复合材料抗菌，化学方法合成制备量一种新型的AgO-CoO-CdO/聚（丙氨酸）-壳聚糖还原氧化石墨烯（PACSGO）纳米复合材料，发现不论是对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌还是对蜡样双歧杆菌有明显抑制作用。Bakhsheshi-Rad HR等人[23]研究镁植入物与石墨烯衍生物结合复合材料，通过静电纺丝方法将具有不同浓度氧化石墨烯-纳米银复合物（GO-AgNPs）结合PLLA，形成符合材料聚-L-乳酸/氧化石墨烯-银纳米颗粒，沉积在镁合金上，抗菌试验表明对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抗菌性较好。

4 石墨烯及其衍生物在组织工程方面研究

石墨烯及其衍生物具有特殊的机械性能，使得其在再生医学、干细胞和组织工程等有一定的研究价值。Adamowicz J等人[24]研究由羊膜（Am）和石墨烯构建的新型生物复合导电材料，在细胞和外部刺激之间建立了界面以代替神经元网络，保持了Am独特生物学特性，同时利用猪尿肌的平滑肌细胞 （SMC）和猪膀胱上皮细胞（UC）生物复合材料组成的组织工程构建体，用于评估开发生物材料的特性，发现石墨烯层的存在显著提高了生物复合材料的电导率。Zambrano-Andazol I等人[25]研究石墨烯与眼科治疗生物膜方面，开发了用于眼部再生医学的还原氧化石墨烯膜（rGOM），并研究了其与不同类型的人眼细胞的体外和体内生物相容性和基因毒性，发现rGOM允许不同眼细胞的生长，而不会在短期内诱导体外或体内细胞毒性或基因毒性，进而证明rGOM可能是再生医学中治疗不同眼病的有希望的候选材料。Liu X等人[26]研究氧化石墨烯嵌入纳米复合水凝胶的组织工程，将氧化石墨烯片共价交联成水凝胶，引入了丰富的可交联双键来合成氧化石墨烯-三丙烯酸酯片（GO-TrisA）制造了聚丙烯酰胺（PAM）纳米复合水凝胶（rGO-TrisA/PAM），相對通过PAM链和GO片之间的氢键保持的GO/PAM水凝胶相比，前者具有增强的机械强度和热稳定性，同时发现rGO-TrisA/PAM体外细胞实验展示了优越的细胞相容性。Kostopoulos V等人[27]研究石墨烯纳纳米片状羟基磷灰石与超分子电纺纤维，为组织工程和细胞培养寻找潜在材料，分别对石墨烯纳米片（GNP）、羟基磷灰石（HA）以及二者复合材料进行研究，发现石墨烯纳米片状状羟基磷灰石复合材料更好的亲水表面和更细的纤维，认为石墨烯及其衍生物在多孔纤维人工细胞外基质和细胞培养材料方面大有作为。

5 展望

石墨烯及其衍生物在生物医学领域这几年成为研究热点，取得了不少成绩。本文重点对石墨烯及其衍生物的制备方法，以及生物安全、抗菌研究和组织工程等四个方面进行探讨，可以看出来石墨烯及其衍生物在生物学领域的研究目前还处于初级起始阶段，面临诸多挑战和机遇，不论是控制毒性方面还是治疗局限性方面都需要进一步研究。

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