碳纳米材料的结构性能特点及在生物医用领域的研究进展

组织工 组织工
架
2、CNTs/CNFs在神经再生中的应用 、 在神经再生中的应用 CNFs 在VACNF上涂覆一层导 上涂覆一层导 电高分子， 电高分子，做成一个小尺寸 并有优异导电性的电极。 并有优异导电性的电极。 PCU/CNF复合材料：通 复合材料： 复合材料 过改变CNF含量调节电导率 过改变 含量调节电导率 做成不同导电性能的探针。 ，做成不同导电性能的探针。 CNTs SWCNT/PEI，能促进神经分枝和生长； ，能促进神经分枝和生长； 在铝和不锈钢表面涂覆MWCNT，提升神经电极 在铝和不锈钢表面涂覆 ， 的记录和电刺激特征。 的记录和电刺激特征。
参考文献
[1] Tran, P. A., L. Zhang, et al. (2009). "Carbon nanofibers and carbon nanotubes in regenerative medicine." Advanced Drug Delivery Reviews 61(12): 1097-1114. [2] Wang XiaoJing & Liu Zhuang*.(2012).Carbon nanotubes in biology and medicine: An overview. Chinese Science Bulletin,Vol.57 No.2-3: 167-180 [3] 张勇 唐元洪 裴立宅 郭池 碳纳米纤维制备的研究进展 张勇.唐元洪 裴立宅,郭池 碳纳米纤维制备的研究进展(2004),材料导报 唐元洪,裴立宅 郭池.碳纳米纤维制备的研究进展 材料导报
最 细 的 是 2 层 ， 里 层 直 径 4.8nm ， 外 层 直 径 5.5nm， 两层间距 ， 两层间距0.34nm， 跟石墨体中两石 ， 墨层的间距匹配。 墨层的间距匹配。 该结果首先在1991年一次会议上报道 ， 随即发 年一次会议上报道， 该结果首先在 年一次会议上报道 表在Nature杂志上 。 这一发现真正引发了纳米 杂志上。 表在 杂志上 碳管的研究热潮。 碳管的研究热潮。
纤维简介 碳纳 管 碳纳 纤维简介
2、碳纳米纤维 、 普通碳纤维早在20世纪 年代就开始大量研制 普通碳纤维早在 世纪50年代就开始大量研制，而碳纳米 世纪 年代就开始大量研制， 纤维直到碳纳米管发现以后才引起人们的注意。 纤维直到碳纳米管发现以后才引起人们的注意。 碳纳米纤维的直径一般为 10～500nm，比气相生长的碳 ～ ， 纤维的直径小得多。 纤维的直径小得多。 碳纳米管有单壁（ 和多壁碳纳米管（ 碳纳米管有单壁 （ SWCNT)和多壁碳纳米管 （ MWCNT) 和多壁碳纳米管 之分，多壁碳纳米管随着直径增大和层数增多， 之分，多壁碳纳米管随着直径增大和层数增多，晶化程度变 与碳纳米纤维（ 很难区分。 差，与碳纳米纤维（CNF)很难区分。目前文献中对碳纳米 很难区分 管和碳纳米纤维的区分并不明显， 管和碳纳米纤维的区分并不明显，对碳纳米纤维的定义也没 有统一标准。不少研究者把直径<100nm的中空纤维称为 有统一标准。不少研究者把直径 的中空纤维称为 碳纳米管。 碳纳米管。
疗
化学药剂疗法： 化学药剂疗法： 在癌症治疗中， 在癌症治疗中，将SWCNT-PEG-PTX（PTX, （ 紫杉醇）纳米颗粒直接送到目标组织； 紫杉醇）纳米颗粒直接送到目标组织； 纳米管的小尺寸，肿瘤细胞的损坏的渗透系统； 纳米管的小尺寸，肿瘤细胞的损坏的渗透系统；
疗
物理热疗法： 物理热疗法：
在过高温处理杀死癌细胞的疗法中， 在过高温处理杀死癌细胞的疗法中，用SWCNTPEG-FA（叶酸，癌细胞中过表达）作为“热靶 。 （叶酸，癌细胞中过表达）作为 热靶”。 热靶 CNT对近红外光线的强烈吸收；叶酸配体导航； 对近红外光线的强烈吸收； 对近红外光线的强烈吸收 叶酸配体导航；
碳纳米材料的结构性能特点及 纳米材料的 材料 在生物医用领域的研究进展
学生： 杨冰 学生： 专业： 专业： 生物医用材料 指导老师： 指导老师：郑裕东 教授
录
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碳纳 管 碳纳 纤维 简介
碳纳 管 碳纳 纤维 结构
医 领
应
研究进
总结
纤维简介 碳纳 管 碳纳 纤维简介
1、碳纳米管的发现 、
组织工 组织工
架
2、CNTs/CNFs在神经再生中的应用 、 在神经再生中的应用
为了安全、 有效的的监控、 为了安全 、 有效的的监控 、 诊断大脑神经状况 和促进神经修复， 和促进神经修复 ， 一个尺寸小并具有优异的导电性 能的植入电极是必须的。 能的植入电极是必须的。 为神经再生的功能化： 为神经再生的功能化： 目标：不仅能够导电，还可以支撑神经生长。 目标：不仅能够导电，还可以支撑神经生长。 方法一：在CNTs或CNFs表面涂一层活性大分子， 方法一： 或 表面涂一层活性大分子， 表面涂一层活性大分子 能够提高内吞Ca 水平， 如 4-HNE。 4-HNE能够提高内吞 2 水平 ， 修饰 。 能够提高内吞 细胞骨架蛋白和调节轴突生长的传讯机制。 细胞骨架蛋白和调节轴突生长的传讯机制。 方法二： 在垂直排列的碳纳米纤维（ 方法二 ： 在垂直排列的碳纳米纤维 （ VACNF） 表 ） 面用电化学沉积的方法涂一层聚吡咯用于电刺激。 面用电化学沉积的方法涂一层聚吡咯用于电刺激。
医学
近红外荧光成像 半导体SWCNT被近红外光激发时产生荧光光谱， 被近红外光激发时产生荧光光谱， 半导体 被近红外光激发时产生荧光光谱 因此被用于荧光光谱成像： 因此被用于荧光光谱成像：比如探测大量吞噬碳 纳米管的巨噬细胞； 纳米管的巨噬细胞； 拉曼成像 对于测试的样品无损，信号很强，而且SWCNT的 对于测试的样品无损，信号很强，而且 的 耐光性比有机荧光染料和近红外量子点高很多个 数量级； 数量级； 光声成像 光声成像 相比大多数其他的成像方式能探测到更深的深度； 相比大多数其他的成像方式能探测到更深的深度； CNT对近红外有强烈的吸收，吸收脉冲激光后 对近红外有强烈的吸收， 对近红外有强烈的吸收 将其转换成声波，就可以成为显影剂。 将其转换成声波，就可以成为显影剂。
传感
SWNT-based 电化学传感器 Kong等人制造了第一个 等人制造了第一个SWNT-based 电化学传 等人制造了第一个 感器：由于SWCNT在一些气体如 感器：由于 在一些气体如NH3 和 NO2氛 在一些气体如 围中他的电阻会有较大的增大或减小； 围中他的电阻会有较大的增大或减小； So 等人第一次报道包含 等人第一次报道包含DNA配体的 配体的SWNT配体的 based 的电化学传感器； 的电化学传感器； 对整个细胞做出响应，比如神经传感器， 对整个细胞做出响应，比如神经传感器，是电化学 传感器的一个新兴方向。 传感器的一个新兴方向。
1991年日本电镜专家 年日本电镜专家Iijima在高分辨透射电镜 年日本电镜专家 在高分辨透射电镜 下观察电弧蒸发后石墨阴极上的硬质沉淀物， 下观察电弧蒸发后石墨阴极上的硬质沉淀物，观 察到阴极炭黑中含有一些石墨针状物。 察到阴极炭黑中含有一些石墨针状物。 用HREM观察 观察(002)晶面图像，图像显示其具 晶面图像， 观察 晶面图像 有管状和无缝结构。 个同心管构成。 有管状和无缝结构。由2~50个同心管构成。 个同心管构成
碳纳 管 碳纳 纤维 结构
1、碳纳米管(CNT)和碳纳米纤维（CNF)的结构 、碳纳米管 和碳纳米纤维（ 和碳纳米纤维 的结构
碳纳 管 碳纳 纤维 结构
2、碳纳米管(CNT) 的结构和性能特点 、碳纳米管
CNTs主要由 2 杂化的碳原子 主要由sp 主要由 组成。 由于sp 杂化键比sp或 组成 。 由于 2 杂化键比 或 sp3 杂化键都大， 这使得CNTs有优异 杂化键都大 ， 这使得 有优异 的力学强度和高的导电和导热性。 导电和导热性 的力学强度和高的导电和导热性。 CNT尺寸很小， 管的外径一般几 尺寸很小， 尺寸很小 个纳米到几十纳米，比表面积大。 个纳米到几十纳米，比表面积大。 纳米 SWCNT的优点 ： 质轻 ， 强度高 的优点： 的优点 质轻， 韧性好， 很高的杨氏模量； ； 韧性好 ， 很高的杨氏模量 ； 化学 活性强等。 活性强等。 CNF由于具有跟 由于具有跟CNT相似的机构 由来自百度文库具有跟 相似的机构 ，也有相似的性能。 也有相似的性能。
碳纳
组织工程支架； 组织工程支架； 支架 癌症治疗； 癌症治疗； 基因载体； 基因载体； 生物传感器； 生物传感器； 生物医学成像； 生物医学成像；
医 领
应
组织工 组织工
架
1、CNTs/CNFs用作骨再生支架 、 用作骨再生支架
对于骨再生支架材料的功能化： 对于骨再生支架材料的功能化： 接上聚氨基苯磺酸(PABS)吸引 2+以促进羟基 吸引Ca 接上聚氨基苯磺酸 吸引 磷灰石（ 磷灰石（HA）的结晶。 ）的结晶。
疗
混合疗法 Dhar等人通过 等人通过SWCNT导入铂的复合物通过内吞 等人通过 导入铂的复合物通过内吞 作用杀死细胞：SWCNT-Pt-FA 作用杀死细胞： 也是叶酸导航； 也是叶酸导航；
疗
其他疗法 Wu等人通过 等人通过SWCNT导入羟基喜树碱 导入羟基喜树碱(HCPT)： 等人通过 导入羟基喜树碱 ： SWCNT-HCTP;共价键连接药物； 共价键连接药物； 共价键连接药物 Bhirde等人通过 等人通过SWCNT导入顺铂 导入顺铂(cisplatin) 等人通过 导入顺铂 表皮生长因子） ： SWNT-cisplatin-EGF(表皮生长因子）;通过 表皮生长因子 通过 EGF-EGFR导航 EGF-EGFR导航； 导航； 芳香族抗癌药物阿霉素（ ），通过 芳香族抗癌药物阿霉素（DOX），通过 ），通过π-π键跟 键跟 SWCNT连在一起，通过 连在一起， 连在一起 通过PH的控制实现药物的结 的控制实现药物的结 合和释放。 合和释放。
SWCNTCOOH SWCNTCOCl SWCNTPABS
PCU/CNF复合材料：将CNFs分散到聚碳酸酯氨 复合材料： 复合材料 分散到聚碳酸酯氨 基甲酸乙酯（ 用于骨支架。 基甲酸乙酯（PCU）中，用于骨支架。 ） 研究证明了引入CNFs可调节骨支架材料的表面结 研究证明了引入 可调节骨支架材料的表面结 表面化学和表面能等， 构、表面化学和表面能等，使其能选择性提高一种 细胞的附着力同时抑制另外一些类型细胞的功能。 细胞的附着力同时抑制另外一些类型细胞的功能。 因此，人们通过改变复合材料中CNF的含量就可设 因此，人们通过改变复合材料中 的含量就可设 计一个能增强成骨细胞的吸附力的植入体。 计一个能增强成骨细胞的吸附力的植入体。
总结
应用领域： 应用领域： 组织工程支架； 工程支架 组织工程支架； 癌症治疗； 癌症治疗； 基因载体； 基因载体； 生物传感器； 生物传感器； 生物医学成像； 生物医学成像； 总之， 总之，碳纳米管和碳纳米纤维以其独 特而又优异的力学性能、电学性能、 特而又优异的力学性能、电学性能、光学性 能、表面的生物和化学活性在生物医用领域 有非常广阔的医用前景。 有非常广阔的医用前景。
载
作为载体将DNA运载到想要的细胞内的区域用于 运载到想要的细胞内的区域用于 作为载体将 基因治疗。 基因治疗。 传统的病毒载体容易引起免疫或炎症。 传统的病毒载体容易引起免疫或炎症。
传感
SWNT-based 光学传感器 2004年，Barone等人成功合成出 等人成功合成出NIR SWNTs 年 等人成功合成出 optical sensor for β-D-glucose sensing Heller 等人使用 等人使用SWNT-based 光学传感器成功 进行了DNA构象多态性的探测。 构象多态性的探测。 进行了 构象多态性的探测 Chen等人利用 等人利用SWCNT的拉曼光谱特性进行复杂 等人利用 的拉曼光谱特性进行复杂 蛋白质的探测，精读可达1fmol/L。 蛋白质的探测，精读可达 。