二維材料“遇見”生物大分子：機(jī)遇與挑戰(zhàn)

杜春保 ，胡小玲 ，張剛 ，程淵 ,＊

1西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，西安 7100652西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，西安 7100723新加坡科技研究局高性能計(jì)算研究所，新加坡 138632

1 引言

2004年具有單原子厚度的二維石墨烯的問世，打破了“熱力學(xué)定律不允許任何二維晶體在有限溫度下存在”這一原有科學(xué)認(rèn)識(shí)。此后，二維材料以其優(yōu)異的特性開啟了材料科學(xué)的新時(shí)代1-7。伴隨著科技創(chuàng)新的迅速發(fā)展，基于二維材料的納米科學(xué)與技術(shù)取得了巨大進(jìn)步。到目前為止，二維材料已廣泛涉及到單質(zhì)、非金屬化合物、金屬化合物、鹽類和有機(jī)物等。除了石墨烯8-13，其它典型的二維材料如氮化石墨烯(C2N)14、六方氮化硼(h-BN，碳和氮以等比例共價(jià)連接成的類石墨烯六角結(jié)構(gòu))15,16、過渡金屬硫族化合物(TMDs，過渡金屬元素和硫族元素S/Se/Te組成的化合物，如MoS217-22、WS223、TiS224、VS225、TaS226、ZrS227、MoSe228、WSe229、NbSe230、Bi2Se331、MoTe232-34等)、過渡金屬氧化物(TMOs，如ZnO35、MoO236、WO337等)、類石墨相氮化碳(g-C3N4)38、磷烯(單層磷原子形成的褶皺蜂巢結(jié)構(gòu))39-44、硼烯45、硅烯(單層硅原子形成的彎曲狀蜂巢結(jié)構(gòu))46、鍺烯47、砷烯(單層砷原子形成的椅狀蜂巢結(jié)構(gòu))48、銻烯49,50和錫烯51等始終是當(dāng)前材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過十幾年學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的不懈努力，二維材料家族的成員不斷增加，它們以各自獨(dú)特的光學(xué)、力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，在能源轉(zhuǎn)換、電子器件、傳感和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景52-56。在自然界中，生物分子(尤其是生物大分子)以非共價(jià)鍵或共價(jià)鍵被吸附或固載到納米材料表面是一種非常廣泛的現(xiàn)象57-62。納米材料與生物大分子的結(jié)合可以構(gòu)建各種形形色色的新型納米材料，極大地拓展了納米材料的范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。正是基于這種理念，當(dāng)二維材料與生物大分子“相遇”時(shí)，二者的結(jié)合以其各自優(yōu)異的性能展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，而深入揭示二維材料與生物大分子之間的作用機(jī)制，在納米電子學(xué)器件、生物傳感器和疾病治療等領(lǐng)域起著重要的作用。

通過二維材料與生物大分子之間的“碰撞”來改變生物大分子的“本征”構(gòu)象從而調(diào)整生物大分子的生物化學(xué)性質(zhì)，或?qū)⒍呓M裝成納米復(fù)合/雜化材料，其核心是揭示二維材料與生物大分子之間的作用機(jī)理，它是決定二者結(jié)合后的應(yīng)用價(jià)值的決定性因素。因此，探索不同類型的二維材料和生物大分子之間的作用機(jī)理、闡明二者之間的作用規(guī)律、開發(fā)各種不同性能的納米復(fù)合/雜化材料是當(dāng)前該領(lǐng)域研究的重要方向。近年來，科研工作者們已相繼研制了各種不同類型的二維材料，并通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方式揭示了它們與生物大分子之間的作用機(jī)理，開發(fā)了多種新型的納米復(fù)合/雜化材料，并實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用，使人們看到了二維材料與生物大分子相結(jié)合后的潛在應(yīng)用價(jià)值。本文就目前所發(fā)現(xiàn)的二維材料和生物大分子之間的作用方式以及通過二者之間的結(jié)合所衍生的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的分類和評(píng)述，以便于讀者了解二維材料在涉及生物大分子中的應(yīng)用價(jià)值和拓展新穎的應(yīng)用方向。

2 作用方式

生物大分子主要包括蛋白質(zhì)、酶、多糖、脂類和核酸(包括脫氧核糖核酸DNA、核糖核酸RNA)等。二維材料與生物大分子之間的結(jié)合方式主要包括非共價(jià)鍵結(jié)合和共價(jià)鍵結(jié)合(圖1)。其中非共價(jià)鍵結(jié)合主要包括范德華作用、π-π堆疊、靜電和疏水作用，而共價(jià)鍵結(jié)合主要為二維材料表面的功能基團(tuán)與生物大分子的功能基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成新的化學(xué)鍵。非共價(jià)鍵具有非破壞性，可以更好的保持和發(fā)揮生物大分子和二維材料本身的優(yōu)異性能，并且反應(yīng)條件溫和，操作相對(duì)簡(jiǎn)單。共價(jià)鍵具有較高的破壞性，但是由于其鍵能較大，使得生物大分子與二維材料之間的結(jié)合比較穩(wěn)定?；诙S材料和生物大分子的多樣性，二者之間的結(jié)合使其在柔性器件、傳感器、智能皮膚、藥物遞送、疾病治療和抗菌等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景(圖1)

2.1 非共價(jià)鍵結(jié)合

圖1 二維材料與生物大分子之間的作用方式及應(yīng)用Fig. 1 The interactions between 2D materials and biomacromolecules and relevant applications.

圖2 (a)無石墨烯作用時(shí)，蠶絲蛋白的非結(jié)晶區(qū)域的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化；(b)石墨烯存在下，蠶絲蛋白的非結(jié)晶區(qū)域的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化；(c)石墨烯作用下，蠶絲蛋白的結(jié)晶區(qū)域的氫鍵數(shù)目變化Fig. 2 Time-evolution of the secondary structures of amorphous region in of silk protein without(a) and with (b) graphene; (c) Number of hydrogen bonds of crystalline region in the bottom layer with (blue curve)and without (red curve) graphene as a function of simulation time.Adapted from Ref. 63.

石墨烯是最典型的二維材料。以石墨烯為出發(fā)點(diǎn)，揭示石墨烯與生物大分子之間的作用機(jī)理可以為理解其它二維材料與生物大分子之間的作用提供一些理論參考。近年來，Cheng等63-65以石墨烯與蠶絲蛋白為研究目標(biāo)，展開了一系列有趣的研究。蠶絲蛋白具有很多優(yōu)異的性質(zhì)，如高機(jī)械強(qiáng)度、硬度、生物相容性和生物可降解性，而這些優(yōu)異的性質(zhì)使其被廣泛應(yīng)用于服裝/醫(yī)用織物、組織工程支架、藥物/基因載體、光學(xué)元件和傳感器等領(lǐng)域。蠶絲蛋白是一種多區(qū)域的共聚物，主干網(wǎng)包括交替的納米尺寸的疏水區(qū)域和親水區(qū)域，涉及各種氫鍵作用、極性-極性作用和疏水-疏水作用。揭示蠶絲蛋白的不同區(qū)域與石墨烯之間的作用機(jī)理，有利于通過石墨烯來調(diào)控蠶絲蛋白的機(jī)械性能，提高其應(yīng)用價(jià)值。Cheng等63采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了石墨烯與蠶絲蛋白(非結(jié)晶區(qū)域和結(jié)晶區(qū)域)之間的作用方式。結(jié)果表明，蠶絲蛋白的非結(jié)晶區(qū)域與石墨烯之間的作用主要為疏水作用。蠶絲蛋白的非結(jié)晶區(qū)域在水溶液中的穩(wěn)定性較差，其二級(jí)結(jié)構(gòu)螺旋含量?jī)H為1.79%。與石墨烯結(jié)合后，非結(jié)晶區(qū)域中的丙氨酸(Ala)和蘇氨酸(Thr)中的疏水基團(tuán)(甲基)易于通過疏水作用與石墨烯結(jié)合，使該區(qū)域二級(jí)結(jié)構(gòu)的螺旋含量提高至48.21%。其中，形成的310-螺旋序列結(jié)構(gòu)為丙氨酸-甘氨酸-丙氨酸(Ala-Gly-Ala)和丙氨酸-甘氨酸-蘇氨酸(Ala-Gly-Thr)，Ala的側(cè)鏈甲基和石墨烯之間的疏水作用，誘導(dǎo)310-螺旋結(jié)構(gòu)的形成(圖2a，b)。在沒有甲基的氨基酸序列中，不會(huì)形成螺旋結(jié)構(gòu)。即非結(jié)晶區(qū)域中末端的3個(gè)氨基酸殘基(如蘇氨酸-甘氨酸-絲氨酸，Thr-Gly-Ser)與石墨烯結(jié)合時(shí)卻始終不會(huì)形成螺旋結(jié)構(gòu)。由此可知，Ala的疏水基團(tuán)(甲基)與石墨烯之間的疏水作用是形成310-螺旋的主要驅(qū)動(dòng)力。因此，當(dāng)蠶絲蛋白的非結(jié)晶區(qū)域與石墨烯結(jié)合時(shí)，疏水作用是至關(guān)重要的。由于非結(jié)晶區(qū)域和石墨烯之間的結(jié)合可以使得該區(qū)域形成更多的氫鍵結(jié)合位點(diǎn)、更穩(wěn)定的氫鍵結(jié)構(gòu)和更高的螺旋含量，使蠶絲蛋白的非結(jié)晶區(qū)域具有更高的穩(wěn)定性，也因此會(huì)增強(qiáng)其機(jī)械性能。蠶絲蛋白的結(jié)晶區(qū)域主要是以β-折疊結(jié)構(gòu)為主，它決定了蠶絲蛋白的機(jī)械強(qiáng)度。該區(qū)域與石墨烯結(jié)合時(shí)，由于結(jié)晶區(qū)域內(nèi)部的β-折疊的鏈與鏈之間的氫鍵結(jié)合比較穩(wěn)定，只有在臨近石墨烯位置的β-折疊區(qū)域的氫鍵數(shù)據(jù)略有改變(圖2c)，且波動(dòng)范圍極小。石墨烯與結(jié)晶區(qū)域之間的范德華力不足以誘導(dǎo)該區(qū)域結(jié)構(gòu)的改變，石墨烯對(duì)整個(gè)β折疊結(jié)構(gòu)的影響并不明顯，結(jié)晶區(qū)域的穩(wěn)定性較好。因此，石墨烯和蠶絲蛋白的不同區(qū)域的結(jié)合是由蠶絲蛋白的序列、疏水性以及結(jié)構(gòu)所決定。Wang等66使用氧化石墨烯(GO)和蠶絲蛋白組裝成了蠶絲蛋白-石墨烯薄膜。結(jié)果表明，僅質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的GO就可以將該薄膜的楊氏模量提高至純蠶絲蛋白的5.8倍，這與Cheng等63得到的結(jié)論一致，即二維材料的高比表面積和蠶絲蛋白之間的疏水作用增強(qiáng)了蠶絲的機(jī)械性能。此外，Cheng等67以β-淀粉樣蛋白(2BEG)為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)石墨烯會(huì)通過疏水作用誘導(dǎo)2BEG的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的改變。由于石墨烯具有強(qiáng)烈的疏水性，溶劑(水)會(huì)促進(jìn)石墨烯向2BEG靠近。最近，他們以四種常見的不同結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)(溶菌酶Lyz、牛血紅白蛋白Hb、卵清蛋白OVA和牛血清白蛋白BSA)為研究目標(biāo)，在同等實(shí)驗(yàn)條件下研究了GO與它們之間的作用。結(jié)果表明，GO可以通過與Lyz之間的疏水作用誘導(dǎo)Lyz的無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu)。而對(duì)于Hb、OVA和BSA，石墨烯會(huì)誘導(dǎo)螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊結(jié)構(gòu)。該四種蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的巨大差異使GO與生物大分子相互作用時(shí)的功能存在各向異性。

Zuo等68采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了絨毛蛋白(HP35)吸附到石墨烯表面的過程。結(jié)果表明，π-π堆疊作用是HP35與石墨烯之間結(jié)合的主要驅(qū)動(dòng)力，并控制了整個(gè)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過程。HP35與石墨烯之間的π-π堆疊作用主要由HP35結(jié)構(gòu)中的五個(gè)帶苯環(huán)的氨基酸殘基體現(xiàn)，這種π-π堆疊作用為錯(cuò)位面對(duì)面平行堆積作用。石墨烯與HP35之間的相互作用破壞了HP35的疏水部分，從而導(dǎo)致HP35的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，主要體現(xiàn)在α-螺旋轉(zhuǎn)變?yōu)?10-螺旋、β-折疊和β-轉(zhuǎn)角，蛋白質(zhì)也因此失去了原有的生物學(xué)功能。

Chong等69采用實(shí)驗(yàn)與理論模擬相結(jié)合的方式，研究了石墨烯與四種血液蛋白(牛纖維蛋白原BFG、免疫球白蛋白Ig、轉(zhuǎn)鐵蛋白Tf和BSA)之間的作用。結(jié)果表明，這四種蛋白質(zhì)在石墨烯表面的吸附除了疏水作用之外，還主要由焓驅(qū)動(dòng)的π-π堆疊作用來控制，而且它們與石墨烯之間的結(jié)合能力以BFG最強(qiáng)，Ig次之，BSA最弱。在涉及石墨烯與生物大分子之間相互作用的研究中，考慮到石墨烯在極性水溶液中不易分散，通常會(huì)選擇GO作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。盡管GO的含氧原子基團(tuán)(如羥基、環(huán)氧基和羧基)與生物大分子之間的靜電相互作用會(huì)在一定程度上增強(qiáng)二者之間的作用，但是由于GO中含有大量的sp2碳雜化區(qū)域，GO與生物大分子之間仍然會(huì)以π-π堆疊作用和疏水作用為主。

磷脂雙分子層是構(gòu)成細(xì)胞膜的基本支架，揭示二維材料與磷脂雙分子層之間的相互作用有助于闡明二維材料的生物學(xué)毒性。Tu等70最早使用分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)石墨烯可以通過較強(qiáng)的范德華力從細(xì)胞膜中抽取磷脂，從而誘導(dǎo)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞。相比之下，具有含氧基團(tuán)的GO，由于其親水基團(tuán)的存在，會(huì)削弱GO與磷脂之間的范德華作用。因此，他們認(rèn)為具有含氧基團(tuán)的石墨烯和被還原的GO比純石墨烯的毒性要小，從而具有更高的生物安全性。在最近的研究中，Li等71通過使用冷凍電子顯微鏡和染料滲漏實(shí)驗(yàn)相結(jié)合詳細(xì)揭示了石墨烯與磷脂之間的作用機(jī)理。結(jié)果表明，石墨烯與磷脂之間的相互作用并不明顯，而GO卻可以誘導(dǎo)磷脂結(jié)構(gòu)的破壞。GO對(duì)磷脂的破壞除了與GO的氧化程度和氧化位點(diǎn)有關(guān)，還由磷脂的強(qiáng)度決定。GO的未被氧化的區(qū)域(例如角落處)可以刺穿細(xì)胞膜，誘導(dǎo)GO的其它區(qū)域更易進(jìn)入磷脂，導(dǎo)致GO的親水區(qū)域(被氧化的位置)形成孔洞，最終促使細(xì)胞膜的破壞。該研究為進(jìn)一步調(diào)控石墨烯的氧化程度來控制其毒性提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

氮化石墨烯(C2N)是一種新型的類石墨烯二維納米材料，表面分布著周期性的小孔，孔的邊界由氮原子組成。由于電子主要富集在氮原子周圍，因而C2N的親水性比石墨烯好。Li等72采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了HP35在C2N的表面吸附和構(gòu)象變化的動(dòng)力學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)HP35與C2N之間的結(jié)合是由靜電作用主導(dǎo)。在該動(dòng)力學(xué)演變過程中，HP35能夠被吸附到C2N的表面，與C2N形成穩(wěn)定的結(jié)合，而且C2N不會(huì)導(dǎo)致HP35的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的變化。此外，C2N具有固有的周期性孔洞結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的靜電勢(shì)可以吸附帶電的氨基酸(賴氨酸Lys和天冬氨酸Asp)，使HP35在C2N的結(jié)合位點(diǎn)上十分穩(wěn)定。通過傘狀采樣方法發(fā)現(xiàn)，HP35在C2N上的吸附位置很固定，高自由能勢(shì)壘使得HP35幾乎不發(fā)生平移運(yùn)動(dòng)。在Li等73另一項(xiàng)研究工作中，他們發(fā)現(xiàn)雙鏈DNA分子與C2N之間具有獨(dú)特的結(jié)合模式，二者之間的特異性結(jié)合主要由范德華力和靜電作用主導(dǎo)。雙鏈DNA與C2N之間的結(jié)合與DNA的初始構(gòu)象無關(guān)，無論DNA和C2N被如何放置，雙鏈DNA都能夠垂直地結(jié)合在C2N表面。在該結(jié)合過程中，雙鏈DNA的結(jié)構(gòu)可以被完好保持(圖3a，b)，其內(nèi)部的Watson-Crick氫鍵幾乎沒有受到破壞。與蛋白質(zhì)的研究結(jié)果類似，DNA在C2N表面的平移運(yùn)動(dòng)完全被抑制，C2N表面特殊周期結(jié)構(gòu)的第一水合層會(huì)導(dǎo)致DNA與C2N結(jié)合以后不能再進(jìn)行平滑移動(dòng)(圖3c)，從而促使其位置被固定。與石墨烯進(jìn)行對(duì)比，C2N對(duì)DNA分子也呈現(xiàn)出良好的生物相容性。

此外，Li等74研究了蛋白質(zhì)在MoS2表面的吸附機(jī)理。MoS2是TMDs的代表性二維材料，具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用已廣泛涉及能源、器件、催化和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域75-81。在該研究中，他們以不同長(zhǎng)度的聚丙氨酸(PAn，n = 10，20，30，40)作為模型，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了PAn與單層MoS2之間的作用，發(fā)現(xiàn)二者之間的結(jié)合力主要為范德華力，MoS2會(huì)以較快的速率和較強(qiáng)的作用力與PAn結(jié)合。由于該作用力比較強(qiáng)，無論P(yáng)An的長(zhǎng)短如何，MoS2均可以破壞PAn內(nèi)部的氫鍵，從而導(dǎo)致其初始的α-螺旋結(jié)構(gòu)的破壞，并最終引起PAn構(gòu)象發(fā)生嚴(yán)重的變化，完全破壞掉其二級(jí)結(jié)構(gòu)。

圖3 (a，b) DNA與C2N在不同時(shí)刻之間的作用(37 ns，42 ns)；(c) C2N表面特殊周期結(jié)構(gòu)的第一水合層Fig. 3 (a, b) Interactions between DNA and C2N at different times (37 ns, 42 ns); (c) Density map of the densest water layer on C2N surface.Adapted from Ref. 73.

磷烯是有序磷原子所構(gòu)成的單層二維材料，具有直接帶隙和優(yōu)異的電子遷移能力。Zhang等82以HP35為目標(biāo)，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了磷烯與HP35之間的作用。結(jié)果表明，磷烯與HP35之間的結(jié)合主要以色散力和疏水作用為主。其中芳香族氨基酸與磷烯之間的色散力比疏水作用強(qiáng)。此外，與石墨烯進(jìn)行對(duì)比時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)，石墨烯與HP35之間的π-π堆疊作用強(qiáng)于色散力，而且石墨烯對(duì)HP35的破壞能力遠(yuǎn)大于磷烯。

DNA/RNA的基礎(chǔ)組成單位為核苷酸堿基對(duì)(腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶)、揭示這些基本組成單位與二維材料之間的作用機(jī)理對(duì)生物分子的捕捉和檢測(cè)具有重要意義。Hussain等83使用量子力學(xué)計(jì)算研究了硅烯/鍺烯與DNA/RNA的核苷酸堿基對(duì)之間的作用。結(jié)果表明，DNA/RNA的核苷酸堿基對(duì)與硅烯/鍺烯之間的結(jié)合過程同時(shí)存在物理吸附和化學(xué)吸附過程，其中以鳥嘌呤與硅烯/鍺烯之間的結(jié)合能力最強(qiáng)，這是因?yàn)橛渗B嘌呤的氧原子與硅烯/鍺烯之間的電子轉(zhuǎn)移所致。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，在蛋白質(zhì)的基本組成單位的芳環(huán)氨基酸(酪氨酸Tyr、色氨酸Trp、組氨酸His、苯丙氨酸Phe)和雜環(huán)分子(環(huán)戊烷、呋喃、吡咯、噻吩、苯、吡啶、吡喃、四氫噻喃)中，硅烯/鍺烯與它們之間的結(jié)合過程也同時(shí)存在物理吸附和化學(xué)吸附過程，Trp與硅烯的結(jié)合能力強(qiáng)，Tyr與鍺烯之間的結(jié)合能力強(qiáng)，均為錯(cuò)位面面平行的π-π堆疊作用。在雜化分子中，吡啶分子的氮原子與硅烯之間存在較強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移作用，四氫噻喃與鍺烯之間存在著較強(qiáng)的范德華作用。Jagvaral等84也通過量子力學(xué)計(jì)算研究了氣相和溶劑化環(huán)境中蛋白質(zhì)的基本組成單元與硅烯之間的作用。該研究以氨基酸的三種類型的功能基團(tuán)(烷基基團(tuán)、含氧/氮基團(tuán)和苯環(huán))作為研究目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)烷基和硅烯之間的作用為物理吸附的范德華作用，含氧/氮基團(tuán)與硅烯之間的作用為化學(xué)吸附的電子轉(zhuǎn)移作用，苯環(huán)與硅烯之間為物理吸附的π-π堆疊作用。由于蛋白質(zhì)的體積較大，蛋白質(zhì)與二維材料的作用實(shí)際上為蛋白質(zhì)的側(cè)鏈與硅烯之間的作用。由于硅烯是一種呈酸性的二維材料，無論在氣相環(huán)境中還是溶劑化環(huán)境中，蛋白質(zhì)與硅烯之間的作用均為物理吸附和化學(xué)吸附共存的協(xié)同作用。

2.2 共價(jià)鍵結(jié)合

在生物大分子的結(jié)構(gòu)中存在大量的氨基和羧基等活性功能基團(tuán)。二維材料與生物大分子之間的共價(jià)鍵結(jié)合，主要是通過二維材料表面特殊的功能基團(tuán)(如羧基、羥基、環(huán)氧基等)與生物大分子的功能基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。在通常的實(shí)驗(yàn)條件下，石墨烯即可被氧化成GO，并帶有羥基、羧基和環(huán)氧基等基團(tuán)。因此，在當(dāng)前二維材料與生物大分子之間的共價(jià)鍵結(jié)合的研究中，以石墨烯最為普遍。例如，Shen等85使用BSA對(duì)GO進(jìn)行了共價(jià)功能化。他們首先使用濃硫酸(H2SO4)和高錳酸鉀(KMnO4)對(duì)GO進(jìn)行活化，賦予其表面具有羧基功能基團(tuán)，然后通過與1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDAC)和N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)反應(yīng)形成穩(wěn)定的活性酯基，該活性酯基即可與BSA的氨基形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵。該策略為通過其它生物大分子與石墨烯之間的結(jié)合來構(gòu)建新型雜化材料提供了一種簡(jiǎn)單通用的制備方法。Li等86使用1-芘丁酸-N-羥基琥珀酰亞胺酯(PNHS)等對(duì)GO進(jìn)行了一系列修飾得到了雜化支架，該支架表面的環(huán)氧基團(tuán)可以與蛋白質(zhì)的Lys進(jìn)行共價(jià)鍵結(jié)合。Hong等87通過使用葡萄糖氧化酶對(duì)GO進(jìn)行了共價(jià)功能化。他們首先將GO與葡萄糖氧化酶混合在一起進(jìn)行非共價(jià)吸附自組裝，然后加入戊二醛作為交聯(lián)劑，通過戊二醛與蛋白質(zhì)的氨基形成希夫氏堿來獲得共價(jià)鍵結(jié)合。此外，Wang等88使用銅催化的疊氮-炔反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了DNA和GO之間的共價(jià)鍵結(jié)合。他們首先使用2-氯乙基異氰酸酯對(duì)GO進(jìn)行改性，然后加入疊氮化鈉，將疊氮基團(tuán)通過鹵代烷基親核取代反應(yīng)固定在GO表面，隨后通過疊氮-炔反應(yīng)將炔基功能化的DNA與疊氮功能化的GO進(jìn)行共價(jià)鍵結(jié)合，該方法可以在GO表面生成具有超高DNA密度的穩(wěn)定多價(jià)共軛化合物。此外，Yang等89研究了GO與多糖之間的共價(jià)鍵結(jié)合。他們使用GO與氯化亞砜進(jìn)行反應(yīng)，將其羧基轉(zhuǎn)變?yōu)轷Ｂ?。酰氯化的GO可以分別與羥丙基纖維素的氨基和殼聚糖的羥基經(jīng)過肼還原實(shí)現(xiàn)共價(jià)鍵結(jié)合。經(jīng)多糖改性的GO，其水溶性和生物相容性都大大提高，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

對(duì)于其它二維材料的共價(jià)功能化研究，目前主要集中在有機(jī)小分子，尚未涉及到生物大分子，這可能與這些二維材料的表面功能基團(tuán)的修飾難度有關(guān)。然而通過對(duì)石墨烯的研究可以看出，二維材料與生物大分子之間的共價(jià)鍵結(jié)合及其相關(guān)應(yīng)用確實(shí)取得了進(jìn)展。這些結(jié)合方法不僅可以改善二維材料的分散性，還可以賦予二維材料新的功能。相比于二維材料與生物大分子之間的非共價(jià)鍵結(jié)合，共價(jià)鍵結(jié)合會(huì)破壞二維材料的本征結(jié)構(gòu)，但該方法所得到的結(jié)構(gòu)由于具有高度有序和良好的穩(wěn)定性等特性，因此同樣展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。

3 應(yīng)用

3.1 工程應(yīng)用

近年來，智能柔性電子器件激發(fā)了研究者們的濃厚興趣。以人造皮膚為例，以前只要求其具有無毒、無刺激和相容好等特性。然而，目前和未來則需要開發(fā)多功能仿生電子皮膚，實(shí)現(xiàn)如保健監(jiān)控和人機(jī)交互界面等應(yīng)用。最近，Liu等90采用一種靈活和簡(jiǎn)單的方法制備了成本低廉的石墨烯-絲綢壓力傳感器。該研究以絲綢為載體，與石墨烯形成了有序多層結(jié)構(gòu)的三維裝置，對(duì)壓力的靈敏度能達(dá)到0.4 kPa-1，測(cè)量范圍可達(dá)140 kPa，作為人造皮膚可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，該壓力傳感器可以與針織服裝和紡織產(chǎn)品進(jìn)行良好的結(jié)合，當(dāng)應(yīng)對(duì)不同壓力時(shí)，測(cè)量范圍可達(dá)100 kPa，具有靈敏度高、重復(fù)性好和柔韌性優(yōu)異等特點(diǎn)，適用于各種可穿戴電子產(chǎn)品。二維材料還可以與生物大分子組合為智能器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的特異性定量檢測(cè)。例如，Zeng等91通過使用十二烷基苯磺酸鈉功能化的GO和辣根過氧化酶通過靜電自組裝得到了新型的具有層級(jí)結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料用于對(duì)過氧化氫(H2O2)的檢測(cè)。結(jié)果表明，辣根過氧化酶可以均勻地分散在GO中，并且其天然結(jié)構(gòu)在組裝后仍保持不變。該納米復(fù)合材料作為電極時(shí)，對(duì)H2O2具有優(yōu)異的電催化活性。Guo等92通過使用石墨烯、人工過氧化酶和細(xì)胞外基質(zhì)蛋白構(gòu)建了一種智能型的多功能生物界面體系，并將其應(yīng)用于細(xì)胞的生長(zhǎng)和原位定量檢測(cè)H2O2。石墨烯為人體細(xì)胞的生長(zhǎng)提供了尺寸上的兼容性，與細(xì)胞外基質(zhì)蛋白結(jié)合后，可以促進(jìn)細(xì)胞的吸附和生長(zhǎng)。此外，上述體系與人工過氧化酶結(jié)合后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)H2O2的選擇性檢測(cè)。由于石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，該多功能生物界面體系檢測(cè)到細(xì)胞外的H2O2分子數(shù)目約為1011數(shù)量級(jí)。相比于其它碳材料體系(如通過碳納米管-人工過氧化酶，多孔碳-人工過氧化酶，碳化二氧化碳納米管-肌紅蛋白，納米多孔金-細(xì)胞色素c等)，該石墨烯體系對(duì)H2O2的檢測(cè)線可以達(dá)到0.10 μmol·L-1。Al-Dirini等93使用石墨烯構(gòu)建了基于單分子檢測(cè)的多孔納米生物傳感器。該傳感器可以同時(shí)在水/鹽溶液中檢測(cè)尺寸最小的Gly。盡管檢測(cè)對(duì)象為小分子，鑒于氨基酸為蛋白質(zhì)/酶的基本組成單元，該研究可以拓展到二維材料對(duì)生物大分子的特異性識(shí)別與檢測(cè)。最近，Zhang等94在溫和的實(shí)驗(yàn)條件下，使用廉價(jià)的絲蛋白纖維剝離石墨制備了高質(zhì)量的石墨烯分散體。絲蛋白纖維不僅可以賦予該分散體在水溶液中的良好穩(wěn)定性，還可以提高分散體在胎牛血清溶液中的穩(wěn)定性和生物相容性。通過該體系制備的絲蛋白-石墨烯復(fù)合薄膜還具有良好的柔性和導(dǎo)電性，在生物光學(xué)和電子器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 疾病治療

隨著二維材料的迅速發(fā)展及其二維材料與生物大分子之間的作用機(jī)理不斷被揭示，二維材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。二維材料的比表面積較大，當(dāng)進(jìn)入機(jī)體后會(huì)吸附生物大分子。這些生物大分子可以賦予二維材料以新的生物學(xué)功能。例如，二維材料具有幫助解決如阿爾茨海默癥等蛋白質(zhì)折疊疾病的潛力。當(dāng)前以石墨烯為代表的二維材料在阿爾茨海默癥中的研究較為普遍。阿爾茨海默癥是最普遍存在的神經(jīng)退化疾病之一，阿爾茨海默癥患者腦部中的Aβ肽通過自組裝形成的Aβ聚集體被認(rèn)為是導(dǎo)致和造成該疾病惡化的重要物質(zhì)之一。Yang等95通過實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合研究了GO對(duì)Aβ聚集體的破壞作用。結(jié)果表明，GO可以從Aβ聚集體中抽取Aβ單體(圖4a，b)，該抽取過程的驅(qū)動(dòng)力是二者之間的疏水作用和π-π堆疊作用的協(xié)同作用力。此外，他們通過使用原子力顯微鏡和硫磺素?zé)晒鈱?shí)驗(yàn)證實(shí)，GO不僅可以將成熟的Aβ聚集體切成片，還可以抑制Aβ單體的聚集，阻止其形成Aβ聚集體(圖4c，d)。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)也表明，GO可以降低由Aβ聚集體所導(dǎo)致的細(xì)胞毒性。因此，基于石墨烯的納米療法具有解決關(guān)于阿爾茨海默癥和其它蛋白聚集相關(guān)疾病的潛力。

圖4 (a，b) Aβ聚集體與石墨烯在不同時(shí)刻之間的作用；(c) Aβ聚集體的原子力顯微鏡圖；(d) GO作用后的Aβ聚集體的原子力顯微鏡圖Fig. 4 (a, b) Interactions between Aβ fibrils and graphene at different times; (c, d) AFM images of Aβ fibrils without and with GO.Adapted from Ref. 95.

二維材料也可以進(jìn)一步被設(shè)計(jì)或組裝成多孔材料進(jìn)行藥物遞送。Cheng等96在之前的研究基礎(chǔ)上，根據(jù)石墨烯的特性，巧妙地設(shè)計(jì)了一種卷筒狀的碳納米材料，發(fā)現(xiàn)具有疏水特性的碳納米管可以保護(hù)其內(nèi)部的蠶絲蛋白晶粒免受外界水分子的削弱作用，是一種優(yōu)異的藥物遞送體系。該研究為將二維材料設(shè)計(jì)成特殊的卷疊結(jié)構(gòu)，通過控制其結(jié)構(gòu)的尺寸和內(nèi)部空腔的大小構(gòu)建生物醫(yī)學(xué)器件具有一定的指導(dǎo)作用。Weng等97構(gòu)建了一種良好水溶性和生物相容性的多孔h-BN納米材料。由于該納米材料的制備是基于碳原子在石墨化碳氮化合物中的熱取代反應(yīng)，因此能夠產(chǎn)生具有較高羥基化度的多孔結(jié)構(gòu)。此外，多孔結(jié)構(gòu)的h-BN納米材料對(duì)抗癌藥物分子阿霉素(DOX)的載藥量可達(dá)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的309%，其治療效果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于游離的DOX。Chu等98使用GO和脫細(xì)胞真皮基質(zhì)構(gòu)建了一種雜化混合支架。將該支架植入糖尿病患者的傷口中，可以促進(jìn)細(xì)胞增生，誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化成脂肪細(xì)胞和成骨細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)糖尿病患者傷口的早期創(chuàng)面愈合。此外，該雜化混合支架還可以作為強(qiáng)大的藥物輸送系統(tǒng)來開發(fā)干細(xì)胞治療方法、組織工程和再生醫(yī)學(xué)。

除了良好的導(dǎo)熱和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，二維材料在近紅外光區(qū)域還展現(xiàn)出優(yōu)異的吸收特性，是一種良好的光熱轉(zhuǎn)換試劑。表1是近年來報(bào)導(dǎo)的一些典型的二維材料的光熱轉(zhuǎn)換性能在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用匯總，表明二維材料的光熱轉(zhuǎn)換性能在腫瘤治療中展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。例如，Yin等99使用殼聚糖對(duì)MoS2進(jìn)行修飾，制備了生物相容性好的納米材料。該納米材料被遞送到腫瘤細(xì)胞部位時(shí)，除了具有優(yōu)異的成像性能，還具有良好的光熱-化療協(xié)同抗腫瘤效果。Yong等100制備了BSA修飾的WS2納米材料，該納米材料在腫瘤部位具有超強(qiáng)的計(jì)算機(jī)斷層掃描成像信號(hào)，可為疾病的診斷與確認(rèn)提供強(qiáng)有力的證據(jù)。

3.3 抗菌

當(dāng)前抗生素的濫用導(dǎo)致細(xì)菌的耐藥性逐漸增強(qiáng)。在某些環(huán)境中，二維材料可對(duì)細(xì)菌和一些正常細(xì)胞的生存產(chǎn)生影響，被認(rèn)為具有一定的抗菌活性，存在對(duì)微生物感染治療的潛力101-116。例如，Tu等70將GO溶液加入到大腸桿菌溶液中，發(fā)現(xiàn)大腸桿菌在短時(shí)間內(nèi)對(duì)低濃度的GO具有耐受能力。然而，隨著時(shí)間的推移，大腸桿菌的細(xì)胞膜逐漸遭到破壞，并最終失去細(xì)胞完整性，甚至完全失去了細(xì)胞質(zhì)。GO抗菌的方式主要是通過末端疏水區(qū)域逐步嵌入到細(xì)胞膜的磷脂中，其獨(dú)特的sp2碳雜化結(jié)構(gòu)使GO與脂質(zhì)分子之間的分散相互作用異常強(qiáng)烈，GO通過范德華力和疏水作用力將磷脂抽取出來，破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，使胞內(nèi)的物質(zhì)流出，最終導(dǎo)致細(xì)菌的死亡。Pham等112使用實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合，研究了石墨烯表面的抗菌行為。他們?cè)O(shè)計(jì)了不同邊緣長(zhǎng)度和不同方位角度的石墨烯，并將其加入到棒狀的銅綠假單胞菌和球狀的金黃色葡萄球菌培養(yǎng)液中，發(fā)現(xiàn)石墨烯會(huì)促使細(xì)菌細(xì)胞壁的孔隙的形成，造成滲透失衡，引起細(xì)胞死亡。他們還發(fā)現(xiàn)石墨烯邊緣的密度是影響石墨烯抗菌性能的主要因素。此外，Xiong等113使用探針式細(xì)胞破碎儀在無氧去離子水中制備了磷烯，然后以革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽性枯草桿菌為研究對(duì)象，通過細(xì)菌生長(zhǎng)曲線、菌落計(jì)數(shù)和活/死細(xì)胞染色等方法研究了磷烯的抗菌特性。結(jié)果表明，磷烯對(duì)大腸桿菌和枯草桿菌具有顯著的抗菌效果，抗菌效率分別高達(dá)91.65%和99.69%，且存在強(qiáng)烈的時(shí)間和濃度依賴性。磷烯對(duì)大腸桿菌的最強(qiáng)破壞時(shí)間遠(yuǎn)高于枯草桿菌，這種差異是由于兩種細(xì)菌的細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)不同和功能的差異所致。該研究揭示了兩種抗菌機(jī)理，即依賴于活性氧的氧化應(yīng)激反應(yīng)和磷烯的邊緣誘導(dǎo)的細(xì)胞膜損傷效應(yīng)。其中，氧化應(yīng)激是由于磷烯和細(xì)胞膜之間的電荷轉(zhuǎn)移活動(dòng)所致，而細(xì)胞膜的損傷是由于磷烯的邊緣抽取細(xì)胞膜中的磷脂造成的。如前所述，二維材料具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換特性，這種特性使其也具有抗菌性能。例如，Hui等114利用GO和聚苯乙烯磺酸鈉制備了層層自組裝薄膜。在太陽光照射下，該薄膜可以在10 min內(nèi)殺死空氣中90%的細(xì)菌。Yin等115使用簡(jiǎn)單的水熱法制備了MoS2并對(duì)其進(jìn)行了生物相容性改性。動(dòng)物和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，MoS2可以催化H2O2的分解產(chǎn)生羥基自由基；經(jīng)近紅外光誘導(dǎo)，MoS2所產(chǎn)生的熱量可以促進(jìn)谷胱甘肽(GSH)的氧化，加速細(xì)菌的死亡，表明該納米材料對(duì)大腸桿菌和枯草桿菌均有良好的抗菌效果。Bang等116使用單鏈DNA(ssDNA)剝離塊狀WS2和WSe2分別制備了WS2-ssDNA和WSe2-ssDNA納米材料。相比于GO，WS2-ssDNA和WSe2-ssDNA納米材料對(duì)大腸桿菌均表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗菌活性，其中WSe2-ssDNA納米材料的抗菌性能更優(yōu)異。

表1 近年來一些典型的二維材料的光熱轉(zhuǎn)換性能在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用Table 1 Applications of photothermal conversion performance of some typical 2D materials in biomedicines.

4 結(jié)論

二維材料與生物大分子的結(jié)合為工程和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域帶來了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本文對(duì)近年來二維材料與生物大分子之間的相互作用的研究及其應(yīng)用進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)探討了二者之間的作用方式以及在工程和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。隨著越來越多關(guān)于二維材料與生物大分子的應(yīng)用被廣泛研究，其強(qiáng)有力的研究成果背后，仍然不得不面對(duì)一些非常嚴(yán)峻的問題，比如開發(fā)應(yīng)用成本和循環(huán)穩(wěn)定性等。除了石墨烯以外，當(dāng)前以化學(xué)氣相沉積或者機(jī)械剝離得到其它二維材料的產(chǎn)率仍然很低，限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。以二維材料為基礎(chǔ)的電子器件和傳感器的開發(fā)，雖然靈敏度可以滿足實(shí)際需求，但其重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和可靠性仍需要進(jìn)一步證實(shí)。此外，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，二維材料的生物安全性是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵問題，這是因?yàn)槎S材料進(jìn)入人體后，勢(shì)必會(huì)對(duì)生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能造成影響。盡管一些研究已經(jīng)證實(shí)通過對(duì)二維材料進(jìn)行改性來降低生物毒性，提高生物相容性，但是二維材料在人體體內(nèi)的排放和代謝問題仍然需要更多的動(dòng)物和臨床試驗(yàn)來證實(shí)。

基于二維材料與生物大分子之間的作用機(jī)理越來越明朗，本文認(rèn)為后續(xù)的研究方向包括：

1) 設(shè)計(jì)具有特定尺寸和親疏水性結(jié)構(gòu)的生物大分子作為剝離試劑來制備二維材料/生物大分子納米復(fù)合/雜化材料，減少操作步驟，降低開發(fā)成本。

2) 提高生物大分子在與二維材料結(jié)合時(shí)的分子活性，探索提高活性和降低生物毒性的方法，增強(qiáng)應(yīng)用穩(wěn)定性。

3) 擴(kuò)大應(yīng)用范圍，挖掘應(yīng)用潛力。充分發(fā)揮二維材料與生物大分子的各自優(yōu)勢(shì)，將更好地造福人類，創(chuàng)造美好未來。