郑州大学张伟&安徽工程大学李诗：石墨烯基二维纳米材料—从扩展策略、界面机制到生物医药应用

研究背景

近年来，纳米材料因其独特的尺寸效应、异质结构、手性结构、量子隧穿效应、卓越的热力学机制与电导率以及其他特性，在相关研究领域备受瞩目。然而，基于石墨烯二维材料的可扩展制备与微纳结构调控仍面临重大挑战。该文章系统梳理了石墨烯基二维材料的研究现状，重点关注其与生命系统的交互作用，并从材料设计、功能化改性到安全性评估等角度提出了展望。

成果介绍

郑州大学张伟教授&安徽工程大学李诗等人系统介绍了几种典型的多孔纳米材料制备策略，如机械剥离、化学气相沉积、氧化还原、液相剥离、电化学剥离及碳化硅外延生长法等，同时概述了对人体的潜在风险和界面作用机制。该工作对当前领域所面临的挑战给出了看法，并对未来的研究方向提出了展望，最终目标是实现精准合成并大规模制备低成本石墨烯基二维材料，以满足生物医药领域中个性化、规模化及功能化应用的需求。该成果以“Graphene-Based Two-Dimensional Nanomaterials: From Scalable Synthesis, Interfacial Mechanism to Emerging Biomedical Applications”为题发表在高水平期刊 Carbon Neutralization 上。

本文亮点

1、该文章概述了多孔石墨烯的功能化合成策略；

2、阐明了石墨烯基二维材料与生物体之间的界面作用机制；

3、全面评估了石墨烯基二维材料对人类健康的潜在风险。

本文要点

要点一：石墨烯基二维纳米材料的可扩展合成策略

图1：机械剥离法合成石墨烯基二维材料。

图1是机械剥离法：图1(a)为按尺寸从小到大排列的基于石墨烯的二维材料，图1(b)为基于石墨烯的二维纳米材料，可包裹成零维巴基球、卷曲成一维纳米管或堆叠成三维石墨，图1(c)为不同石墨烯基纳米材料示意图。

图2：化学气相沉积法合成石墨烯基二维材料。

图2是化学气相沉积法：图2(a)为热处理形成自限域碳化硅界面层及不同温度（800–1200 °C）下Si(100)衬底的氮化镓生长，图2(b)为双层石墨烯(tBLG)在铜基底上原位生长时的异位成核示意图，其中第一层石墨烯的成核位置以蓝色标示，第二层石墨烯的成核位置以红色标示。

图3：氧化还原法合成石墨烯基二维材料。

图3是氧化还原法：图3(a)为ZnO/rGO纳米复合材料的制备策略，图3(b)为通过超临界流体处理实现分子尺度的N–(Nb₂C/rGO)异质组装。

图4：液相剥离法合成石墨烯基二维材料。

图4是液相剥离法：图4(a)为通过结合水热膨胀和液相剥离制备结构完整的石墨烯纳米片，图4(b)为双层石墨烯由石墨薄片三步法制备流程，图4(c)为石墨高剪切液相剥离至GNP，图4(d)为石墨烯通过预处理、剥离、分离或还原单元进行加工的示意图。

图5：电化学剥离法合成石墨烯基二维材料。

图5是电化学剥离法：图5(a)为构建具有精确结构控制的石墨烯基微型超级电容器(MSCs)，图5(b)为电化学剥离与磷化的可能机理，图5(c)为Cl–G纳米片制备流程示意图。

图6：碳化硅外延生长法合成石墨烯基二维材料。

图6是碳化硅外延生长法：图6(a)为NG@SiC合成过程示意图，图6(b)显示了单层石墨烯/6H-SiC与缓冲层/6H-SiC结构示意图，图6(c)为碳纳米薄膜与石墨烯形成机制示意图，图6(d)为β-SiC/Si(001)基底上逐层生长石墨烯示意图。

要点二：功能化石墨烯基二维纳米材料的生物安全性

图7：功能化石墨烯基二维纳米材料的毒理性。

图7显示了功能化石墨烯基二维纳米材料的毒理性：图7(a)为石墨烯基材料在细胞、蛋白质中的毒理性示意图，图7(b)为不同时间点蛋白质与石墨烯的相互作用，其中红色螺旋和绿色环状结构代表蛋白质，石墨烯则以片层形式呈现，π-π堆积的芳香族残基以蓝色棒状显示，图7(c)为纳米级氧化石墨烯，图7(d)为微米级氧化石墨烯，图7(e)为石墨烯含量，图7(f)为不同细胞毒性下完整与缺陷石墨烯材料数量的对照。

图8：石墨烯基二维纳米材料的抗凝血性。

图8显示了石墨烯基二维纳米材料的抗凝血性：图8(a)为石墨烯薄膜生长实验室装置示意图，图8(b)为原始石墨烯与氮掺杂石墨烯的溶血百分比，其中A、B、C、D分别代表阳性组上清液、原始石墨烯、氮掺杂石墨烯及阴性对照组，图8(c)为540 nm吸光度值与凝血时间的关系曲线，图8(d)为凝血途径示意图，图8(e-h)为不同基底上血小板的扫描电子显微镜图像，其中图8(e)为钛基底、8(f)为多巴胺基底、8(g)为氧化石墨烯基底、8(h)为负载肝素氧化石墨烯基底。

要点三：功能化石墨烯纳米材料与生物系统之间的相互作用机制

图9：石墨烯基二维纳米材料与蛋白质在分子层面的相互作用。

图9是石墨烯基二维纳米材料与蛋白质在分子层面的相互作用：图9(a)是由蛋白质冠层形成的还原氧化石墨烯生物作用机制，图9(b)为脑炎病毒NS1抗体的三个表位预测，图9(c) 为对脑炎病毒NS1表现高特异性的共同抗体结构亚组，图9(d-f)为氢等离子体处理下蛋白质在石墨烯上吸附的冷冻电子显微镜照片，图9(d)为无石墨烯处理70 s的核糖体图片（其余三者分别经10、20或40 s氢等离子体处理的图片呈现不同石墨烯晶格），图9(e)为经40 s氢等离子体处理的石墨烯，图9(f)为血红素铁蛋白分子，图9(g)为氧化石墨烯-蛋白质复合物，图9(h)为还原氧化石墨烯-蛋白质复合物；此外，图9(i)展现了蛋白质-石墨烯界面的侧视图，图9(j)为四个苏氨酸残基、水分子与氢键网络的相互作用，图9(k)为结合于蛋白质的水分子与周围游离水分子间的吸引力耦合，图9(l)为丝氨酸残基与石墨烯间团簇相互作用的示意模型。

图10：分子水平上石墨烯基二维纳米材料与酶之间的相互作用。

图10进一步显示了分子水平上石墨烯基二维纳米材料与酶之间的相互作用：图10(a)作为纳米生物催化剂的石墨烯固定化酶，图10(b)为CuBTC纳米仿生酶与乙酰胆碱酯酶(AChE)之间酶级联动反应，图10(c)为基于PEC电极的酶级联反应工作机制及各阶段响应信号示意图，图10(d)为基于酶促反应的葡萄糖检测机制示意图。

图11：分子水平上石墨烯基二维纳米材料与核酸之间的相互作用。

图11展示了分子水平上石墨烯基二维纳米材料与核酸之间的相互作用：图11(a)为荧光探针标记的DNA寡核苷酸被GO/rGO吸附后发生荧光淬灭，DNA可被脱附，在不同相互作用下导致荧光恢复；图11(b)为用于凋亡过程中同时检测miR-630和miR-21的DNA-GO纳米复合探针示意图；图11(c)为单螺旋DNA折纸（红色）、石墨烯片、水、离子及平移单链DNA（蓝色）的模型；图11(d-f)为氢键瞬态图；图11(d)为聚(dA)与DNA单螺旋之间；图11(e) 聚(dT)与DNA单螺旋之间（黑色虚线指氢键）；图11(f)为双链DNA在石墨烯纳米孔中的转运。

图12：分子水平上石墨烯基二维纳米材料与脂质膜之间的相互作用。

图12展示了分子水平上石墨烯基二维纳米材料与脂质膜之间的相互作用：图12(a)为仿生选择性高通量防污膜，图12(b)显示在模拟水槽中，实验装置包含嵌入磷脂双分子层的两片平行石墨烯纳米片，它们以4 nm间距面对面排列并被边界固定。添加边界后，石墨烯片形成类四方复合结构，图12(c)为脂质膜穿孔系统的分子动力学模拟，图12(d)为GQD61-DOX模型，其中GQD61（黄色）、药物（DOX：绿色）及脂质膜渗透示意图，图12(e)为通过单层石墨烯从细胞膜获取磷脂分子团，图12(f-h)为吸附于二棕榈酰磷脂酰胆碱膜上的牛血清白蛋白-石墨烯，图12(f)为初始构型，图12(g)为石墨烯覆盖率约0.1时，图12(h)为后期阶段，覆盖率接近最大值，图12(i-k)为DPPC上的裸石墨烯，图12(i)为初始构型，图12(j)为石墨烯覆盖率约为0.1，图12(k) 后期阶段，覆盖率接近最大值。

图13：细胞功能的调控。

图13 展示了细胞功能的调控：图13(a)为r(GO/藻酸盐)包裹的间质干细胞对心肌梗死后的心脏组织功能的影响，图13(b)为不同组成的D1嵌入型间质干细胞的成骨分化。

要点四：生物医学应用的设计、验证及转化

图14：癌症诊断与基因递送系统。

图14 展示了癌症诊断与基因递送：图14(a)为个性化冠状动脉支架以监测药物释放、监督愈合过程及扩张动脉内聚合物材料的降解；图14(b)为分步合成对叶酸受体癌细胞具有选择性毒性的叶酸功能化聚乙二醇化氧化石墨烯，触发Doxo释放并杀灭癌细胞；图14(c)与图14(d)分别为石墨烯及氧化石墨烯颗粒用于细胞内药物递送系统。

图15：创伤修复与自愈合。

图15展示了创伤修复与自愈合过程：氧化石墨烯在生理条件下可能发生聚集，阿霉素（DOX）可用来调控纳米氧化石墨烯（NGO），从而实现纳米氧化石墨烯的溶解化及阿霉素的高负载。图15(a)为DOX-PEG聚合物对NGO进行修饰的过程，图15(b)为近红外辐射增强NGO@DOX-PEG的药物释放、细胞摄取及核转运能力，图15(c)为rGO对大肠杆菌的抗菌活性，图15(d)为附着（左）与未附着（右）GQD的棉织物，图15(e)为GQD创可贴，图15(f) 为使用GQD创可贴治疗的小鼠，图15(g)为不同治疗组小鼠伤口随时间变化的情况。

图16：组织工程与再生医学支架。

图16展示了组织工程与再生医学支架示意图：图16(a)为基于纳米级石墨化透明质酸水凝胶的皮肤辐射防护解决方案，图16(b)为GQD/CoSnO₃异质结协同化疗、SDT与NCT的作用机制。

图17：多模态生物成像与探针诊断。

图17展示了多模态生物成像与探针诊断：图17(a)为GQD-PEG-P-AS1411结构示意图及应用，图17(b)为基于Au@NGO的生物成像与抗癌药物递送机理示意图，图17(c)为注射GO-IR800-V400后小鼠的实时体内外荧光生物成像，图17(d)为注射GO-IR800后小鼠组织的生物成像，图17(e)为注射GO–IR800–VEGF后小鼠组织生物成像，图17(f)为注射GO-IR800的缺血（左肢）与非缺血（右肢）小鼠，图17(g)为注射GO-IR800-VEGF的缺血（左肢）与非缺血（右肢）小鼠，图17(h)为注射了1 mg/mL的B-GQDs（上图）及未注射B-GQDs（下图）的小鼠心脏、肾脏、肝脏、肺部和脾脏，比例尺为125 µm。

图18：高灵敏感知平台。

图18为高灵敏感知平台：图18(a)为通过荧光位移转导法评估氧化石墨烯与蛋白质的相互作用，显著增强了超分子响应并大幅提升了生物分子亲和力；图18(b)为基于氧化石墨烯的纳米系统的运作原理。当病原体被捕获到探针上（ON）时，以及当病原体不存在时，探针与氧化石墨烯发生静电或π-π堆叠作用（OFF）；图18(c)为氧化石墨烯作为病原体显影剂生物传感平台的示意图；图18(d)为石墨烯-负离子场效应晶体管（GNFET）生物传感模块，可对人体细胞因子进行灵敏、快速、序列化检测。

本文小结

该文章综述了石墨烯基二维材料在体外与体内检测、药物递送、抗菌剂、光化疗、基因治疗及生物成像等领域的研究进展。然而，在实现大规模商业应用前仍需攻克若干重大挑战。首先，现有生产设备、原料来源及高纯度提取技术与先进理论仍存在较大差距。例如石墨烯固有缺陷将限制其进一步大规模合成。因此，如何以低成本、低能耗方式大规模制造高精度石墨烯基材料仍是其核心问题。

然后，石墨烯基二维材料及其衍生物作为定点功能材料的精确合成机制尚未完全阐明。深入解析单层石墨烯及其衍生物的分子结构、电荷转移特性、水溶性、溶血性、抗菌性能及毒性，将为微纳尺度结构设计与性能优化提供路径。为此，需结合先进材料表征技术与理论模拟计算，这有助于进一步揭示分子内部的作用机制。

此外，石墨烯基二维材料及其衍生物与生物体内部结构的界面相互作用仍不明晰。尽管在细胞膜、DNA、蛋白质、酶、细胞、组织及器官与石墨烯及其衍生物相关研究中取得一定进展，但多数研究基于小鼠模型，要实现人体临床应用仍面临诸多挑战。未来，如何精准合成并规模化制备低成本石墨烯基二维材料，以满足生命健康领域中精准化、个性化及规模化应用的需求，仍将是永恒的研究课题。在众多科研工作者的努力下，多功能化与个性化目标有望在下一代医疗健康领域得以实现。

文章信息

石墨烯基二维纳米材料—从扩展策略、界面机制到生物医药应用

题目：Graphene–Based Two-Dimensional Nanomaterials: From Scalable Synthesis, Interfacial Mechanism to Emerging Biomedical Applications

作者：Shi Li, Sijie Xia, Xingchang Ma, Liang Du, Yian Li, Zuwu Tang, Zhenzeng Wu, Wei Zhang

DOI：10.1002/cnl2.70121

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70121

第一作者：李诗

通讯作者：汤祖武，吴振增，张伟

单位：安徽工程大学、福建技术师范学院、武夷学院、郑州大学

作者介绍

李   诗
第一作者

安徽工程大学化学与环境工程学院，讲师，硕士生导师。主要从事纳米材料的表/界面、分子动力学模拟等研究工作，先后主持安徽省教育厅重点项目、福建省重点实验室开放基金、产学研横向等项目若干项。截至目前，发表SCI论文30余篇，其中第一作者/通讯作者18篇，包括Carbon Neutralization, Adv. Colloid Interface Sci., Chem. Eng. J., Carbohydr. Polym.，J. Clean Prod.和ACS Sus. Chem. Eng.等。担任Rare Metals、Chin. J. Struct. Chem.和CleanMat等期刊编委。

汤祖武
通讯作者

福建技术师范学院，讲师，硕士生导师，福建省C类人才。主要从事生物质化学与新材料等研究工作，先后主持福建省自然科学基金青年基金、福建省重点实验室开放基金等项目。截至目前，发表SCI论文40余篇，其中第一作者/通讯作者30篇，包括Adv. Funct. Mater.、 Adv. Colloid Interface Sci.、Chem. Eng. J.和Carbon Neutralization等。

吴振增
通讯作者

武夷学院生态与资源工程学院，副教授，硕士生导师。主要从事纳米材料的表/界面、碳基竹纤维资源化利用等研究工作，先后主持福建省自然科学基金面上基金和产学研横向等项目。截至目前，发表SCI论文50余篇，其中第一作者/通讯作者20篇，包括Chem. Eng. J.、Carbon Neutralization、Carbohydr. Polym.、J. Mater. Chem. A和Ind. Crops Prod.等。

张   伟
通讯作者

郑州大学化学学院，教授，博士生导师。主要从事手性高分子合成、手性超分子组装及手性功能高分子材料等研究工作，先后主持国家自然科学基金重点项目1项、重大研究计划集成项目课题1项、国家自然科学基金重大研究计划培育项目1项、国家自然科学基金面上项目3项、国家自然科学基金青年基金项目1项、江苏省高等学校科学研究重大项目1项、安徽省杰出青年科学基金项目1项、校企产学研合作等项目若干项。截止目前，以通讯作者/第一作者在Acc. Chem. Res.、Chem、J. Am. Chem. Soc.和Angew. Chem. Int. Ed.等杂志发表学术论文137余篇，参与撰写专著6部，授权专利20余项。