第一作者： 聶川雄、馬朗
通訊作者：Chong Cheng、Changsheng Zhao、Shuang Li
通訊單位：四川大學、柏林工業大學
核心內容：
1. 回顧了石墨烯原料以及石墨烯基功能材料/器件的制備。
2. 總結了石墨烯基納米材料與細胞的相互作用及生物醫學應用。
3. 提出了該研究領域未來發展趨勢和面臨的挑戰。
石墨烯基納米材料在生物醫學領域的優勢
石墨烯基納米材料是過去數十年研究最為火熱的材料之一。在生物醫學工程領域，基于石墨烯開發的功能化納米制劑和器件已經廣泛應用于癌癥治療、生物檢測、抗細菌感染治療、納米酶工程、干細胞誘導及組織工程等多個領域。
相比于其他納米材料，石墨烯的優勢在于其獨特的二維結構和生物界面行為。研究發現，石墨烯基納米材料及其構建的生物界面可以對細胞及微生物行為產生極大地影響，例如促進細胞黏附、誘導干細胞分化、抑制微生物增殖等。除此之外，利用石墨烯的二維結構及大的比表面積，可以實現對其他有機-無機功能化材料的原位負載，從而進一步增強石墨烯基復合材料的生物學性能，并構建出各種不同的物理化學及生物特性，實現和滿足其在不同生物醫療領域的應用范圍（圖1）。
綜述簡介
近日，四川大學程沖研究員/趙長生教授研究團隊聯合柏林工業大學Shuang Li，總結了該團隊及國際同行近年來基于石墨烯基納米材料構建的多種具有優秀生物功能的先進高分子復合材料，并對這些先進復合材料在生物及細胞界面的行為進行了詳細討論和總結，并對該領域的未來發展提出了展望。
圖1. 基于石墨烯基納米材料構建的先進高分子復合材料及其在生物醫療領域的應用。
要點1：石墨烯的制備方法
作者首先綜述了近年來高效制備“綠色”石墨烯原料的研究進展。常規的Hummers制備法會對環境造成巨大污染，而新型的“電化學氧化”法、電剝離、及“聚合物插層”等方法則可以高效生產“綠色”石墨烯（圖2），所制備的石墨烯納米材料尺寸均一且可控，在一定條件下可以實現大批量生產。除此之外，作者還介紹了多種石墨烯功能化的方法，包括“非共價鍵法”、“共價鍵法”、“仿生制備法”等，為制備功能化石墨烯提供了多種參考途徑。
圖2. 高效制備“綠色”石墨烯原料的方法。(a) 高鐵酸鉀氧化法。(b, c) 電化學氧化法。(d, e) 聚合物插層法。參考文獻：Nat. Commun., 6 (2015) 5716; Nat. Commun., 9 (2018) 145; Angew.Chem. Int. Ed., 56 (2017) 6669-6675; Chem. Commun., 46 (2010) 2844-2846;Nanoscale, 7 (2015) 6436-6443.
要點2：石墨烯基功能材料/器件的制備
接著，作者詳細介紹了近年來報道的基于石墨烯的功能化材料和器件，包括“生物穩定且相容的納米材料”、“刺激-響應型智能納米材料”、“無機-雜化納米材料”、“可用于生物電學器件的納米墨水”、“仿貝殼石墨烯超強超硬薄膜材料”、“自組裝多孔材料”、“3D打印的多孔支架材料”以及“可注射3D復合水凝膠”等。作者對每種材料的設計思路以及石墨烯在其中的重要功能都進行了詳細的探討，例如，通過將石墨烯適當功能化，可以得到高粘度的導電“納米墨水”，這種墨水可以用于制備多種生物電子器件，以及可以用于高精度3D打印，制備具有規整多孔結構的3D支架材料（圖3）。
圖3. 基于石墨烯“納米墨水”構建的多功能導電復合材料。參考文獻：Adv. Funct. Mater., 26 (2015) 586-593; Adv.Mater., 30 (2018) 1705452; Adv. Funct. Mater., 28 (2018) 1707024.
要點3：石墨烯基納米材料與細胞的相互作用
石墨烯基納米材料及其構建的生物界面可以對細胞及微生物行為產生極大地影響，因此在設計石墨烯基生物材料時，一定要首要考慮其和細胞的作用。石墨烯的首要問題是其生物毒性。造成其細胞毒性的主要原因是石墨烯與細胞膜之間的強相互作用（圖4a），這種作用可以“撕裂”細胞膜，導致胞內活性氧組分含量升高，從而誘導細胞凋亡。研究發現，通過聚合物處理以及降低石墨烯界面與細胞膜的相互作用，從而明顯提高其細胞相容性，并且調控細胞內吞等行為（圖4b）。利用石墨烯和磷脂膜的強相互作用，研究人員也設計了多種基于石墨烯的新型抗菌制劑，可被應用于耐藥菌感染的創傷處理、植入體抗菌涂層等多個領域。
圖4. 石墨烯及納米材料界面對在細胞行為的影響。(a) 石墨烯與細胞膜的相互作用。(b) 細胞對石墨烯的內吞行為。(c, d) 石墨烯對干細胞分化的調控。參考文獻：Proc. Natl. Acad. Sci. U S A, 110 (2013) 12295-12300; Adv. Funct.Mater., 27 (2017) 1701837; ACS Nano, 9 (2015) 3780-3790.
要點4：石墨烯基納米材料的生物醫學應用
最后，作者也詳細介紹了目前基于石墨烯構建的納米材料的應用領域，涵蓋了“智能藥物載體”、“多功能癌癥治療-檢測平臺”、“新型抗菌抗病毒制劑”、“植入式組織工程支架”、“電化學生物監測平臺”等多個新興研究領域，在每個研究領域中，作者都詳盡的介紹和討論了石墨烯基納米材料在該領域的應用和發展狀況，希望能對未來的研究提供新的思路。
其中在干細胞生長分化調控領域，研究人員指出石墨烯基納米材料修飾的支架材料界面可以用誘導干細胞生長和分化，如神經干細胞向神經元的分化，電刺激間充質干細胞的神經分化，以及誘導骨髓基質干細胞的成骨分化等（圖4，5）。此外石墨烯基納米材料也可以通過微納米加工技術被制備成各種柔性生物監測和檢測電極，特別是在可植入神經電極和可穿戴電極等生物電極領域展現出巨大的應用前景（圖6）。這些干細胞分化調控和生物電極領域的應用與石墨烯基納米材料的高導電性、高吸附能力、以及力學特性等密切相關。
圖5. 石墨烯基生物界面對干細胞分化的調控。參考文獻：Adv. Mater., 30 (2018) 1705452; Adv. Healthc. Mater., 6 (2017) 1601087; Adv.Healthc. Mater., 5 (2016) 2069-2079.
圖6. 石墨烯基納米材料構建的植入式生物信號監測平臺。參考文獻：Nat. Commun., 3 (2012) 763; Nat. Commun., 5 (2014)5259; Nat. Nanotechnol., 11 (2016) 566; Sci. Adv., 3 (2017) e1701629.
小結與展望
在文章的最后，作者進一步提出和總結了該研究領域未來發展趨勢和面臨的挑戰，主要包括：
1）進一步開發高效綠色制備石墨烯原料的新工藝新方法。
2）探索更多不同生物功能化的石墨烯基復合納米材料。隨著納米科學的發展誕生了許多具有獨特性能的納米材料，如黑磷、二硫化鉬、金屬有機框架等，將它們和石墨烯進行復合，可以得到更加性能優異或者特異的納米復合材料，將有望進一步拓展石墨烯基納米材料的生物應用領域。
3）深入研究石墨烯基納米材料的生物界面行為。目前的研究還僅限于細胞層面，在生物分子學或者組織甚至生物體層面的研究報道還較少，而在該層面上的研究對進一步拓展石墨烯基納米材料的生物應用，甚至開發臨床應用的石墨烯基復合生物材料極其重要。
4）進一步優化石墨烯功能化材料和器件的性能，如提高石墨烯生物監測裝置的靈敏性和柔性等。
參考文獻：
Chuanxiong Nie, Lang Ma, ShuangLi, Xin Fan, Ye Yang, Chong Cheng, Weifeng Zhao, Changsheng Zhao. Recentprogresses in graphene based bio-functional nanostructures for advancedbiological and cellular interfaces. Nano Today, 2019.
DOI: 10.1016/j.nantod.2019.03.003
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013218306996#!
團隊簡介：
四川大學高分子學院程沖研究員（青千）及趙長生教授（杰青）研究團隊長期致力于設計有機-無機雜化的先進低維功能材料及開發其在生物醫藥、血液凈化、及電化學催化等領域的應用，特別是基于石墨烯及新型配位聚合物等的微納米結構設計、功能調控、大規模制備、及前沿應用開發。研究團隊目前已經與國內外十余個實驗室開展了密切交流合作。
團隊近年來在石墨烯基復合生物材料（Chem. Rev.2017, 117, 1826; Adv. Mater. 2018, 30, 1705452; Nano Today 2019,https://doi.org/10.1016/j.nantod.2019.03.003. ACS Appl. Mater. & Interfaces2018, 10, 296）、智能納米制劑（Adv. Funct. Mater. 2018, 28,1705708; Adv. Funct. Mater., 2019, 28, 1900143; Acta Biomater. 2017, 51, 479）、以及金屬有機框架和雜原子參雜的多孔碳催化材料（Adv. Mater. 2018, 30, 1802669; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1807419.）等領域做了系統深入的研究，并取得了一系列重要研究成果。
