納米金剛石在醫(yī)療和傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用

金剛石是一種由C元素組成的礦物，是石墨的同素異形體，化學(xué)式為C，也是鉆石的原身。通常將晶粒尺寸 lt;100nm 的金剛石定義為納米金剛石，其中尺寸在2～10nm 的金剛石定義為超納米金剛石[1-2]。納米金剛石不僅具有傳統(tǒng)塊狀金剛石良好的硬度和耐磨性，在納米尺度下，它還展現(xiàn)出了良好的生物相容性、特殊的光學(xué)特性、豐富的電學(xué)特性等[3-4]。納米金剛石的制備和應(yīng)用一直備受材料科學(xué)和工程領(lǐng)域關(guān)注，其微觀尺度下的卓越性能引起了科學(xué)家和工程師的廣泛興趣，更促使其成為研究的熱點之一。

近年來，隨著制備技術(shù)的不斷成熟，納米金剛石在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在醫(yī)療、傳感器、能源、材料研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。本研究中將系統(tǒng)地介紹納米金剛石的制備方法、結(jié)構(gòu)特性及其在醫(yī)療和傳感器領(lǐng)域最新的應(yīng)用進展，并對納米金剛石在推動科技創(chuàng)新和解決實際問題中的潛力進行展望。

1.1制備方法

在過去的幾十年里，研究人員通過不斷創(chuàng)新和改進，開發(fā)出了多種制備納米金剛石的方法，包括從常規(guī)金剛石材料中提取納米尺寸的金剛石顆粒，以及通過合成方法直接制備納米金剛石顆粒，如爆轟合成法、化學(xué)氣相沉積法、球磨法、高溫高壓合成法和激光燒蝕法等。表1列出了制備納米金剛石的方法、優(yōu)缺點和未來研究重點，圖1為不同方法制備得到的納米金剛石實物圖。

1納米金剛石的制備方法與特性

1.2特性

納米金剛石除了具有塊狀金剛石的優(yōu)異特性（如硬度高、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性高等）外，還具有一些塊狀金剛石不具備的特性，如生物相容性、電學(xué)特性、熒光特性等。

1.2.1 表面改性

納米金剛石顆粒的比表面積大，且表面有豐富的官能團，容易發(fā)生團聚。為了保證納米金剛石的性質(zhì)穩(wěn)定，通常需要將納米金剛石進行表面改性處理，使納米金剛石及其表面的官能團能保持穩(wěn)定并達到均勻分散的效果。目前，納米金剛石的表面改性已經(jīng)有了較成熟的方案，包括羧化、羥基化、氫化、鹵化、氨基化和石墨化等，如圖2所示。表面改性的實現(xiàn)主要通過

1—多個生長碳納米管圖像；2—激光退火后碳納米管中有納米金剛石形成；3—納米金剛石在單個碳納米管彎曲處形成 （e）激光燒蝕法[18] Laser-ablation method[18]

化學(xué)方法、光化學(xué)方法、電化學(xué)方法和離子注入法，其中化學(xué)方法最為常見且應(yīng)用廣泛[]。

1.2.2 電學(xué)與光學(xué)特性

未摻雜的塊狀金剛石材料是絕緣體，不具備導(dǎo)電性。然而，當金剛石顆粒的尺寸縮小到納米級時，它會展現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性。這種現(xiàn)象主要是由于納米金剛石晶界中存在導(dǎo)電的石墨相和無定形碳相。此外，納米金剛石具有極大的比表面積，表面易于吸附各種官能團，如羥基、羧基等，這也是其具有導(dǎo)電性的重要原因之一[20]。納米金剛石還具有優(yōu)異的場電子發(fā)射特性和電化學(xué)性能，如寬廣的電勢窗口、低背景電流、耐酸堿腐蝕、高穩(wěn)定性等特點，在場發(fā)射材料、陰極材料、探針材料以及生物探測器電極材料等領(lǐng)域展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價值。

納米金剛石（熒光納米金剛石）的熒光源于其內(nèi)部存在的光學(xué)缺陷（又稱色心），這些缺陷部位能夠促使電子在禁帶內(nèi)進行躍遷[21]。在躍遷過程中，色心吸收或發(fā)射光，它們可以吸收可見光能量并產(chǎn)生特定的顏色，如粉色、黃色、藍色等。金剛石中常見的色心包括硅空位（SiV）、氮空位（NV）、鎳空位和鉻相關(guān)色心等。圖3展示了一種通過調(diào)控納米金剛石中NV色心的熒光壽命來長期存儲信息的方法，并且這種方法可以顯著提高熒光信號的穩(wěn)定性[22]。這些特性賦予了納米金剛石在生物學(xué)等領(lǐng)域特殊的能力，如生物熒光標記與成像、實現(xiàn)納米尺度的物理量探測等。

1.2.3 生物相容性

良好的生物相容性是納米金剛石應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵特性。近年來，隨著生物醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，生物相容性的概念也發(fā)生了較大的變化，一般認為其應(yīng)該包括2大原則：一是生物相容性原則，二是生物功能性原則。因此，不僅要評價納米金剛石對生物體的毒副作用，還要進一步評價其對生物體功能的影響。

關(guān)于納米金剛石毒性的研究一直是科研人員研究的重點，如FRYER等[23]研究了不同尺寸的納米金剛石對細胞活力的影響，如圖4a所示。結(jié)果表明，尺寸為 90nm 的NV納米金剛石對間充質(zhì)干細胞的毒性作用很小，幾乎可以忽略不計，對細胞的生長有促進作用，且由于存在NV，其能有效跟蹤細胞的生長，而 40nm 的金剛石對細胞生長的促進作用則明顯差于 90nm 的金剛石。納米金剛石對生物體功能化的影響在近幾年的研究中也逐漸凸顯，如QUAN等[24]探究了不同濃度羧化納米金剛石（cNDs）對變異鏈球菌生長的影響，如圖4b所示。結(jié)果表明，cNDs對變異鏈球菌具有明顯的抑制和殺滅作用，說明cNDs可作為重要口腔致病菌、革蘭氏陽性變異鏈球菌的抗菌劑?；谝陨闲再|(zhì)，納米金剛石在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用將越來越廣泛。

2納米金剛石在醫(yī)療和傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用

納米金剛石因其獨特的性質(zhì)，在醫(yī)療和傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用正逐漸引起廣泛關(guān)注。這些應(yīng)用涵蓋生物標記與熒光成像、抗感染治療、組織工程與修復(fù)、藥物傳遞、癌癥治療、各類傳感器等。表2列出了納米金剛石在醫(yī)療和傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用及其優(yōu)勢。

2.1在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1.1生物標記與熒光成像

拉曼光譜分析是一種非破壞性、高靈敏的分析方法，可用于表征和確定納米金剛石的晶體結(jié)構(gòu)、晶格缺陷以及表面功能化程度。此外，拉曼光譜還可用于監(jiān)測納米金剛石在不同條件下的化學(xué)和物理性質(zhì)的變化，例如表面功能化、晶格應(yīng)變等，這些信息對于納米金剛石在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。LI等[25采用將西妥昔單抗與納米金剛石結(jié)合的方式，實現(xiàn)了針對性治療和三維拉曼成像。這種藥物傳遞系統(tǒng)具有優(yōu)越的靶向性，能夠提高治療效果，并且可結(jié)合三維拉曼成像技術(shù)，實現(xiàn)對治療效果的實時監(jiān)測。此外，他們還探討了納米金剛石作為拉曼探針在生物成像中的應(yīng)用，通過納米金剛石與表皮生長因子受體的特異性結(jié)合，實現(xiàn)了對細胞成像的特定靶向；通過觀察納米金剛石-表皮生長因子復(fù)合物與表皮生長因子受體的生物識別機制，揭示了它們之間的相互作用和細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的機制[2]。LAUBE等[27]利用定向高溫反應(yīng)和電子束輻照對納米金剛石進行處理，以實現(xiàn)其功能化和增強熒光性能，用于生物傳感和診斷；通過拉曼光譜分析，揭示了納米金剛石在處理后的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化。經(jīng)過處理的納米金剛石具有更明確的功能化和更強的熒光信號，可在生物傳感和診斷應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

納米金剛石在經(jīng)過表面修飾的處理后，可以用于標記特定類型的細胞、蛋白質(zhì)或分子，為研究生物體內(nèi)各種生物演化過程提供有力的監(jiān)測工具。SIMPSON等[28]利用納米金剛石作為探針，通過調(diào)控其表面特性實現(xiàn)對神經(jīng)元內(nèi)部溫度的準確測量。該方法使得探針不具有神經(jīng)毒性，且在測試過程中無須使用外部標記物即可直接對樣品進行成像，避免了對樣品的干擾和損傷。這一方法不僅具有非侵入性、高靈敏性等優(yōu)點，也為神經(jīng)科學(xué)研究提供了創(chuàng)新的工具。在此基礎(chǔ)上，IKLIPTIKAWATI等[2]運用層析成像技術(shù)成功實現(xiàn)了納米金剛石在活細胞內(nèi)的無標記成像（圖5a），并獲得高分辨率的三維圖像（圖5b），且無須使用任何外部標記物。這種非侵入性的方法為研究細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)和過程提供了另一種有效途徑。

納米金剛石因其高導(dǎo)電性和生物相容性，被廣泛應(yīng)用于熒光成像。通過表面修飾，納米金剛石被成功用于標記生物結(jié)構(gòu)或組織，為高分辨率、高對比度的成像提供了全新的視角，可廣泛應(yīng)用于疾病診斷和生物學(xué)研究。SELVAM等[3]開發(fā)的磁性納米金剛石，為磁性藥物靶向治療提供了基礎(chǔ);采用雙模成像方法，包括熒光成像和外部磁場下的磁性成像，為同時進行熒光成像和磁性藥物靶向釋放提供了全新的手段，提高了治療的精準性和效果。FARD等[3利用涂覆凝集素的熒光納米金剛石實現(xiàn)了對細胞表面糖類的靶向成像，這種特異性相互作用為細胞靶向熒光成像提供了新工具。在熒光成像方面，YANAGI等研究了全光鎖定成像技術(shù)。圖6a展現(xiàn)了全光鎖定成像的過程，此過程實現(xiàn)了對熒光納米金剛石的廣域選擇性成像，為不引入外部標記物的情況下觀察納米金剛石在不同環(huán)境中的行為提供了重要工具。在金剛石晶格中引入氮原子和NV缺陷的氮-空位納米金剛石引起了研究者的極大關(guān)注，這一創(chuàng)新性的研究方向在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出潛力，并通過促進成像技術(shù)的發(fā)展成為引領(lǐng)創(chuàng)新研究的重要對象。LAPORTE等]通過引人氮-空位-氮中心，利用受激輻射損耗（stimulated emission depletion，STED）成像技術(shù)，成功實現(xiàn)對草綠色熒光納米金剛石的高分辨率成像（圖6b），為納米尺度下的草綠色熒光成像提供了新的途徑。同時TERADA等34研究了含有NV中心的單分散納米金剛石，這些納米金剛石因其光學(xué)和自旋性質(zhì)而用于多功能的納米傳感器。通過電子輻照增加空位，然后采用沸騰酸處理制造出富含NV中心的單分散納米金剛石，為生物成像和納米傳感領(lǐng)域提供了一種新型的“光學(xué)自旋標簽”。

綜上可得，納米金剛石的熒光性質(zhì)使其成為優(yōu)異的標記物，且可通過調(diào)控其表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對熒光特性的精確控制，提高成像的敏感性和分辨率。這些性能使得納米金剛石在監(jiān)測細胞活動、研究蛋白質(zhì)相互作用等方面展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用潛力。

2.1.2 抗菌與抗感染治療

納米金剛石在抗菌和抗感染方面同樣展現(xiàn)出卓越的應(yīng)用潛力。得益于高比表面積和獨特的物理特性，納米金剛石對多種細菌和真菌表現(xiàn)出顯著的抗菌活性，其通過與細菌或真菌細胞膜的相互作用，從而達到破壞細胞結(jié)構(gòu)并有效抑制病原體生長的效果。WEHLING等[35發(fā)現(xiàn)納米金剛石可以引發(fā)細菌細胞壁和細胞膜的損傷，從而實現(xiàn)殺菌作用。這種作用機制可能與納來金剛石表面存在的氧化官能團有關(guān)，此發(fā)現(xiàn)為開發(fā)具有高效殺菌性能的抗菌劑奠定了基礎(chǔ)。另外，納米金剛石也可通過多種機制干擾細菌的代謝途徑，從而達到抗菌或抗感染的作用。ONG等發(fā)現(xiàn)存在這些干擾機制的原因是納米金剛石表面具有特殊的化學(xué)性質(zhì)、電荷效應(yīng)和機械性質(zhì)。目前，關(guān)于產(chǎn)生此干擾機制的原因仍有待研究。

在骨組織抑菌生長修復(fù)方面，CHEN等[3將萬古霉素與納米金剛石混合物涂敷在骨支架表面，解決了傳統(tǒng)抗菌藥物無法在骨支架上涂敷的難題，成功實現(xiàn)在支架表面釋放抗菌藥物，從而有效治療感染性骨缺損，為感染性骨病的治療提供了新的方法。金剛石膜方面，GUTIERREZ等[3對摻有納米金剛石的類金剛石碳（diamond-likecarbon，DLC）薄膜進行革蘭氏陰性大腸桿菌抗菌測試，結(jié)果表明：薄膜與細菌直接接觸6小時，抗菌率可達 95% 。該性能提升主要源于納米金剛石通過機械破壞細菌細胞壁導(dǎo)致細胞死亡的作用機制。此外，相較于普通DLC薄膜，復(fù)合薄膜展現(xiàn)出優(yōu)異的膜基結(jié)合性能，其臨界載荷值達到 19N 。在口腔治療上，F(xiàn)ANG等[3發(fā)現(xiàn)含氧納米金剛石（O-NDs）在抗齒細菌感染中表現(xiàn)出顯著的抑制效果，其催化產(chǎn)生的活性氧化物能夠有效抑制牙周病原菌的生長和繁殖（圖7a）。納米金剛石也被證實當其被用來制作納米涂層或負載顆粒時，能有效降低細菌感染的風(fēng)險。UZOMA等4%發(fā)現(xiàn)超疏水納米金剛石復(fù)合涂層表面具有顯著的抗菌性能，能夠有效抑制細菌的生長，如圖7b所示，含納米金剛石的培養(yǎng)皿內(nèi)菌落數(shù)量明顯少于空白培養(yǎng)皿。CHANG等[4以納米金剛石為Ag納米顆粒的載體制備出混合納米顆粒，解決了Ag納米顆粒結(jié)構(gòu)性差的問題，并結(jié)合2者優(yōu)異的抗菌性，從而使得混合納米顆粒表現(xiàn)出卓越的抗菌活性。

綜上可知，納米金剛石因其高度穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)和高比表面積成為殺滅細菌的理想載體，并通過多種機制發(fā)揮在抑制細菌和真菌上的作用，包括表面特性、物理破壞、氧化性等，有助于確保納米金剛石在醫(yī)療、環(huán)境保護等領(lǐng)域中安全可靠的應(yīng)用，為抗菌材料的創(chuàng)新開發(fā)提供指導(dǎo)。

2.1.3組織工程與修復(fù)

在組織工程中，納米金剛石憑借其優(yōu)異的機械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在生物組織工程與修復(fù)支架中開始發(fā)揮作用，尤其在骨組織工程與修復(fù)方面的成果顯著。

在新型生物納米復(fù)合材料上，RIBEIRO等[42]研究發(fā)現(xiàn)聚羥基與氨基功能化處理的納米金剛石混合制備出的復(fù)合材料在促進骨細胞黏附、增殖和骨基質(zhì)沉積方面表現(xiàn)出良好的功效，這對于骨組織缺陷修復(fù)至關(guān)重要，預(yù)示著該復(fù)合材料能夠在實際應(yīng)用中為骨組織缺陷修復(fù)提供新手段。圖8展示了從納米金剛石復(fù)合材料的制備到其用于骨組織修復(fù)的過程。與此同時，STIGLER等[43制備出了納米金剛石顆粒滲透 β 三磷酸鈣的骨替代材料，該材料具備高效且安全的特性，適用于生物組織修復(fù)，并在大尺寸骨缺損愈合中發(fā)揮作用。此外，納米金剛石還可通過負載生物活性分子（如生長因子或藥物）實現(xiàn)對細胞的精確控制和刺激，促進組織再生。CHOI等[4將納米金剛石進行淫羊藿素功能化處理，賦予納米金剛石更多生物活性，并發(fā)現(xiàn)其在促進骨細胞增殖和骨基質(zhì)沉積方面表現(xiàn)出極大的潛力。

在利用支架修復(fù)骨組織方面，SHUAI等[45]對納米金剛石進行表面改性，將其與左旋乳酸支架進行混合，增強了復(fù)合支架整體的力學(xué)性能。WANG等研究出一種生物可降解的Ag負載聚陽離子修飾的納米金剛石/聚氨酯支架，該支架在軟骨組織修復(fù)中展現(xiàn)出卓越的抗菌和力學(xué)性能，為軟骨組織修復(fù)提供新方法和新思路。SHUAI等4研究出以納米金剛石為強化劑的聚偏氟乙烯/生物玻璃支架，用于骨組織工程。該研究結(jié)合聚偏氟乙烯和生物玻璃，通過引入納米金剛石以提高其力學(xué)性能，從而制備出一種優(yōu)越的骨組織工程支架。

綜上可知，納米金剛石在骨修復(fù)領(lǐng)域也展現(xiàn)出引人注自的潛力。納米金剛石獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)賦予其卓越的骨生物學(xué)特性，還可通過攜帶生長因子或藥物，精準釋放以促進骨組織再生。另外，在生物3D打印中，納米金剛石可以與其他生物材料結(jié)合，制備出具有優(yōu)異生物相容性和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的個性化骨修復(fù)植人物，這些都為改善骨修復(fù)技術(shù)和治療提供了新的可能[48-49]。

2.1.4 癌癥治療

納米金剛石在癌癥治療領(lǐng)域的應(yīng)用也備受矚目。研究發(fā)現(xiàn)，通過將治療性藥物負載在納米金剛石上，可以實現(xiàn)對癌細胞的精準靶向治療，減少對周圍正常組織的損害。GU等[5選擇使用納米金剛石作為載體，實現(xiàn)了治療肽對肝癌細胞內(nèi)特異性的精準傳遞，提高了治療肽在細胞內(nèi)的富集度，增強了治療效果。XU等[5]基于納米金剛石的藥物傳遞平臺，研究了用于增強肝癌細胞siRNA傳遞能力的平臺，這種平臺具有穿透性強、siRNA的傳遞效果好等優(yōu)點。

微流控芯片的發(fā)展為模擬癌癥微環(huán)境提供了更多的方法，也進一步推動了納米金剛石在癌癥治療領(lǐng)域的研究。GUO等[在納米金剛石-腫瘤/內(nèi)皮細胞共培養(yǎng)微流控系統(tǒng)（圖9a）中，發(fā)現(xiàn)含有納米金剛石芯片上的腫瘤體積明顯小于空白對照組，因此可以證明納米金剛石對內(nèi)皮細胞的增殖和遷移具有抑制作用。此研究有助于深入了解納米金剛石在腫瘤微環(huán)境中的生物學(xué)效應(yīng)，為其在癌癥研究和治療中的應(yīng)用提供新的依據(jù)。

在納米金剛石表面共軛功能性材料，也為癌癥治療提供了新的治療手段。NISHIKAWA等5通過多步有機轉(zhuǎn)化，在納米金剛石表面共軛苯硼酸基團以增強其在癌細胞中的富集，從而制備出硼中子俘獲治療的抗癌納米藥物。這種納米藥物在硼中子俘獲治療中具有潛在的應(yīng)用價值。YOSHINO等[54]研究了一種新型納米金剛石，其表面經(jīng)過聚甘油功能化并與青霉素染料共軛，在體內(nèi)呈現(xiàn)出的選擇性腫瘤積聚，為近紅外熒光腫瘤成像提供了潛在的解決方案。

納米金剛石還可通過改善細胞與周圍環(huán)境的黏附性，在預(yù)防腫瘤擴散和控制癌癥蔓延方面發(fā)揮作用。GUO等[55]發(fā)現(xiàn)納米金剛石能夠提高細胞與基質(zhì)之間的黏附力，從圖9b的染色圖中可以明顯觀察到納米金剛石能有效阻止癌細胞的游移和擴散，從而抑制癌細胞遷移并降低癌癥的侵襲性和轉(zhuǎn)移性。在固體腫瘤治療方面，CUI等[5發(fā)現(xiàn)納米金剛石能發(fā)揮出自噬抑制的作用，其通過提高腫瘤細胞對砷化物的敏感性來增強治療效果，提高治愈率。

在抗癌治療中另一個核心概念是細胞毒性，各種治療方法除致力于實現(xiàn)對癌細胞的有選擇性殺傷外，還應(yīng)減少對正常組織的損害。在乳腺和卵巢癌細胞系中，ACUNA-AGUILAR等[發(fā)現(xiàn)二甲雙胍功能化的納米金剛石能夠顯著增強對癌細胞的細胞毒性。這種聯(lián)合策略在癌癥治療中具有潛在的療效，并為多學(xué)科聯(lián)合治療提供了新的思路。NAZARKOVSKY等[研究了納米金剛石-納米 Si/TiO₂ 混合懸浮液，并對其在癌細胞系內(nèi)的細胞毒性進行測試，發(fā)現(xiàn)這種混合懸浮液在細胞毒性方面展現(xiàn)潛在的抗癌活性，為開發(fā)新型抗癌納米材料提供了有益的參考。

綜上可知，納米金剛石能夠提供各種各樣的化學(xué)基團，供多種癌癥診斷與治療藥物以共價鍵或非共價鍵的方式結(jié)合。通過設(shè)計和開發(fā)具有多功能化學(xué)基團的納米金剛石，可以實現(xiàn)腫瘤的同步成像與治療。此外，納米金剛石能吸附藥物并幫助其穿過細胞膜，進入癌癥細胞的內(nèi)部，從而提高藥物的靶向性和治療效果。納米金剛石在癌癥治療領(lǐng)域中的應(yīng)用，有望為患者提供更有效、副作用更小的治療手段，但其具體應(yīng)用和治療效果還需要更多的臨床試驗和研究來驗證和優(yōu)化。

2.2在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用

2.2.1 生物傳感器

納米金剛石具有的生物相容性和生物惰性，使其成為生物傳感器的理想材料。同時，納米金剛石的高比表面積和化學(xué)穩(wěn)定性賦予其出色的生物分子吸附能力，有助于實現(xiàn)生物傳感器對生物分子的檢測。在最新的研究報道中，WEI等5發(fā)現(xiàn)納米金剛石具有高度靈敏的物理和化學(xué)性質(zhì)，有助于提高生物傳感器的檢測性能。XU等[利用基于人工智能技術(shù)的納米金剛石生物傳感器，實現(xiàn)了對氧化磷酸化抑制劑敏感性的自動預(yù)測，該技術(shù)不僅能夠?qū)崟r監(jiān)測抑制劑的影響，還能在短時間內(nèi)預(yù)測細胞對藥物的反應(yīng)，為藥物研發(fā)和個體化治療提供有力支持。MILLER等[基于自旋增強的納米金剛石生物傳感技術(shù)，利用熒光納米金剛石實現(xiàn)了超靈敏的診斷（圖10）。這為實現(xiàn)更加精細、迅速的生物分子檢測奠定了基礎(chǔ)，在癌癥早期診斷、感染性疾病迅速篩查等領(lǐng)域具有重要意義。

在探索復(fù)合納米材料構(gòu)建生物傳感器時的潛在用途上，KACAR等[]發(fā)明了基于聚（L-天冬氨酸）、納米金剛石顆粒、碳納米纖維和抗壞血酸氧化酶修飾的玻碳電極安培計生物傳感器，其中抗壞血酸氧化酶的引人和復(fù)合材料的優(yōu)化能夠提高生物傳感器的靈敏度和選擇性，使其在測定L-抗壞血酸時表現(xiàn)出較高的性能。VILLALBA等基于經(jīng)葡萄糖氧化酶功能化處理的納米金剛石薄膜制備出一種電化學(xué)生物傳感器，利用納米金剛石和生物催化的協(xié)同效應(yīng)實現(xiàn)對葡萄糖的高效檢測。SANTOS等研究了金剛石-石墨納米片的物理結(jié)構(gòu)和電化學(xué)響應(yīng)特性，提出了直接利用化學(xué)氣相沉積法制備出無標簽生物傳感器的方法，這種無標簽傳感器具有高靈敏度和選擇性。

利用納米金剛石的熒光特性來制造生物傳感器也是現(xiàn)階段的研究熱點。LAAN等[通過熒光信號評估老化酵母細胞對生物傳感器的氧化應(yīng)激響應(yīng)。ZHANG等[提出了一種將氧化金剛石溶液柵場效應(yīng)晶體管作為高效葡萄糖生物傳感器，利用熒光標記的納米金剛石材料來實現(xiàn)生物分子檢測的技術(shù)。

以上納米金剛石的應(yīng)用都為研發(fā)更精確和更高效的生物傳感器提供了新的思路，并有望應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

2.2.2電化學(xué)和氣體傳感器

在化學(xué)傳感器中，納米金剛石的高比表面積能提供更多的反應(yīng)位點，增強感應(yīng)器對目標分子的捕捉和檢測能力，從而提升傳感器的靈敏度和選擇能力。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)納米金剛石存在一定的導(dǎo)電性，該特性使其在電化學(xué)傳感器領(lǐng)域的潛力逐漸凸顯。在前期研究中，JIANG等發(fā)現(xiàn)加入納米金剛石的電化學(xué)傳感器有更高的靈敏度和更低的檢測限。FARRAHI等[]在此基礎(chǔ)上制備出一次性電化學(xué)傳感器，該傳感器以多孔金微芯片為基礎(chǔ)，通過將 β -環(huán)糊精修飾的金納米顆粒和納米金剛石組裝在傳感器上，可實現(xiàn)對雙酚A的檢測。SANTOS等利用石墨烯和納米金剛石修飾的碳膏電極（圖11a）實現(xiàn)了對生物和環(huán)境樣品中尼美舒利德的高效檢測，為生物和環(huán)境監(jiān)測提供了一種可靠的分析工具。

復(fù)合納米金剛石材料在電化學(xué)傳感器中也展現(xiàn)出卓越的性能。BOUALI等采用納米金剛石、銅鋁酸尖晶石氧化物和氧化鐵復(fù)合材料作為改性材料，用于檢測托法替尼藥物，并在實驗中采用綜合的方法，將實驗數(shù)據(jù)、密度泛函理論和分子對接技術(shù)相統(tǒng)一，以深人理解電化學(xué)傳感器的性能和工作機制。KAEWJUA等[7]采用逐層組裝的方法（圖11b），將L-脯氨酸連接的納米金剛石層層疊加在印刷石墨烯上，用于同時測定L-多巴胺和L-酪氨酸。此電化學(xué)平臺可同時測定2種神經(jīng)遞質(zhì)，為神經(jīng)遞質(zhì)的高效監(jiān)測提供了新的工具。KHOLAFAZADEHASTAMAL等[]采用一種碳基電化學(xué)傳感器，利用 Ti₃AlC₂ MAX相和活性納米金剛石制備出高靈敏度的電化學(xué)傳感器。

納米金剛石在氣體傳感器上也有一定的應(yīng)用。MONCEA等[3利用以金剛石樣納米結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)制備出的 sp³ 碳材料作為氣體傳感器的原料，這些納米結(jié)構(gòu)對氣體的響應(yīng)表現(xiàn)出高度敏感性和選擇性，在檢測特定氣體成分方面具有巨大潛力。

綜上可知，納米金剛石在電化學(xué)和氣體傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，有利于解決傳統(tǒng)傳感器靈敏度低、選擇性差的問題，為未來傳感器的發(fā)展方向提供了一種新的選擇。

2.2.3 壓力傳感器

納米金剛石的高硬度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性使其在高壓環(huán)境下具有出色的表現(xiàn)，成為理想的壓力傳感器材料。目前主流的壓力傳感器工作原理主要基于法布里-珀羅干涉原理，即利用2個平行的反射表面之間的光程差來測量外部的壓力變化，這在一些特定應(yīng)用場景中有獨特的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工程領(lǐng)域。PETTINATO等[74]使用多晶金剛石薄膜構(gòu)建了法布里一珀羅型壓力傳感器，多晶金剛石薄膜作為傳感器的關(guān)鍵組成部分，具有優(yōu)異的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，能在極端條件下保持穩(wěn)定并提高耐用性。GHILDIYAL等[75]基于法布里-珀羅干涉原理，采用金剛石車削技術(shù)并通過微機械金屬膜的變形實現(xiàn)對壓力的測量，在測量過程中，金剛石的硬度保證了傳感器的高度精準性和穩(wěn)定性。

SALVATORI等[研究出一種在硅基底上制備薄型金剛石膜的技術(shù)（圖12），該技術(shù)能確保金剛石膜的均勻性，制備的金剛石膜可用于制造穩(wěn)定、可靠的壓力傳感器。FU等[利用單晶金剛石懸臂梁制備電容式壓力傳感器，采用此主體的單晶金剛石具有出色的機械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，使其成為制作高性能傳感器的理想材料。EREMETS等[提出一種通用的金剛石邊緣拉曼標尺，可在極高壓力條件下實現(xiàn)微小壓力變化的精確測量，滿足傳感器在極端條件下的使用條件。XU等[成功開發(fā)基于光纖光柵的壓力傳感器，該傳感器利用光柵結(jié)構(gòu)，通過監(jiān)測光纖中納米金剛石的光譜變化來感知壓力的變化。

綜上可知，納米金剛石壓力傳感器的未來前景廣闊，其高靈敏度、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性將推動先進制造、醫(yī)療技術(shù)和航空領(lǐng)域的發(fā)展。隨著納米技術(shù)和材料科學(xué)的不斷進步，這類傳感器有望實現(xiàn)更小型化、更高精度和更廣泛的應(yīng)用，將成為未來智能系統(tǒng)、健康監(jiān)測和工業(yè)自動化的重要組成部分。

3結(jié)語與展望

近年來，納米金剛石因其優(yōu)異的生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性和熒光特性而在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，尤其是在醫(yī)療和傳感器領(lǐng)域。綜述了納米金剛石的制備方法、性質(zhì)及其在醫(yī)療和傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，分析可知，盡管納米金剛石的制備與應(yīng)用的研究有很多，但仍然處于起步階段。若想進一步促使納米金剛石在各個領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，本文認為仍需解決以下幾點問題：

（1）納米金剛石制備過程中的純度、產(chǎn)量和尺寸一致性不高。若能解決納米金剛石的制備問題，并提高產(chǎn)量和質(zhì)量，納米金剛石就可以大面積應(yīng)用于研究及生產(chǎn)中，充分發(fā)揮其經(jīng)濟效益和社會效益，從而進一步推動對納米金剛石的研究。

（2）如何在熒光成像中實現(xiàn)熒光納米金剛石的高效可控發(fā)光。熒光納米金剛石的發(fā)光現(xiàn)象主要是由于金剛石內(nèi)部存在缺陷，即色心。若能實現(xiàn)對納米金剛石色心產(chǎn)生的發(fā)光特性進行調(diào)控，如發(fā)光顏色、亮度等，就可應(yīng)用于對光較為敏感的細胞進行生物標記，如視細胞等。

（3）納米金剛石在體內(nèi)的代謝途徑仍不明確。盡管納米金剛石通常被認為對生物體具有較好的生物相容性，但其在體內(nèi)的代謝途徑和對生物體的影響是否受到其表面涂層、粒徑大小、形狀等因素的干擾仍然無明確定論。

（4）生物傳感器在設(shè)計策略上被認為可以很容易地識別目標物，但其表面功能化工藝復(fù)雜，需精確調(diào)控官能團密度以兼顧生物相容性與檢測靈敏度；另外將納米金剛石傳感器與現(xiàn)有微流控或電子設(shè)備集成，也需解決界面兼容性和信號傳輸效率問題。

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作者簡介

通信作者：王成勇，男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：難加工材料的高速高效精密超精密加工理論及工藝、刀具與裝備技術(shù)。近年來的研究主要涉及模具與汽車零部件高速加工理論及CAD/CAM、高速加工涂層刀具制備；印制電路板機械加工理論、工藝、刀具與裝備；生物組織切除理論與醫(yī)療器械設(shè)計和制造；超硬材料及其工具制造和應(yīng)用技術(shù)等領(lǐng)域。E-mail： cywang@gdut.edu.cn

（編輯：張貝貝）

Applications of nanodiamonds in medical and sensor fields

JIANG Lin1.2.3，，WANG Chengyong1，23， ZHANG Yue123， GUO Ziying1.2.3

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou510006，China） （2. State Key Laboratory for High performance Tools， Guangzhou 51ooo6， China） （3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Minimally Invasive Surgical Instruments and Manufacturing Technology，Guangzhou 510006，China）

AbstractSignificance： This study systematicaly reviews the applications of nanodiamonds in the medicaland sensor industries，along withtheir fabricationtechniquesand inherent properties.Nanodiamonds，characterizedbytheirunique physicochemical atributes，suchas high hardness，favorable biocompatibility，opticalcharacteristics，and electrical properties，are posited toholdsubstantial promisefordiverse applications in thesedomains.Progres：Thearticle delineates a variety of synthesis methods for nanodiamonds，encompasing detonation synthesis，chemical vapor deposition， ball milling，high-temperature high-presure synthesis，andlaser ablation.Italso presents ananalyticalreviewof the advantagesand disadvantages inherent to each technique. Furthermore，the study addresses advancements in nanodiamond surface modification，biocompatibility，and electrical and optical properties. It concludes with a comprehensive summary of nanodiamond applications in the medical and sensor fields，highlighting their utilization in biological labelingand imaging，ant-fectivetherapy，tisseengineeringandrepair，cancertreatment，biosensors，lectromical and gas sensors，and pressure sensors，among others.Conclusions and Prospects：The article acknowledges thebroad application prospects of nanodiamonds in the medicaland sensor sectors，while also highlighting existing research gaps， such astheneed for improved purity，yield，and sizeuniformityduring synthesis，challenges inachieving eficientand controllable fluorescence for imaging，and an incomplete understandingof nanodiamonds'metabolic pathways and biologicalimpact within livingorganisms.Thearticle also speculatesonpotential future directions fornanodiamondresearch，includingenhancing synthesisquality，achievingprecisecontrolover fluorescence properties，elucidating their metabolic pathways and biological efects，and developing more eficient and sensitive biosensors.This review article offers a comprehensive research perspective on the applications of nanodiamonds in the medical and sensor fields，and presents constructive suggestions for future research directions.

Key wordsnanodiamonds;performance;medical treatment; sensor