石墨烯在生物医用领域的应用研究进展

一、石墨烯概述

石墨烯（Graphene）是一种由sp2杂化的碳原子呈蜂窝状结构紧密排列而成的单原子层

二维材料。Andre Geim和Konstantin Novoselov于2004年首次通过微机械力剥离高取向热解

石墨（HOPG）成功制备并观察石墨烯，二人因此分享2010年诺贝尔物理学奖。

源于其特殊的单原子层二维结构，石墨烯在电子学、光学、力学和热学等方面拥有出色

的性能。2012年，Nature发表了关于石墨烯的前瞻性文章，指出石墨烯在电子学（柔性电子

材料、高频晶体管、逻辑晶体管等）、光子学（光电探测器、光调制器、锁模激光/太赫兹信

号发生器、光学偏振控制器等）、复合材料、涂料、能源、传感器和生物医用等领域具有良

好的应用前景[1]。碳元素是有机生物体的基本组成元素之一，而且经研究证实，经一定修饰

的石墨烯确实具有良好的生物相容性，故石墨烯在生物医学领域具有天然的优势。2008年，

戴宏杰课题组基于石墨烯材料首次实现药物传送，开启了石墨烯在生物医用领域研究和应用

的新纪元[2]。由于真正意义上的石墨烯难以实现宏量制备，因此实际应用多为石墨烯衍生物，包括少层石墨烯（2～10层）、多层石墨烯（10层以上，但厚度小于100nm）、氧化石墨烯（GO）与经还原的氧化石墨烯（rGO）等。目前，石墨烯和其衍生物经研究证实可应用于药

物基因输送、复合材料、肿瘤光热治疗、生物成像、电化学生物传感器、抗菌和组织工程等

生物医用相关领域。

二、石墨烯在生物医用领域的应用进展

1.石墨烯的结构性质相关应用

石墨烯尤其GO比表面积大，并且在水中有很好的分散性。GO表面含有丰富的含氧官

能团，能将各种药物和生物分子通过化学方式固定在其表面，故在药物和基因输送领域具有

良好的应用前景。由于呈非水溶性，一些具有良好疗效的芳香族药物难以实现实际应用。戴

宏杰课题组通过非共价的π-π相互作用成功将非水溶性抗肿瘤药物喜树碱衍生物（SN38）负

载到经聚乙二醇修饰的GO表面，可很好分散在水中并保持其出色疗效，证明石墨烯是一种

出色的药物载体[2]。陈永胜课题组成功将盐酸阿霉素（DXR）负载到GO上，并研究了

DXR的释放过程，发现GO对DXR的装载率可高达2.35 mg/mg，且DXR的装载率和释放动力学均可通过调节pH值进行调控[3]。Zhang等人[4]分别对GO进行了磺酸基和叶酸分子修

饰以提高其在生理溶液中的稳定分散性和MCF-7细胞靶向性，并将2种抗癌药物阿霉素与喜

树碱共同负载于其表面，表现出优于单药物的MCF-7细胞毒性。

除了用于输送药物，石墨烯还可作为基因载体用于基因转染。GO表面含有大量的羧基、羟基等官能团，使其较容易地通过表面修饰得到带正电荷的石墨烯复合物以用于基因输送转

染相关研究。目前，聚乙烯亚胺、壳聚糖和1-芘甲基胺等带正电荷材料已被用于修饰石墨烯

并充当基因输送载体。张智军课题组[5]研究发现经聚乙烯亚胺（PEI）共价修饰的GO具有

更低的细胞毒性，并表现出较PEI更好的基因转染效果，且能有效地将质粒DNA输送至细

胞核。同时发现经PEI修饰的GO可同时负载siDNA和抗肿瘤药物DOX，将Bcl-2蛋白特异

性的siRNA输送到肿瘤细胞内可有效下调细胞内Bcl-2蛋白的表达水平，增强细胞对DOX

的敏感性，实现基因治疗与化疗对肿瘤细胞的协同治疗。Kim等人的[6]相关研究表明，利用

PEG–BPEI–rGO载体在近红外光的辐照下高效的光热转换能力可有效促进负载质粒DNA的

石墨烯载体从溶酶体内释放，实现近红外光可控的基因输送。

2.石墨烯的力学性质相关应用

由于其碳原子层二维结构特点，石墨烯具有极好的力学性能，无支撑单层石墨烯的杨氏

模量高达1.0 TPa，内禀强度为130GPa。因此，石墨烯可作为二维增强相应用于复合材料领域。

羟基磷灰石（HA）的化学成分、晶体结构与人体骨组织中的磷酸钙盐相似，故其具有优异的生物相容性，适宜成骨细胞的粘附、增殖和成骨矿化。但其固有的共价键或共价键/离子

键共存的特征，使其断裂韧性差，降低了HA的可靠性与服役时间。Zhang等[7]选用石墨烯

纳米片（GNSs）作为HA的二维增强相，研究了HA及GNS/HA复合材料的力学性能（如显微硬度、弹性模量和断裂韧性）。结果表明，1.0 GNS/HA（质量分数）的弹性模量、显微硬

度和断裂韧性分别比HA增加了约40%、30%和80%。GNS的拔出、GNS在晶粒之间的桥接、裂纹桥接、裂纹偏转等是GNS/HA复合材料中的主要增韧机制。Fan等[8]利用酰胺化反应将

酪蛋白磷酸肽接枝到羧基化石墨烯的表面，制备了酪蛋白磷酸肽石墨烯复合物以改善石墨烯

的骨整合能力。通过水热法一步合成了石墨烯/羟基磷灰石纳米棒复合新材料，研究发现该复

合材料能显著提高羟基磷灰石的杨氏模量和力学性能。同时，与石墨烯和羟基磷灰石相比，

该复合材料中含有40%羟基磷灰石时，表现出更高的骨整合能力、更好的生物相容性及优异

的骨细胞繁殖诱导能力。

作为人工关节材料之一，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）虽然具有较好的耐磨性能，但在长期使用过程中磨损仍不可避免，产生的磨屑会导致周围骨溶解，进而引起无菌性松动，

影响人工关节服役寿命。通过引入GO制备的GO/UHMWPE复合材料却表现出更为优异的

硬度和在不同润滑介质下的耐磨性能。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）义齿基托材料具有出色

的仿真美学效果和生物学性能，但其力学性能不能很好地满足临床要求，主要表现在耐磨性

差等。在其中添加一定量的GO（质量分数约为0.1%），可有效提高其在人工唾液润滑介质

下的耐磨性能。

3.石墨烯的热学性质相关应用

由于在近红外光区域具有出色的光热转换能力，石墨烯与经修饰的石墨烯被大量研究并

用于肿瘤的光热治疗。刘庄课题组于2010年发现与碳纳米管不同，经聚乙二醇（PEG）修饰

的石墨烯可通过被动靶向富集到肿瘤组织，而且利用其在近红外区的良好光吸收能力，首次

将石墨烯基材料应用于肿瘤的光热治疗[9]。该课题组还较系统地比较研究了具有不同尺寸和

表面特性的rGO对体内肿瘤的光热治疗效果，发现水合肼还原的氧化石墨烯经PEG修饰后，在较传统功率低一个量级的808nm激光辐照下即可实现对肿瘤组织100%的消除。该课题组

还制备了一种由四氧化三铁和金纳米粒子共同修饰的具有强顺磁性和高近红外吸收能力的氧

化石墨烯纳米结构GO-IONP-Au，并经PEG处理获得了可在生理环境中稳定存在的GO-

IONP-Au-PEG，体内和体外实验结果均证明该复合材料无显著毒性，且具有增强的肿瘤光热