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石墨烯在医药领域的应用(一)
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石墨烯在医药领域的应用(一)
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石墨烯在医药领域的应用(一)
石墨烯在医药领域的应用(一)毕业论文范文介绍开始:
石墨烯在医药领域的应用
石墨是碳的一种同位素异形体,为灰黑色,不透明固体,是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,我们生活中常用的铅笔的笔芯就是由石墨制成的。石墨的层间作用力较弱,很容易互来相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。2004年英国的两位科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov用普通胶带纸从石墨中剥离出只有一个原子厚度的二维材料石墨。他们从石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。石墨烯是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质。石墨烯的另一特性是,其导电电子不仅能在晶格中无障碍地移动,而且速度极快,远远超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度。还有,其导热性超过现有一切已知物质。石墨烯的发现引起了科学界的广泛关注,石墨烯被认为是一种影响未来的革命性的材料,被誉为“新材料之王”。石墨烯为人类开启了迈向‘碳时代’大门的可能性。”
我国政府自2010年起,对石墨烯领域进行了长达十年的投入和培育。据统计,2010—2019年,我国石墨烯相关支持政策累计出台230多条,其中国家层面出台政策40多条,并在全球率先启动了石墨烯国家标准制定工作。我国是石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家之一,不少企业已推出石墨烯产品。石墨烯不仅在电子产品、新能源电池、航空航天、环保领域引起社会的关注,在医药领域也被视为引发下一次医疗革命的关键。工业和信息化部、 发展改革委、 科技部等三部委印发《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》也将医疗领域功能材料的生产应用技术,基于石墨烯材料的传感器等产品的制备技术作为产业发展的重点。
一、石墨烯及其衍生物概述
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,是人类目前已知的强度最高的物质。石墨烯是一种二维晶体,有着独特的单原子层,由碳原子依照六边形进行排布并互相连接,构成一个碳分子,它的结构十分稳定;随着所连接碳原子数量的不断增多,石墨烯平面不断扩张,分子也不停的变大。石墨烯以有机材料中最稳定的苯六元环为基本结构单元,具有二维蜂窝状片层结构,厚度仅有0.335nm,是迄今为止发现最薄的纳米材料。石墨烯具备极高的比表面积、载流子迁移率、电导率、热导率、透光性、生物适应性、化学稳定性等优点。但是,石墨烯与其他介质的相互作用较弱,并且石墨烯片与片之间有较强的范德华力,易产生聚集,使其在水及常见有机溶剂中难以分散,导致其难以被细胞摄取,这给石墨烯的研究和应用造成了极大困难。
石墨烯及其衍生物包括单层石墨烯、多层石墨烯、氧化石墨烯和功能化石墨烯,每种材料都具有不同的氧化中心和表面化学特性,由于单层石墨烯的化学稳定性不高、不易制备且很难悬浮在溶液中。因此,相对单层石墨稀,氧化石墨烯和功能化石墨烯在生物医药领域的应用较为广泛。
氧化石墨烯的化学结构由石墨烯氧化制备而来,氧化石墨烯两面均具有芳香结构,具有更大的比表面积和层状结构,且含有大量的含氧活性基团,环氧基与羟基主要位于氧化石墨烯的基面上,而羰基、羧基则通常分布于氧化石墨烯的边缘处,易于修饰与功能化,拥有良好的水溶性和稳定性。
功能化石墨烯通过引入某些特殊的官能团,不仅解决了石墨烯在水中的分散性和成型加工等问题,改善了体内的生物相容性,而且赋予了石墨烯新的性质。氧化石墨烯和功能化石墨烯在传感器检测、药物递送、肿瘤治疗、抗菌杀菌、人工植入设备等方面有广阔的应用空间。
石墨烯因其具有独特且优良的光学性能、力学性能、电学性能、热学性能和较高的比表面积,石墨烯在能源材料、电子传感器及生物医学等诸多领域的应用备受关注。石墨烯及其衍生物作为一种新型无机纳米载体材料,拥有水溶性好、载药量高、易于修饰等特性,在医药领域发展潜力巨大。
二、石墨烯及其衍生物的优势
1.比表面积大
单层石墨烯的比表面积比大多数纳米材料的比表面积大1个数量级以上,两个表面与边缘均可与生物分子进行相互作用。巨大的比表面积使石墨烯具有较高的载药能力,远远高于其他传统药物载体 。
2.良好的亲水性
氧化石墨烯表面的基团使氧化石墨烯具有良好的亲水性,由于羟基和羧基在水中发生电离,分散在溶液中的氧化石墨烯表面带有负电荷,负电荷具有电子排斥力,使氧化石墨烯能够在水中稳定分散 。
3.独特的表面特性
氧化石墨烯的疏水性表面含有氧活性基团,使化学药物通过 π-π 共轭相互作用、离子键和氢键等非共价键固定在氧化石墨烯上。将小分子药物中的部分基团通过共价键与氧化石墨烯边缘的酸性官能团连接起来,可以使氧化石墨烯带上具有不同特性的功能基团,从而使氧化石墨烯成为一种多功能的药物载体 。
4.优良的光学性能
氧化石墨烯因具有近红外光致发光现象,可用于活细胞成像研究。其优良的光学性能表现为:可以允许直接跟踪氧化石墨烯粒子在细胞内的位置,而不需要外来的共轭荧光基团;由于在近红外区域最小细胞的自发荧光,在成像过程中,将受到最小化的干扰;此外,氧化石墨烯可通过荧光能量共振转移和非辐射偶极 - 偶极相互作用,有效淬灭荧光体荧光,可用于开发各种荧光生物传感器 。
5.低细胞毒性
氧化石墨烯富含的羟基、羧基、环氧基等含氧活性基团都会增强其水溶性,因此,氧化石墨烯的安全性高于石墨烯,但仍可能存在一定的细胞毒性 。 采用亲水性高分子材料修饰氧化石墨烯,可以进一步提高氧化石墨烯的生物安全性 。
三、石墨烯及其衍生物在医药领域的应用
石墨烯及其衍生物在生物医药领域的应用主要集中在生物传感器、药物载体、光线疗法及生物成像等方面 。
1.传感器检测
石墨烯材料是应用于下一代生物传感器最具发展潜力的材料之一 。 因其具有较大的比表面积,良好的导电、导热性能而备受关注 。 在生物体内,石墨烯及其衍生物具有良好的水分散性、生物相容性及对特定生物分子的亲和性,通过对石墨烯表面特定分子的修饰,既可以实现电子的快速传递,又可以对生物分子进行选择性检测
呼出气体中的肿瘤标志物或者疾病标志物非常少量,因此对检测的灵敏度要求极高。和传统的常规检测相比,石墨烯可以使检测的灵敏度提高至少三个数量级,有些甚至可以达到单分子检测。
石墨烯和其他纳米粒子相结合,作为一种传感器用于体外疾病检测已经得到了临床实验的论证。上海交通大学的科研团队在这方面取得了一定突破,他们实验论证了呼气检测和唾液检测的应用,已经开发出了通过呼气来检测胃癌的传感器,而且技术比较成熟,后续对肺癌和其他肿瘤的检测将成为研究的重心。 呼气检测将有可能成为继血常规、尿常规和大便常规的第四大常规检测,呼气更加方便,而且无创,随时随地、及时检测身体变化。
2015年,湖北中医药大学纳米生物传感中心张国军教授团队与针灸骨伤学院王华教授团队合作,用电化学方法在针灸针的针尖表面分别沉积金纳米颗粒与石墨烯,构建纳米针灸传感针。 这样的纳米针灸传感针不仅稳定性好,而且对PH敏感,对多巴胺等神经递质也有良好的检测灵敏度与选择性,可用于机体多巴胺的检测。
2.药物传递
石墨烯可以用于药物传送,这主要得益于其较大的表面积允许将大量药物传送至体内的特定区域。石墨烯对含多个双键或苯环结构的药物产生的 -堆积和疏水作用力较大,所以这类药物的载药量也较高。石墨烯氧化物可作为一种抗癌药剂来对抗特定癌细胞。配合当前的疗法,可能使肿瘤收缩,遏制癌症发展速度,以及治疗后的复发。
石墨烯可以用作免疫组剂,辅助其他药物提高治疗效果。石墨烯和肌氨酸偶联以后能够激发体内的免疫细胞分泌更多的细胞因子,而细胞因子对肿瘤具有杀伤作用,而且对免疫力有明显的提高。由于石墨烯传导性好,可以将它修饰在电极的表面,插到神经里,对老年痴呆等电刺激治疗有一定的帮助。英国剑桥大学研究人员成功将石墨烯电极植入小鼠脑部,并直接与神经元连接。在研究人员进行实验后发现,利用石墨烯材料制造的电极能安全地与脑部神经元连接,且连接后这些神经元可正常传递电波信号,将脑电波信号传递给外界,让外界更为清晰明了地了解脑部活动并修复感知功能。 这项技术未来可用于修复截肢、瘫痪,甚至帕金森氏症患者的感知功能,协助他们更好地康复。
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