碳纳米医用材料课件

Carbon

MaterialsinMedicalField主讲内容：Partone:碳纳米管类医用纳米材料Parttwo:石墨烯类医用纳米材料Partthree:其他类医用纳米材料Partone:碳纳米管类医用材料-概要DefinitionofNanotube:碳纳米管是由碳元素构成的一种具有中空管状结构，直径在几纳米至几十纳米之间（一纳米等于一百万分之一毫米），长度可达数微米（一微米等于一千分之一毫米）的新型碳纳米材料它是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳纤维中发现的ChemicalStructureofNanotube:它是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取SP2杂化，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云Partone:碳纳米管类医用材料-应用Applicationtwo:生物传感器生物传感器的工作原理是将酶促反应过程中的化学、光学和热转换成电信号罗济文等研究了单壁碳纳米管修饰玻碳电极对L-半胱氨酸氧化的催化作用。L-半胱氨酸在单壁碳纳米管修饰玻碳电极上可产生不可逆的氧化峰。峰电位大大低于其在裸玻碳电极上的电位。该修饰电极可用于药物中L-半胱氨酸的测定及其他领域唐婷等利用化学偶联法将末端修饰氨基的寡聚核苷酸固定在表面修饰有羧基化碳纳米管(CNTs-COOH)的金电极表面，制备新型核酸探针，可以特异性结合目标单链寡聚核苷酸。应用碳纳米管特有的纳米结构对检测结果的放大作用，提高了传感器的检测限和灵敏度另外有研究表明碳纳米管具有明显的促进生物分子的电子传递作用Singh等用经化学修饰的水溶性的功能性碳纳米管作为DNA质粒载体在哺乳动物细胞中成功表达了目的基因。并且通过透射电镜，琼脂糖凝胶电泳等方法对经不同基团修饰的碳纳米管与DNA结合形成的复合体进行了检测。结果显示3种阳离子碳纳米管都可在不同程度上对DNA进行浓缩，碳纳米管的表面积与电荷浓度都达到了临界值。这说明功能性碳纳米管确实与DNA载体形成了某种物理化学性的结合Partone:碳纳米管类医用材料-应用Applicationthree:促进骨组织修复生长羟基磷灰石与占人体硬组织70%左右的无机质成分极为相似,具有优良的生物活性和生物相容性,是目前国际上公认的硬组织植入材料。但是,纯的羟基磷灰石的力学性能较差,不能用作承重植入体。而碳纳米管具有相当高的强度和韧性,还具有优异的电学、磁学、吸波等性能,是一种公认的超强一维增强材料。将其与羟基磷灰石复合,有望在保持其生物相容性的同时,较大幅度的提高其力学性能,甚至使其产生磁性或吸波性,从而制成一种功能活性生物材料Partone:碳纳米管类医用材料-应用孙康宁等对碳纳米管/羟基磷灰石复合材料的制备工艺进行研究,结果显示加入碳纳米管后的碳纳米管/羟基磷灰石复合材料的弯曲强度与断裂韧性明显提高且以超声分散工艺所得复合粉体最佳。Price等和Elias等的研究还表明碳纳米纤维能促进成骨细胞的分裂、增殖。因此可以设想用碳纳米纤维促进成骨细胞的吸附与生长。他们希望将此种材料用于牙种植体表面的修饰，以提高其组织相容性。研究者还指出碳纳米管较碳纳米纤维具有更优良的机械性能，但造价更高一些Applicationthree:促进骨组织修复生长另外，基于碳纳米管优越的表面、体积比，Webster等尝试用多壁碳纳米管与聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥复合成生物复合骨修复材料。实验证明，应用不同多壁碳纳米管与聚甲基丙烯酸甲酯配比浓度(多壁碳纳米管质量比2%～10%)制备的碳纳米管复合材料，能在不同程度上增强原有材料的静态和动态机械性能。而且随多壁碳纳米管浓度的增高，复合材料的机械抗疲劳及抗拉力参数总体呈上升趋势Partone:碳纳米管类医用材料-应用碳纳米管应用前景：由碳纳米管制成的微型纳米钳，就有望成为科学家和医生装配纳米机械和进行微型手术的新工具。将纳米碳管用于极微细毛细血管的医治或代替破损的毛细血管，可使当前不能修复的毛细血管得到修复碳纳米管具有优良的伸缩性，而且较低电压就可产生较大的机械拉伸，而且随外加电压的变化长度会发生规律性的伸展收缩。利用这种特性，制成人造肌肉纤维，不仅可用于人类肌纤维的移植和修复，还有望将来作为未来机器人的运动构件。在牙医学方面，将碳纳管和宝石或金刚石制成复合材料，碳纳米管可以使复合材料得到加固，这样可得到强度、色泽和生物相容性俱佳的釉质材料。或者利用碳纳米管制备新型的牙用种植体材料Parttwo:石墨烯类医用材料-概要DefinitionofGraphene:石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，它是于2004年，英国曼彻斯特大学物理学家者Geim和Novoselov，成功地在实验中用机械剥离法从石墨中成功制备石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料固其电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。Partone:石墨烯类医用材料-应用Applicationone:基于氧化石墨烯的纳米载药体系2008年DaiHongjie课题组首次报道了利用PEG(聚乙二醇)修饰的氧化石墨烯作为难溶性含芳香结构的抗癌药物载体。他们首先将石墨氧化，获得了尺寸小于50nm的纳米氧化石墨烯(nanoscalegrapheneoxide，NGO)，再将生物相容的PEG接枝到NGO上(如图所示)。这种石墨烯材料在生理条件下包括在血清中具有良好的生物相容性和稳定性。然后通过π-π堆垛等物理作用将抗癌药物SN38(喜树碱衍生物)吸附在PEG化的NGO表面，形成石墨烯一药物复合物研究发现，NGO-SN38复合物有良好的水溶性，表明其作为药物载体可以用于难溶性药物的增溶，且复合物中SN38仍高度保持活性。体外实验发现，NGO-SN38可以有效地杀伤结肠肿瘤细胞HCT-116，其杀伤效果是CPT-11(依立替康，FDA通过用于治疗结肠癌的SN38药物前体)的近1000倍。更重要的是，NGO-PEG作为药物载体没有明显的细胞毒性，具有良好的生物安全性Parttwo:石墨烯类医用材料-应用Applicationthree:氧化石墨烯用于生物成像Peng等通过用PEG连接荧光染料与NGO来进行细胞内成像。其中PEG分子起到一个桥梁作用，可以防止NGO导致染料的荧光淬灭，有效地提高NGO的生物相容性以及稳定性，以及增强细胞对材料的吸收。研究结果表明，荧光素-PEG-NGO(Fluo-G)结构展现了优良的pH调节的荧光特性另一方面，Dai等研究组除了发现NGO可作为良好的药物载体之外，还探讨了NGO在生物成像方面的应用。他们通过PEG化学修饰NGO，使其在生物条件下具有良好的稳定性和相容性，并通过密度梯度离心，得到在缓冲液和血清中无凝结的尺寸分离的PEG化的NGO片层结构。这些NGO在可见光到红外光区可以受激发射荧光。NGO的这种固有的自发荧光可以用于低背景的近红外光活细胞成像。在近红外光区NIR，NGO-PEG可以用来进行细胞自发荧光成像。将PEG与B细胞单克隆抗体(anti-CD20，Rituxan)共轭结合的方法制备得到NGO-PEG-anti-CD20可以特异性地结合目的细胞RajiB-细胞淋巴瘤(表达CD20)，增加了靶向性，即达到靶向成像的作用Parttwo:石墨烯类医用材料-应用Applicationfour:石墨烯在肿瘤治疗方面的应用刘庄课题组第一次研究了使用PEG包被荧光标签的纳米石墨烯片(nanographenesheets，NGS)在体内的作用。在活体内异种皮肤肿瘤移植荧光成像中NGS表现出了高肿瘤细胞摄取率相比于碳纳米管，PEG化的NGS展现了一些有趣的体内表征现象，包括高效率肿瘤被动靶向识别以及在材料网状内皮组织中相对较低残留。之后利用体内光热疗法中NGS在NIR光区的高光吸收，在静脉注射NGS并在肿瘤移植部位用低强度NIR激光照射后得到了极为高效的肿瘤消除此外，在毒性研究中，PEG化NGS注射小鼠后组织学、血液化学和全血分析结果表明没有产生明显的副作用。尽管对这种新型碳纳米材料在体内表现还需要更多的认知以及长期的毒性研究，但是使用碳纳米材料有效地用于通过静脉处理的体内光热疗法，提供了石墨烯在诸如肿瘤治疗的生物医学领域应用的更大潜力Parttwo:石墨烯类医用材料-应用石墨烯生物安全性Lu等对NGO的细胞毒性进行了研究。实验发现，当NGO浓度达到100mg·L-1时，细胞的相对存活率仍接近100％，说明NGO细胞毒性较低。研究发现，叶酸修饰的NGO在浓度高达100μg.ml-1仍没有明显的细胞毒性Peng等研究了用于作为荧光探针进行细胞成像的氧化石墨烯复合材料的生物安全性，结果表明该复合材料未表现出严重的细胞毒性，浓度为40μg.ml-1时仅使细胞新陈代谢活性略有下降。他们还发现，这种中度的细胞毒作用是可以逆转的，其代谢活性可以恢复Partthree:其他类医用材料石墨及热解碳目前石墨材料已经成功用于心脏瓣膜，已能制造重量不到1克的心脏瓣膜，所生产的心脏瓣膜具有足够的强度、抗磨性、热导性、电导性和抗血栓性，传递脉冲可达20年，安全性和有效性得到了医学界的公认。为克服现有石墨基心脏瓣膜易碎裂、分层、剥离、产生飞片的缺陷，陈如坤用全热解炭材料制作新型人造心脏瓣膜，并对材料和瓣膜作理化性能和生物学测试，结果表明该瓣抗血栓形成性能优良，且耐久性好，血流动力学性能、生物相容性优良Partthree:其他类医用材料碳纤维碳纤维具有低密度、高比模量、比强度、高导电性、高比表面积以及良好的生物相容性等特点，在生物医学领域中有广泛的应用前景。碳纤维可使人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱在强度、硬度和韧性等多方面的性能显著提高，此外，利用活性炭材料的高效吸附特性，还可以将它用于血液的净化，清除某些特定的病毒和成份此外，碳纤维布的吸湿性能有效的防止了毒素、细菌和微生物等渗入淋巴和血液，大大缩短治愈时