关于石墨烯的总结_石墨烯前景总结

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一．石墨烯常用修饰方法总结

石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，是世界上最薄的二维材料，其厚度仅为 0.35 nm。这种特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象，使石墨烯表现出许多优异性质。

结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体，化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其他介质(如溶剂等)的相互作用较弱，并且石墨烯片与片之间有较强的范德华力，容易产生聚集，使其难溶于水及常用的有机溶剂，这给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难。为了充分发挥其优良性质，并改善其成型加工性(如提高溶解性、在基体中的分散性等)，必须对石墨烯进行有效的功能化。通过引入特定的官能团，还可以赋予石墨烯新的性质，进一步拓展其应用领域。功能化是实现石墨烯分散、溶解和成型加工的最重要手段。

从功能化的方法来看。主要分为共价键功能化和非共价键功能化两种。

1.石墨烯的共价功能化

石墨烯的共价键功能化是目前研究最为广泛的功能化方法。尽管石墨

烯的主体部分由稳定的六元环构成，但其边沿及缺陷部位具有较高的反应活性，可以通过化学氧化的方法制备石墨烯氧化物(Grapheneoxide)。由于石墨烯氧化物中含有大量的羧基、羟基和环氧键等活性基团，可以利用多种化学反应对石墨烯进行共价键功能化。

１.1 石墨烯的聚合物功能化

(１)聚乙二醇（PEG）具有优异的生物相容性和亲水性，被广泛应用于多种不同的功能化纳米材料，以提高这些材料的生物相容性，减小其对生物分子及细胞的非特定的约束力，也改善了体内的药物代谢动力学，以实现更好的肿瘤靶向性治疗[1,2,3-5]。2008年，Dai 等使用六臂星型氨基聚乙二醇的端氨基与纳米石墨烯片边缘的羧基通过亚胺催化酰胺形成反应，制备 PEG 修饰纳米石墨烯片，得到的产物在用于体外给药和生物成像的生理溶液中显示了优良的分散性和稳定性[2]。

（2）除了PEG外，还有其他的被用来共价功能化GO的亲水大分子。刘庄工作组，将氨基修饰的DEX与GO通过共价键键合，得到了具有生物相容性的材料，这种材料大大提高了GO生理溶解性的稳定性[6]。Bao et al.用壳聚糖修饰GO,得到共价功能化的GO，这种材料被用于药物传递和基因转染[7]。除了GO上羧基（-COOH）的化学反应外，还有其基地平面上的环氧基团也被用于与其他聚合物的结合。比如，Niu及其工作人员报道称氨基化的PLL功能化的GO就是利用GO上的环氧基团的活性反应。

1.2 石墨烯的小分子功能化

2006 年, Stankovich 等利用有机小分子实现了石墨烯的共价键功能化[8]，他们首先制备了氧化石墨,然后利用异氰酸酯与氧化石墨上的羧基和羟基反应，制备了一系列异氰酸酯功能化的石墨烯。该功能化石墨烯可以在 N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等多种极性非质子溶剂中实现均匀分散，并能够长时间保持稳定。该方法过程简单，条件温和(室温)，功能化程度高，为石墨烯的进一步加工和应用提供了新的思路。

石墨烯氧化物及其功能化衍生物具有较好的溶解性，但由于含氧官能团的引入，破坏了石墨烯的大π共轭结构，使其导电性及其他性能显著降低。为了在功能化的同时尽量保持石墨烯的本征性质，Samulski 等发展了一种新的功能化方法。他们以石墨烯氧化物为原料，首先采用硼氢化钠还

原，然后磺化, 最后再用肼还原的方法, 得到了磺酸基功能化的石墨烯[9]。该方法通过还原除去了石墨烯氧化物中的多数含氧官能团，很大程度上恢复了石墨烯的共轭结构，其导电性显著提高(1250 S/m)，并且，由于在石墨烯表面引入磺酸基，使其可溶于水，便于进一步的研究及应用。2.石墨烯的非共价功能化

石墨烯的非共价功能化包含有π-π堆垛相互作用，疏水作用，静电作用等非共价键作用，使修饰分子对石墨烯进行表面功能化，形成稳定的分散体系。

2.1 石墨烯的疏水非共价功能化

(1)

Hu

et

al.[10]

利

用

PF127(Pluronic F127)功能化修饰石墨烯，得到了graphene-PF127纳米材料，这种材料有亲水链使其具有水溶性，也有与石墨烯通过疏水作用相连的疏水部分。

（2）Liu et al.利用C18PMH-PEG功能化RGO[11-12]，这种RGO-PEG有很好的生理稳定性，而且在光热治疗癌症中，这种材料在血液循环中的半衰期有所增长。

（3）Huang et al.发现GO在牛胎的血清蛋白中经过超声处理，可以得到GO-Protein复合物，它有极低的细胞毒性[13]。这种非极性氨基酸中的血清蛋白可以通过疏水作用非共价修饰石墨烯。Liu et al.用明胶通过类似的方法功能化GO[14]。

以上都为疏水作用的非共价修饰功能化石墨烯，石墨烯为富电子体，因此可以通过静电作用对石墨烯进行非共价修饰。

2.2 石墨烯的静电作用非共价功能化

（1）Liu et al.利用带正电荷的，被广泛用于基因转染的聚合物PEI非共价修饰GO，得到了GO-PEI，这种材料的生理稳定性比GO的生理稳定性好，减小了PEI的毒性，并且具有很高的基因转染率[15]。

（2）Misra et al.用带正电的叶酸结合壳聚糖，然后再包裹药物DOX，最后再加载在GO上，得到了DOX-GO-Chitosan-folate这种具有pH敏感释放药物特点的纳米载药体。2.3 石墨烯的π-π堆垛相互作用非共价功能化

表面很多π电子效应区的石墨烯和氧化石墨烯都可以与多种芳香族分子通过π-π堆垛相互作用结合在一起。Liu et al.利用单链DNA与石墨烯之间的π-π键合力证实了，在化学还原GO时引入DNA可以得到DAN修饰的RGO，这种材料具有很好的水溶性[16]。纳米石墨烯上的纳米粒子修饰

许多无机纳米结构材料，例如，金属及金属氧化物纳米材料包括Au，Ag，Pd，Pt，Ni和Cu，TiO2，ZnO，MnO2，Co3O4和 Fe3O4都已经用于石墨烯即其衍生物的修饰，并且修饰的材料用于不同的领域[17-22]。

（1）由于这种材料具有光学活性和磁性，GO-iron氧化纳米材料（GO-IONP）吸引了生物医学界的注意力。2008年，Chen等研制出GO-IONP纳米复合材料，这种材料可被用作控制药物传递及释放的药物载体[23,24]。Zhang等报道称GO-IONP可用作细胞标记和磁共振成像造影剂

[25]。

（2）Liu et al.研制的GO-IONP包含有部分用氨基化的PEG共价修饰和用两性分子C18PMH-PEG非共价修饰还原的GO，这种材料用于体外药物的靶向传递，也用于体内多种成像导向光热治疗[26-27]。

比有磁性的GO复合物优越的多种其他纳米微粒修饰的GO纳米复合材料已显现出生物医学的运用潜力。

（3）Chen et al.研制出量子点还原修饰的GO纳米复合材料（RGO-QD），用于荧光细胞成像和光热治疗。有趣的是，RGO与QD间的距离合适时，RGO-QDs的荧光猝灭会减小[28]。金纳米簇修饰的RGO的纳米复合材料也被报道并用于药物传递和癌细胞成像，而且TiO2修饰的GO也已经合成并用于光动力疗法杀死癌细胞[29]。二．功能化石墨烯在药物传递领域的应用总结

在过去十年，纳米材料在药物传递系统已被广泛用于癌症治疗，旨在提高治疗效果，减小毒副作用。自2008年起，许多工作团队包括Liu 的工作团队开始探究石墨烯在药物传递系统中的应用。单层的GO或者RGO有极多高效载药的表面区域，石墨烯的这种π电子效应能够使各种芳香药物分子通过π-π堆垛作用与石墨烯键合。用靶向配合体功能化修饰GO或者RGO，使针对癌细胞的特定类型的选择性给药得以实现。

不同表面功能化的GO已被用作负载各种化学治疗药物，这些药物包括DOX,CPT,SN38,ellagic acid,β-lapachone

和1,3-bis(2-chloroethyl)-1-nitrosourea(BCNU)，它们与GO通过物理吸收或者共价修饰键合。

（1）由于石墨烯具有单原子层结构, 其比表面积很大, 非常适合用作药物载体。2008年，Dai 等首先制备

了具有生物相容性的聚乙二醇功能化的石墨烯, 使石墨烯具有很好的水溶性, 并且能够在血浆等生理环境下保持稳定分散;然后利用 π-π 相互作用首次成功地将抗肿瘤药物喜树碱衍生物(SN38)负载到石墨烯上，得到nGO-PEG-SN38表现出杀死癌细胞的能力比水溶性前药CPT11强很多。石墨烯的很好的载药能力已被其他工作组在他们各自的领域证实了，为了能够靶向传递药物到特定类型的细胞，Dai等在另一个相关的工作中，将nGO-PEG与anti-CD20抗体结合，然后再与能够选择性杀死B淋巴细胞的药物DOX结合，这样就实现了药物在体内的靶向输送。叶酸也被其他的工作组作为另一种靶向传递药物的靶向配合体。

（2）Zhang等发现磺酸修饰GO后再与叶酸结合，可特别地靶向作用于叶酸受体细胞。有趣的是，两种药物分子DOX和CPT一起负载在GO上，实现了在剂量依赖下协同杀死癌细胞的作用[30]。

（3）Shi等阐明PEG修饰的GO将妨碍药物从NGO-PEG中释放，他们将PEG与GO通过二硫键键合，由于二硫键在还原性的环境中容易断裂，用这种材料负载药物DOX，会使DOX在药物传递系统中的释放有很大的提高，在体外的治疗效果也会提高[31]。

（4）2009年，Yang等将GO-IONP纳米复合材料作为DOX药物载体，此药物为pH敏感型控制释放[23]，后来这个工作组利用GO-IONP具有磁性的优势将其作为双重靶向传递系统，并将其与叶酸结合[24]。

（5）Liu等将GO-IONP用在光热疗法中，再用PEG功能化GO-IONP，得到GO-IONP-PEG，使其生理稳定性提高且具有生物相容性。并且由其体外细胞实验证实，这种材料用于磁共振靶向药物传递和光热治疗癌症。参考文献

[1] K.Yang, S.Zhang, G.Zhang, X.Sun, S.-T.Lee and Z.Liu,Nano Lett., 2010, 10, 3318.[2]Z.Liu, J.T.Robinson, X.M.Sun and H.J.Dai, J.Am.Chem.Soc., 2008, 130, 10876.[3]X.Sun, Z.Liu, K.Welsher, J.T.Robinson, A.Goodwin,S.Zaric and H.Dai, Nano Res., 2008, 1, 203.[4]Z.Liu, S.Tabakman, K.Welsher and H.Dai, Nano Res.,2009, 2, 85.[5] Z.Liu, W.B.Cai, L.N.He, N.Nakayama, K.Chen,X.M.Sun, X.Y.Chen and H.J.Dai,Nat.Nanotechnol.,2007, 2, 47.[6] S.A.Zhang, K.Yang, L.Z.Feng and Z.Liu, Carbon, 2011,49, 4040.[7] H.Bao, Y.Pan, Y.Ping, N.G.Sahoo, T.Wu, L.Li, J.Li andL.H.Gan, Small, 2011, 7, 1569.[8]Stankovich S, Piner R D, Nguyen S T, Ruoff R S.Synthesis and exfoliation of isocyanate-treated

graphene

oxide

nanoplatelets.Carbon,2006, 44: 3342—3347.[9]Si Y C, Samulski E T.Synthesis of water soluble graphene.Nano Lett, 2008, 8: 1679—1682.[10] H.Hu, J.Yu, Y.Li, J.Zhao and H.Dong, J.Biomed.Mater.Res., Part A, 2011, 100A, 141.[11] K.Yang, J.Wan, S.Zhang, B.Tian, Y.Zhang and Z.Liu,Biomaterials, 2012, 33, 2206.[12]K.Yang, L.Hu, X.Ma, S.Ye, L.Cheng, X.Shi, C.Li, Y.Liand Z.Liu, Adv.Mater., 2012, 24, 1868.[13]W.Hu, C.Peng, M.Lv, X.Li, Y.Zhang, N.Chen, C.Fan andQ.Huang, ACS Nano, 2011, 5, 3693.[14]K.Liu, J.-J.Zhang, F.-F.Cheng, T.-T.Zheng, C.Wang andJ.-J.Zhu, J.Mater.Chem., 2011, 21, 12034.[15] L.Feng, S.Zhang and Z.Liu, Nanoscale, 2011, 3, 1252.[16]J.Liu, Y.Li, Y.Li, J.Li and Z.Deng, J.Mater.Chem., 2010, 20, 10944.[17]J.Shen, M.Shi, N.Li, B.Yan, H.Ma, Y.Hu and M.Ye, NanoRes., 2010, 3, 339.[18] X.Huang, Z.Yin, S.Wu, X.Qi, Q.He, Q.Zhang, Q.Yan,F.Boey and H.Zhang, Small, 2011, 7, 1876.[19] J.Ma, J.Zhang, Z.Xiong, Y.Yong and X.S.Zhao, J.Mater.Chem., 2011, 21, 3350.[20]X.Huang, X.Qi, F.Boey and H.Zhang, Chem.Soc.Rev.,2011, 41, 666.[21]Y.Liang, H.Wang, H.S.Casalongue, Z.Chen and H.Dai,Nano Res., 2010, 3, 701.[22]H.Sun, L.Cao and L.Lu, Nano Res., 2011, 4, 550.[23]X.Yang, X.Zhang, Y.Ma, Y.Huang, Y.Wang and Y.Chen,J.Mater.Chem., 2009, 19, 2710.[24]X.Yang, Y.Wang, X.Huang, Y.Ma, Y.Huang,R.Yang, H.Duan and Y.Chen, J.Mater.Chem., 2011,21, 3448.[25]W.Chen, P.Yi, Y.Zhang, L.Zhang, Z.Deng and Z.Zhang,ACS Appl.Mater.Interfaces, 2011, 3, 4085.[26]K.Yang, L.Hu, X.Ma, S.Ye, L.Cheng, X.Shi, C.Li, Y.Liand Z.Liu,Adv.Mater., 2012, 24, 1868.[27]X.Ma, H.Tao, K.Yang, L.Feng, L.Cheng, X.Shi, Y.Li,L.Guo and Z.Liu, Nano Res., 2012, 5, 199.[28]S.-H.Hu, Y.-W.Chen, W.-T.Hung, I.W.Chen andS.-Y.Chen, Adv.Mater., 2012, 24, 1748.[29]Z.Hu, Y.Huang, S.Sun, W.Guan, Y.Yao, P.Tang andC.Li, Carbon, 2012, 50, 994.[30]L.Zhang, J.Xia, Q.Zhao, L.Liu and Z.Zhang, Small, 2010,6, 537.[31] H.Wen, C.Dong, H.Dong, A.Shen, W.Xia, X.Cai, Y.Song,X.Li, Y.Li and D.Shi, Small, 2012, 8, 760.