碳纳米管在生物医学中的应用

悬空放置的条状碳纳米管/壳聚糖聚合物薄膜在电压关(a)和电压开(b)的条 件下的光学图片
生物支架材料
• 对商品化的单壁碳纳米管和多壁碳纳米管进行了 氧化或纯化处理,通过真空抽滤方法制备出多种 SWCNTs和MWCNTs支架材料。 • 在医学方面做成超微纳米钳，就有可能运用于纳 米微型手术。
胞内靶向给药载体
吸波特性
• 吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量， 并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能 或其它形式的能量而消耗掉。
• 纳米碳管薄膜对红光和红外激光有良好的吸附特 性。因此用纳米碳管作成的物体对微波雷达有良 好的隐身性能。
储氢性能
• 目前普遍认为：纳米碳管的吸附作用主要是由于纳米粒子 碳管的表面羟基作用。纳米碳管表面存在的羟基能够和某 些阳离子键合，从而达到表观上对金属离子或有机物产生 吸附作用；另外，纳米碳管粒子具有大的比表面积，也是 纳米碳管吸附作用的重要原因。 • 1997年，A. C. Dillon对单壁碳纳米管(SWNT)的储氢性能做 了研究，SWNT在0℃时,储氢量达到了5%。 • DeLuchi指出:一辆燃料机车行驶500km,消耗约31kg的氢气， 以现有的油箱来推算，需要氢气储存的重量和体积能量密 度达到65%和62kg/m3。 这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢应用前景的 希望。
电学性能
• 由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所
以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取 决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于 6mm时，导电性能下降；当管径小于6mm时， CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导 线。 • 实验发现根据其直径和螺旋度的不同，它既可以 表现出金属性又可以表现出半导体性，所以纳米 碳管适宜于制备晶体管。
碳纳米管在生物医学的应用
生物电驱动材料
• 碳管生物复合材料的可控电驱动性能的发现和深入研 究，可为电驱动材料在人工肌肉、仿生微型机器人， 微流道控制系统等领域的应用发展起重要的推动作用 • 通过控制所施加的电信号可以实现复合材料的可控电驱动。其产生的机理被证实为碳纳米管的电-热能量转 换导致的复合物的热膨胀和收缩。
• 利用壳聚糖(CHI)和海藻酸钠(ALG)对cut SWCNTs共 同进行非共价修饰,并引入靶向分子叶酸和蒽环类 抗癌药物阿霉素制备出一种兼具靶向和缓释效果 的胞内给药载体体系。 • 具有载药率高、靶向性好、并具有pH响应的缓释 性能等优点,有望用作新型的抗肿瘤给药体系。
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碳纳米管的毒性
• 碳纳米管的肺毒性 尽管ＣＮＴ没有肺毒性前兆，但最近组织学研究 发现有肺部炎症和肉芽肿形成。 • 皮肤刺激 目前关于ＣＮＴ皮肤刺激性的研究十分有限，结 论是处理这些碳纳米材料无需特殊防护。 • 碳纳米管的细胞毒性
碳纳米管的生物相容性
• 与神经细胞的作用 ＣＮＴ独特的电学性质促进了ＣＮＴ在神经应用 （尤其神经突增长）方面的生物相容性研究 • 与成骨细胞的作用 纳米级ＣＮＦ可促进成骨细胞粘附，而成纤维细 胞、软骨细胞和平滑肌细胞在高能ＣＮＦ上粘附 性降低，且不受粒径影响。 • 抗体相互作用 生产包裹抗体ＳＷＣＮＴ细胞探针及药物传递工 具是可行的。 • 碳纳米管作为药物和疫苗的传递工具
碳纳米管在生物医学的应用
碳纳米管
• 又叫巴基管， 碳的同素异形体，1991年由日本科 学家发现。
• 由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成 的无缝、中空纳米管。 可以看成由六边形的石墨 板成 360 °卷曲而成的管状材料, 管的内径在几纳 米到几十个纳米之间, 长度可达微米量级, 是理想 的准一维材料。
热力学性能
• 一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着 长度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可 以合成高各向异性材料。虽然在管轴平行方向的 热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能 较低。 • 适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传 导材料，如今后计算机芯片的导热板，也可用作 发动机、火箭等各种高温部件的防护材料。
• 单壁碳纳米管
• 直径为1-6 nm
• 多壁碳纳米管 • 直径nm → μm
碳纳米管特殊性质 力学性能
• 碳纳米管因其独特的结构而具有优良的力学性能。它 的抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有 钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级。碳纳 米管的杨氏模量与金刚石相当，约为1TPa，是钢的5 倍左右，为已知材料的最高模量；其弹性应变最高可 达12%。它是最强的纤维，在强度与重量之比方面， 这种纤维是最理想的。 • 为了发挥纳米碳管优异的力学性能，人们尝试将其添 加到一定的聚合物基体中，通过改进纳米碳管的分散 和界面结合性以期获得最佳增强效果。因此纳米碳管 的各种复合材料应用非常广泛。