纳米石墨烯的特性以及应用

纳米石墨烯的特性以及应用

摘要：石墨烯是指从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。在石墨烯中，碳原子之间以σ键相连接，这些σ键赋予了石墨烯极其强大的机械性能；同时，由于碳原子的结合方式为SP2杂化，因此每个碳原子都有一个孤电子，从而赋予了其优秀的导电性。而近年来，纳米石墨烯以及其氧化物，由于自身良好的生物相容性以及较大的表面积，在生物医药等领域的应用取得了极大的进展，本文将简述石墨烯以及其氧化物的特性，并举例分析其在生物载药工厂中的作用。

关键词：纳米石墨烯；纳米氧化石墨烯；生物医药；药物传递

一．纳米石墨烯以及氧化纳米石墨烯自身特性

1.1 纳米石墨烯自身特性

纳米石墨烯与石墨烯的概念容易混淆，但本质上是同一个物质。纳米石墨烯代表的是厚度在纳米级别的石墨烯。一般程度上严格定义的石墨烯都是单层的，而纳米石墨烯则有可能是多层的。纳米石墨烯常常被称为石墨烯纳米片，也被称为碳纳米片（ CNFs ）或碳纳米壁（ CNWs）。人们所熟悉的富勒烯，碳纳米管，石墨等碳材料，本质的基础单元就是石墨烯。

石墨烯最迷人的地方在于它的纯粹。单层原子的结构使得石墨烯具有极薄的性质，但由于碳原子之间强韧的σ键以及整个二维晶体平面的拉伸性能，使得石墨烯同时具有了非常高的强度性能，杨氏模量为1100Gpa，而断裂强度则达到惊人的125Gpa，这样的机械性能使得石墨烯几乎可以被利用在任何需要高强度材料的领域。

而与此同时，石墨烯二维晶体表面流动的孤电子赋予了它优越的导电性能。由于自身电阻率非常小，石墨烯被视为下一个可以取代“硅”的导电原材料，人们希望能制备出具有更高性能的现代计算机芯片或处理器。

1.2 氧化纳米石墨烯自身特性

氧化纳米石墨烯，英文缩写为GO，顾名思义是石墨烯的氧化物。氧化石墨烯保留了原有的层状结构，通过强氧化剂（例如高锰酸钾）开环，使得部分双键断裂，引入了许多含氧的官能团，例如羧基，羟基，环氧基等。这些活泼的含氧功能团赋予了石墨烯更为活泼的性能。

尽管含氧基团很大程度上破坏了碳原子的SP2杂化方式，使得石墨烯整体的导电性能大大降低，但氧基团自身活泼的化学性能以及良好的水溶性，使得氧化石墨烯在众多领域，尤其是生物领域，有着非常广泛的应用。

氧化纳米石墨烯最突出的性能在于承载与结合能力，由于表面含氧基团的存在，氧化石墨烯表面呈现负电性，因此容易吸附带正电荷的离子或外表显正电性的小型物质。自身具备的层状结构使得吸附过程更加平稳，牢固性能更高。这一特点在生物载药方面有着很大的价值。

二．纳米石墨烯以及氧化纳米石墨烯在生物领域的应用

2.1 药物传递中纳米石墨烯与氧化纳米石墨烯的应用

在上文中已经提到，无论是石墨烯还是氧化石墨烯，都具有非常大的表面积，同时由于同时存在两个平面，因此在药物传递中，石墨烯以及氧化石墨烯具有非常大的载药量。但载药工具自身需要满足一些要求：例如需要具有较好的生物相容性，同时还需要有能够进行化学修饰的能力，以吻合目标分子自身的表面结构。

氧化纳米石墨烯表面所携带的含氧集团可与不同的聚合物发生化学反应，从而与DNA，RNA，蛋白质等大生物分子也可发生相互作用。由于聚合物的修饰通常发生在边缘，因此对于石墨烯的层状结构并无太大的影响，是为良好的药物传递工具。以下是两个具体例子。

上图是一个简单的纳米载药体制备示意图，它是目前非常流行的一种做法。石墨烯活泼的表层使得它能够接纳多种受i体。除了自身载有一定数量的药物之外，石墨烯表层还附上了单克隆抗体以及成像探针，这样一种组合式的方法可以使得纳米石墨烯作为载药工具，同时拥有几种不同的功能。

以上是一个非常鲜明的通过修饰合成载药分子的例子。PEG是一种具有非常高生物相容性的物质，通过二硫键将PEG修饰在氧化石墨烯的外层，赋予了其良好的生物相容性，顺利通过血液循环。而在目标细胞内PH小于6的情况下，PEG外壳自动发生降解，从而释放出原本镶嵌在石墨烯层的药物分子，完成药物释放。

以上两个例子都是石墨烯共价键修饰的例子。共价键修饰在石墨烯/氧化石墨烯表面修饰中占有很大的成分，但非共价键修饰也有着非常多的应用。非共价键修饰主要包括氢键作

用，电子相互作用，以及π-π堆积作用。在石墨烯中，π-π堆积作用是最为重要的一环。

下图所示的例子就是一个最为简单的通过层-层作用形成载药分子的示意图。当PEI在石墨烯表层吸附的时候，将形成带有正电荷的晶体表面，从而进一步吸引pDNA进行吸附，最终形成含有多层DNA的载药大分子。

三．小结

石墨烯以及氧化石墨烯由于其自身的结构特点，具有高机械性能，良好导电性能，高透明性等特征。这些特征使得石墨烯以及氧化石墨烯在多重领域中都发挥了极其重要的作用。如今在药物传递领域，石墨烯以及氧化石墨烯出众的载药能力，使得其成为新兴的载药工具。通过对其表面进行共价键修饰或非共价键修饰，可使得氧化石墨烯具有较好的生物相容性以及细胞针对性，从而获得更加有效的药物传递分子。

【1】Graphene and graphene oxide as new nanocarriers for drug deliveryapplications，Jingquan Liu,Liang Cui Dusan Losic，Acta Biomaterialia，2013

【2】Nano-Graphene Oxide for Cellular Imaging and Drug Delivery，Xiaoming Sun, Zhuang Liu, Kevin Welsher, Joshua Tucker Robinson, Andrew Goodwin, Sasa Zaric,and Hongjie Dai，Adv Materials，2008.5

【3】Nano-graphene in biomedicine: theranosticapplications，Kai Yang, Liangzhu Feng, Xiaoze Shi and Zhuang Liu*，Chem Sov Rev，2013.