石墨烯在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

張勇力 吳月妍 陳素珍 章 燕

（1.上海雍黎投資管理有限公司生產(chǎn)部，上海 200336；2.上海雍黎投資管理有限公司技術(shù)部，上海 200336）

從基本特征來講，石墨烯構(gòu)成了納米形態(tài)的新型生物材料，其中包含蜂窩網(wǎng)狀的單原子厚度特殊結(jié)構(gòu)。從生物醫(yī)學(xué)的視角來看，針對生物醫(yī)學(xué)如果能夠因地制宜運(yùn)用石墨烯作為其中必要的材料，那么有助于全面提升生產(chǎn)實(shí)效性，對于此類新型材料應(yīng)當(dāng)著眼于全方位的推廣[1-3]。

1 石墨烯材料具備的基本特征

石墨烯本身屬于新型的納米材料，此類材料呈現(xiàn)網(wǎng)狀的蜂窩二維結(jié)構(gòu)，其厚度相當(dāng)于單一的石墨原子。截至目前，石墨烯被視為具備最高強(qiáng)度與最小厚度的優(yōu)質(zhì)納米材料[4]。與此同時(shí)，石墨烯構(gòu)成了芳香族的特殊材質(zhì)，此類材料由于具備優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性以及熱穩(wěn)定性，因而近些年以來正在被全面運(yùn)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、生物制藥領(lǐng)域與其他相關(guān)領(lǐng)域。在室溫狀態(tài)下，石墨烯將會表現(xiàn)為優(yōu)良的電子遷移特征[5]。

石墨烯除了體現(xiàn)為上述的典型特征以外，其本身還具備優(yōu)良的官能化特征。在現(xiàn)階段的生物醫(yī)學(xué)角度來講，技術(shù)人員運(yùn)用此類材料應(yīng)當(dāng)能夠完成基因遞送、生物傳感器制作、癌細(xì)胞顯影以及其他有關(guān)操作[6]。另外石墨烯材料在心血管預(yù)防和治療、人工智能以及醫(yī)療器械結(jié)合、改善人體生物鐘和深度睡眠中也在不斷探索中，一些領(lǐng)域也取得了豐碩的成果。由此可見，石墨烯由于體現(xiàn)為良好的導(dǎo)電性與機(jī)械強(qiáng)度，因此能夠靈活適用于現(xiàn)階段的生物制藥領(lǐng)域，在此前提下全面突顯了石墨烯材料服務(wù)于生物醫(yī)學(xué)的重要價(jià)值。

2 具體的生物醫(yī)學(xué)運(yùn)用

2.1 關(guān)于基因傳遞與藥物制造

作為復(fù)合物的石墨烯擁有特殊的基因載體，其能夠承載多種智能基因。因此可見，石墨烯在目前階段已經(jīng)能夠用來治療某些特殊的基因疾病。例如針對黑色素瘤而言，如果能夠憑借靶向治療或者免疫治療的方式對其予以相應(yīng)處理，那么有助于全面消除潛在性的癌變隱患。從現(xiàn)狀來看，有關(guān)部門正在嘗試運(yùn)用此類材料來實(shí)現(xiàn)某些特殊性較強(qiáng)的制藥處理，從而顯著提升了人類針對乳腺癌等嚴(yán)重病癥的治愈概率[7]。

2.2 關(guān)于抗菌領(lǐng)域的運(yùn)用

石墨烯具備優(yōu)良的抗菌效果，這是由于其能夠用來阻止形成腐蝕性的菌類或者微生物。因此針對醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的某些外科設(shè)備而言，運(yùn)用石墨烯可以全面完成針對微生物表層涂層的制作。除此以外，石墨烯還可以全面滅殺某些菌類，或者顯著減低了菌類活性[8]。具體在涉及到機(jī)械損傷的全面修復(fù)過程中，運(yùn)用石墨烯有助于全面防控細(xì)菌感染，因此體現(xiàn)為優(yōu)良的抗菌性作用。例如針對大腸桿菌而言，石墨烯可以滅殺超出90%的此類細(xì)菌[9]。尤其是對格蘭氏陰性菌大腸桿菌（E.coli）和革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌（S.aureus）均由極好的抗菌效果，且石墨烯材料是通過將細(xì)胞膜破壞來達(dá)到抑菌的作用。也有研究對比了不同類似的石墨烯抗菌的效果，譬如石墨、氧化石墨、氧化石墨烯以及還原氧化石墨烯，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯其抑菌效果最為明顯。

2.3 關(guān)于修復(fù)骨組織與人體神經(jīng)

之前殼聚糖經(jīng)常作為生物材料，用于引導(dǎo)和促進(jìn)骨組織的形成，但是其機(jī)械強(qiáng)度過大，受到了極大的限制，因此需要尋求機(jī)械強(qiáng)度小的材料。納米級別的石墨烯以及其衍生物具有高彈性、柔軟、可塑性等生物相容性，因此其在修復(fù)骨組織以及人體神經(jīng)中的研究取得了較多的進(jìn)展。運(yùn)用石墨烯制成的三維支架可以顯著促進(jìn)干細(xì)胞增殖，對于某些損壞后的神經(jīng)細(xì)胞也能夠予以全方位的修復(fù)。相比于聚苯乙烯等傳統(tǒng)材料而言，石墨烯能夠顯著增大細(xì)胞軸突的平均長度。對于小鼠體內(nèi)的海馬細(xì)胞來講，石墨烯對其也可以予以全方位的細(xì)胞修復(fù)[10]。因此近些年來，技術(shù)人員針對石墨烯材料已經(jīng)能夠用來全面修復(fù)人體內(nèi)部的神經(jīng)系統(tǒng)或者骨組織系統(tǒng)。在當(dāng)前階段的生物醫(yī)學(xué)有關(guān)研究中，關(guān)鍵在于石墨烯全面支撐骨細(xì)胞，并且實(shí)現(xiàn)骨組織的再生。目前石墨烯在組織工程中的應(yīng)用尚處于起步階段，尤其是在生物學(xué)評價(jià)、不可降解以及體內(nèi)的毒副作用需要進(jìn)一步的深入的研究，相信在不就的將來，其在組織工程中的應(yīng)用會有質(zhì)的飛躍。

2.4 石墨烯在細(xì)胞和腫瘤光動力治療中的應(yīng)用

納米級別的石墨烯不僅可以作用于細(xì)胞進(jìn)行成像，還能作用于腫瘤進(jìn)行靶向成像，有學(xué)者通過納米石墨烯作為腫瘤靶向的載體，成功的采用計(jì)算機(jī)斷層顯像技術(shù)評估了藥代動力學(xué)和腫瘤的靶向治療效果，且將單克隆抗體標(biāo)記在靶向藥物上，提高了治療的效果。目前光動力治療是癌癥物理的常用療法，因?yàn)槠涞投拘?，并且生理?xiàng)l件下穩(wěn)定，通過光熱發(fā)將細(xì)胞中的線粒體膜去極化、DNA破碎，而石墨烯剛好可以在近紅外光區(qū)吸收能量，能夠?qū)M織進(jìn)行熱消融，從而高效的殺死腫瘤組織。

3 結(jié)束語

在目前階段中，石墨烯材質(zhì)正在被廣泛適用于多種多樣的領(lǐng)域，例如電子機(jī)械領(lǐng)域、光學(xué)領(lǐng)域與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等。石墨烯擁有具備平面性的碳原子二維結(jié)構(gòu)，因此在客觀上增強(qiáng)了此類新型材料能夠達(dá)到的適用性。因此在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的有關(guān)實(shí)踐中，技術(shù)人員針對石墨烯的特殊材質(zhì)還需著眼于全面進(jìn)行探究，從而顯著擴(kuò)大當(dāng)前現(xiàn)有的新型材料運(yùn)用領(lǐng)域，目前上海雍黎公司的技術(shù)人員針對石墨烯的特殊材質(zhì)還需著眼于全面進(jìn)行探究。