石墨烯是由碳原子sp2雜化構成的一種新型二維納米材料，由于其獨特的物理化學結構，石墨烯具有獨特優良的電學、光學和力學性質。這些性質使得石墨烯在很多領域都具有極大地應用價值，例如量子物理學、納米電子學、能源存儲和轉換研究、新型催化材料、納米復合材料以及納米生物材料。

    由于其上述廣泛的應用前景，近年來，石墨烯及其衍生物的研究已在多個領域成為備受矚目的研究熱點。 目前有關石墨烯及其衍生物的研究，主要集中在其物理，化學，以及其材料學方面的性質，而石墨烯在生物學及醫學領域的研究工作才剛剛開始。

    石墨烯及其衍生物在生物學及醫學等領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，利用其較強的近紅外光吸收能力，功能化納米石墨烯可以進一步結合光熱治療實現高效抗腫瘤。

    石墨烯同時具有優異的光學和磁學性質，可以用作細胞及醫學檢測成像研究。蘇州大學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》發表了相關領域的綜述，該綜述論文系統的總結了納米石墨烯在生物醫學尤其是腫瘤診療方面近年來的重要工作進展。

    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，細胞及組織信號監測，可植入導電支架材料，微生物燃料電池等生物學及醫學領域逐漸顯現出各種優異性能。

    這些領域的研究雖然內容上千差萬別，但是其最根本的內部聯系在于石墨烯及其復合材料可以極大的促進材料界面跟生物體的相互作用，例如促進蛋白吸附，加快細胞及微生物粘附速度，提供電學及力學刺激等。例如在導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細胞外基質蛋白的吸附速度，從而促進細胞外基質的形成速度，最終加快了細胞或者微生物的附著速度，并為細胞及微生物的生長提供更好的外部微環境。

    除此之外，石墨烯雜化的復合材料還能通過其特異的物理及化學性質來影響細胞的信號機制及生物學功能性。例如南京理工大學馮章啟副教授利用石墨烯包裹的電紡絲支架的高導電性及三維纖維化結構成功實現了對神經細胞的增殖和分化的電刺激調控。2 另外又如上海交通大學附屬第六人民醫院的鄒德榮教授及澳大利亞莫納什大學（Monash University）的李丹教授聯合發表了利用化學還原石墨烯凝膠薄膜加快支架材料的蛋白吸附，細胞粘附及羥基磷灰石沉積，從而加速創傷骨組織的愈合速度。

    上述石墨烯及其衍生物在生物學及醫學領域的新興研究內容，不僅拓寬了石墨烯的應用范圍，同時又具有非常鮮明的多學科交叉特點，將會催生更多新型研究領域和研究成果。盡管上述領域已經有較多創新性研究成果，但是相關領域一直還未有相對全面的綜述文章對其進行全面總結性報道。2017年1月11日，Chemical Reviews在線發表德國柏林自由大學程沖（Chong Cheng）博士后及Rainer Haag教授和美國密歇根大學Nicholas Kotov教授等人聯合撰文的長篇綜述“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、化學結構、改性方式等基本概念，然后概述了石墨烯及其功能化復合物與生物體的相互作用機制，然后總結了目前常用的制備二維及三維石墨烯復合材料的物理化學策略。最后詳細討論了石墨烯基復合材料在細胞及病原體檢測，組織監測、植入體材料、干細胞誘導、組織再生及微生物燃料電池陽極材料等方面應用發展現狀。

    當功能化石墨烯應用于生物學及醫學領域時，由于其高的比表面積及強親疏水作用等因素，復合材料界面最先發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。石墨烯表面很快會富集大量的蛋白，從而使得復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合材料的生物學活性，例如提升細胞粘附、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反應或者降低材料的導電性等。目前關于石墨烯與細胞的相互作用主要是集中在石墨烯的納米毒性方面，其主要毒性機理來自于石墨烯納米片跟細胞膜的直接相互作用，這可能導致細胞膜的直接物理損傷或者引起細胞的氧化應激反應增強，從而導致細胞凋亡。但當石墨烯被復合到其他材料內部，其與細胞膜的“edge-to-face” 接觸模式將變為“face-to-face” 模式。

    這就意味著，石墨烯基復合材料比石墨烯納米分散液具有更加優異的細胞相容性，在復合材料未降解階段，材料的生物學毒性會非常低。而關于石墨烯跟干細胞的相互作用，主要是得益于其較好的細胞外基質蛋白粘附能力，多變的物理化學性質及微納米形貌。其可以通過影響干細胞的粘著斑生長，也會存在電信號傳遞，硬度，褶皺及多孔結構等影響干細胞的形態及生物學活性。此外石墨烯基材料還能富集環境中的生長因子等從而調節或強化干細胞的分化過程，蛋白及基因表達等。

    除此之外，石墨烯納米分散劑還與細菌，病毒等有較強的相互作用，使得其可以用于細菌或病毒的體外檢測，或者用于細菌及病毒的抑制劑。而當石墨烯被復合到陽極支架后，則會促進微生物的粘附和生長，可用于設計高性能微生物燃料電池。

    該綜述進一步的總結了目前常用的制備二維及三維石墨烯復合材料的物理化學策略。在二維復合材料方面，主要有（1）原子級別的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，層層組裝交聯法，原位生長法。而在三維石墨烯基復合材料方面，主要有（1）自組裝的石墨烯水凝膠及氣凝膠，如水熱還原法，多重非共價組裝法等；（2）共價交聯石墨烯基水凝膠，化學交聯劑直接凝膠化，或自由基聚合交聯凝膠化；（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構的石墨烯支架；（7）功能化石墨烯-細胞或細菌雜化材料；（8）其他三維石墨烯基復合材料，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構。不同的二維或者三維石墨烯基復合材料顯示出各異的物理化學性質，在討論完每個種類材料后，該綜述也對每種材料的典型生物及醫學應用做了總結。

    接著該綜述詳細全面的介紹和歸納了石墨烯基復合材料在細胞及病原體檢測、組織器官信號監測、植入體材料、干細胞誘導、組織再生及微生物燃料電池陽極支架等方面的應用發展現狀和面臨的問題。該部分內容較多，就不再一一贅述，請詳細閱讀該綜述的介紹。最后該綜述還總結了目前石墨烯基復合材料在上述新興研究領域所面臨的研究難點和未來發展趨勢。

    例如在細胞及病原體檢測及組織器官信號監測領域，制備具有更加優異的電化學，光學及力學等性能的石墨烯基電極仍然是未來的主要研究趨勢，構建具有更加特異性，高靈敏度以及實時監測能力的石墨烯基電極對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或心臟監測電極。在干細胞工程領域，進一步的探究導電基材如何誘導干細胞分化及內在信號傳遞機制將會極大的促進該領域的發展，特別是在單個細胞或者亞細胞結構水平上的研究。

    進一步設計各種不同類型的石墨烯基導電基材，探究這些納米導電界面對不同類型干細胞的誘導分化效應也非常有必要。 盡管石墨烯基復合材料在組織修復領域已經取得較大的研究進展，但目前的研究主要集中在體外模型上，進一步探明其在體內的環境下的長期效果顯得尤為重要，特別是長達6個月以上的動物實驗，由于石墨烯具有難生物降解的特點，長期系統的生物學觀察將會對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域，進一步開發高微生物粘附，高導電性，低成本的石墨烯基電極將會是人們的不懈追求。傳統電極材料往往只具有二維結構，構建三維連續孔道結構的石墨烯電極，將極大的促進單位體積的微生物負載量，同時將這些電極與高導電集流體進行復合，如不銹鋼網等，也將進一步提升其產電效率。

    總之，石墨烯及其衍生物在生物學及醫學領域的研究還處在起步階段，大多數都處于初步階段，以體外細胞實驗居多，體內實驗較少，要走向實際應用及臨床還有很多實驗數據要補充。尤其是體內生物學評價、不可降解性能及其在體內的毒副作用還有待進一步的系統性研究。以石墨烯為平臺的生物傳感方面和疾病診斷方面，雖然靈敏度達到了實際要求，但是其可靠性、重現性和穩定性還需要進一步的實驗研究，才能制備出相應的器件設備，實現其實際應用。同時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合材料還是需要有針對性的找到符合自己物理化學特性的獨一無二的高端應用才行。

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責任編輯：王元

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