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在石墨烯之中，碳原子之間的連接十分緊密且柔韌，當(dāng)有外部機(jī)械力施加時(shí)，碳原子的內(nèi)部會(huì)發(fā)生一定的變形情況，最終令碳原子不需要重新排列也能對(duì)外力進(jìn)行適應(yīng)，為內(nèi)部的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供基礎(chǔ)條件。作為一種單層的石墨，石墨烯呈現(xiàn)出碳六元環(huán)蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可翹曲成富勒烯，也能卷成碳納米管，可在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到較好應(yīng)用。

1.1 石墨烯的制備

在石墨烯制作過程中，主要的制作方法包括機(jī)械劈裂法、晶體生長法、化學(xué)氣相沉積法以及氧化還原法等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新的石墨烯制作方式被研發(fā)出來，如等離子體生長技術(shù)等。在上述所有石墨烯制備過程中，化學(xué)法制備過程相對(duì)簡單，而且能源消耗量很低，受到了相關(guān)領(lǐng)域研究人員的高度青睞。在利用化學(xué)法制備石墨烯時(shí)，利用氧化石墨、微粒石墨等作為石墨的主要來源，在此過程中，氧化石墨具有較多的含氧官能團(tuán)，很多行為具有不可逆特性，對(duì)石墨烯的電學(xué)性能造成很大影響，而在微粒石墨作為石墨源進(jìn)行使用時(shí)，具有缺陷少、導(dǎo)電率良好等特點(diǎn)，經(jīng)常被用于石墨烯制備過程中。

另外，利用石墨烯制作的材料極，可用于納米器件的制作。在在很多傳統(tǒng)制作方式中，所制備出來的石墨烯往往處在微米尺寸的范圍內(nèi)。為了確保石墨烯在納米器材中得到應(yīng)用，需要采取更好的措施將石墨烯層切割成納米器材所要求的形態(tài)，在尺寸要求上必須達(dá)到納米級(jí)別。在研究過程中，Pan等人發(fā)明了一種熱液方式，這種方式可以將預(yù)氧化的石墨進(jìn)行合理切割，使其溶解成很細(xì)的量子點(diǎn)，在此過程中，研究人員還發(fā)現(xiàn)了藍(lán)光現(xiàn)象，這也說明以石墨烯為基礎(chǔ)的應(yīng)用材料可擴(kuò)散到更多領(lǐng)域中，如光電子學(xué)等[1]。

1.2 石墨烯基復(fù)合材料的制備

在應(yīng)用過程中，薄層石墨烯具有很大的應(yīng)用潛力，在加上制作成本低廉，在復(fù)合材料的制作上也提升了石墨烯的應(yīng)用地位。人們發(fā)現(xiàn)，如果能將石墨烯與無機(jī)物、聚合物等復(fù)合在一起，便可以促使石墨烯復(fù)合材料的形成。由于石墨烯的特殊性能，石墨烯復(fù)合材料的功能也受到了很多期待。很多研究學(xué)者證實(shí)，如果在還原態(tài)的石墨烯片上加入高溫的乙酰丙酮鐵，并可以得到處于還原狀態(tài)的石墨烯。如此一來，石墨烯便可以通過表面電荷密度和顆粒尺寸的控制，對(duì)復(fù)合材料的磁性進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，這種性質(zhì)促使石墨烯復(fù)合材料在蛋白質(zhì)分離等方面得到重要應(yīng)用。截止到目前，常見的石墨烯基復(fù)合材料制備方式主要有：化學(xué)耦合法、萃取分散法、還原反應(yīng)等。

從目前發(fā)展過程來看，石墨烯復(fù)合材料的制備是相關(guān)領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)話題之一，雖然石墨烯本身具有良好的特殊性能，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，性能效果并沒有完全表達(dá)出來，很多研究人員都希望利用石墨烯的復(fù)合方式，實(shí)現(xiàn)石墨烯在更多領(lǐng)域之中得到應(yīng)用。

2.1 生物成像

石墨烯具有較強(qiáng)的相容性，便于各個(gè)細(xì)胞之間進(jìn)行黏附。再加上化學(xué)性能和光學(xué)特點(diǎn)，石墨烯成為了較高的生物成像材料。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，熒光素可以通過PEG與GO表面相連接，可產(chǎn)生能夠調(diào)節(jié)PH值的熒光信號(hào)，同時(shí)進(jìn)一步提升了石墨烯的生物相容性，在石墨烯與熒光素直接相連時(shí)，被氧化的石墨烯可引起熒光出現(xiàn)淬滅現(xiàn)象，但由于中間體PEG的連接作用，可以將這種淬滅現(xiàn)象有效避免。在石墨烯與熒光素結(jié)合使用過程中，可提升熒光素對(duì)腫瘤細(xì)胞的通透性，從而提升細(xì)胞對(duì)熒光素的吸附能力。在能量較低的紅外光作用之下，低劑量的GO具有較強(qiáng)的腫瘤細(xì)胞處理能力。但如果對(duì)石墨烯進(jìn)行單獨(dú)熒光成像，熒光素自身的淬滅現(xiàn)象將會(huì)對(duì)最終觀測(cè)效果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。Park等人在研究過程中將鹽酸多巴胺與石墨烯表面相結(jié)合，之后再與透明質(zhì)酸分子相互結(jié)合，最終將質(zhì)酸分子帶到腫瘤細(xì)胞的表面。通過顯微鏡成像發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞的受體上出現(xiàn)了很強(qiáng)的熒光現(xiàn)象。同時(shí)將阿霉素利用細(xì)胞鍵與石墨烯量子點(diǎn)結(jié)合，從而確定抗癌藥物最終是都到達(dá)癌細(xì)胞附近。

2.2 腫瘤治療

目前，人類腫瘤發(fā)病率已經(jīng)超過了心血管疾病，成為人類致死的罪魁禍?zhǔn)?，?duì)人們生命和健康產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。在腫瘤治療過程中，研究人員期待用最小的藥物劑量、最小的傷口創(chuàng)傷將腫瘤細(xì)胞殺死，同時(shí)不對(duì)人們機(jī)體中的其他細(xì)胞產(chǎn)生破壞。石墨烯在使用過程中可以吸附700到1000mm內(nèi)的紅外光，之后產(chǎn)生出大量熱，從而實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的有效切除。這種治療方式被人們稱為光熱治療法，該治療機(jī)制主要包括氧集團(tuán)的產(chǎn)生、相關(guān)酶的激活、DNA片段撕破以及線粒體膜去極。在多種治療因素的相互配合下，能夠幫助石墨烯通過光熱治療效應(yīng)將腫瘤細(xì)胞徹底殺死，為人們機(jī)體健康提供有利條件[2]。

2.3 抗菌材料

除了生物成像和腫瘤治療之外，石墨烯還可以應(yīng)用到抗菌材料的制作過程中。Fan等人利用石墨烯水溶液的抽濾過程，制作出了石墨烯紙，該紙?jiān)谑褂脮r(shí)可降低大腸桿菌的生長速率。Chen等人將還原石墨、氧化石墨之間的抗菌效果進(jìn)行有效對(duì)比，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氧化石墨在細(xì)菌抵抗過程中展示出的效果最差，而還原石墨的效果要比石墨的效果更佳。在抗菌機(jī)制的研究過程中，這幾種物質(zhì)均可以作為氧化細(xì)菌細(xì)胞膜的電子介質(zhì)，從而為抗菌材料的制備提供有效基礎(chǔ)。

2.4細(xì)胞毒性

一種材料是都能夠被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)是該材料是否能讀生物細(xì)胞產(chǎn)生傷害。因此，相關(guān)研究人員開展了大量研究，印證石墨烯是否具有毒性。Zhang等人將1mg/kg石墨烯注入到小白鼠體內(nèi)，經(jīng)過14天的觀察，小白鼠機(jī)體未出現(xiàn)炎癥反應(yīng)，但當(dāng)研究人員提高石墨烯的注射量時(shí)，小白鼠的肺部出現(xiàn)了明顯水腫和炎癥等現(xiàn)象，而且在機(jī)體局部位置出現(xiàn)了肉芽病變和組織的纖維化發(fā)展。經(jīng)過一系列研究發(fā)現(xiàn)，由于石墨烯的種類不同，對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的影響也不同，石墨烯的毒性需要各種因素的誘導(dǎo)，才能對(duì)生物細(xì)胞產(chǎn)生不同程度的影響。在使用石墨烯時(shí)，研究人員需要對(duì)各種因素進(jìn)行合理評(píng)估，在最大程度上降低毒性。

綜上所述，石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到了一定的應(yīng)用，但我國相關(guān)技術(shù)研究仍處于起步階段，研究過程缺乏系統(tǒng)化理論支撐，想要在實(shí)際領(lǐng)域中得到深入應(yīng)用十分困難。在石墨烯材料使用過程中，需要以細(xì)胞和生命體整體層次為主，對(duì)石墨烯和其衍生物進(jìn)行系統(tǒng)化研究，確定石墨烯在使用過程中的使用機(jī)制，從而為我國醫(yī)療事業(yè)提供幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]王勇,周吉學(xué),程開明. 石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備工藝、組織與性能研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào),2017,31(S1):451-457+462. 

[2]傅深娜,馬利,甘孟瑜. 三維石墨烯及其復(fù)合材料的制備及在超級(jí)電容器中的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào),2017,31(05):9-15.

來源：《科技中國》2017年12期   

作者：王煜聰

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