用于生物及细胞界面的石墨烯基纳米结构

时间:2019-09-25 10:30:01 来源:中国建业网 当前位置:哲想开元电子棋牌_拉斯维加斯开元棋牌_ky开元棋牌平台 > 废物 > 手机阅读
用于生物及细胞界面的石墨烯基纳米结构


用于生物及细胞界面的石墨烯基纳米结构

第一作者: 聂川雄、马朗

通讯作者:Chong Cheng、Changsheng Zhao、Shuang Li

通讯单位:四川大学、柏林工业大学

核心内容:

1. 回顾了石墨烯原料以及石墨烯基功能材料/器件的制备。

2. 总结了石墨烯基纳米材料与细胞的相互作用及生物医学应用。

3. 提出了该研究领域未来发展趋势和面临的挑战。

石墨烯基纳米材料在生物医学领域的优势

石墨烯基纳米材料是过去数十年研究最为火热的材料之一。在生物医学工程领域,基于石墨烯开发的功能化纳米制剂和器件已经广泛应用于癌症治疗、生物检测、抗细菌感染治疗、纳米酶工程、干细胞诱导及组织工程等多个领域。

相比于其他纳米材料,石墨烯的优势在于其独特的二维结构和生物界面行为。研究发现,石墨烯基纳米材料及其构建的生物界面可以对细胞及微生物行为产生极大地影响,例如促进细胞黏附、诱导干细胞分化、抑制微生物增殖等。除此之外,利用石墨烯的二维结构及大的比表面积,可以实现对其他有机-无机功能化材料的原位负载,从而进一步增强石墨烯基复合材料的生物学性能,并构建出各种不同的物理化学及生物特性,实现和满足其在不同生物医疗领域的应用范围(图1)。

综述简介

近日,四川大学程冲研究员/赵长生教授研究团队联合柏林工业大学Shuang Li,总结了该团队及国际同行近年来基于石墨烯基纳米材料构建的多种具有优秀生物功能的先进高分子复合材料,并对这些先进复合材料在生物及细胞界面的行为进行了详细讨论和总结,并对该领域的未来发展提出了展望。


用于生物及细胞界面的石墨烯基纳米结构

图1. 基于石墨烯基纳米材料构建的先进高分子复合材料及其在生物医疗领域的应用。

要点1:石墨烯的制备方法

作者首先综述了近年来高效制备“绿色”石墨烯原料的研究进展。常规的Hummers制备法会对环境造成巨大污染,而新型的“电化学氧化”法、电剥离、及“聚合物插层”等方法则可以高效生产“绿色”石墨烯(图2),所制备的石墨烯纳米材料尺寸均一且可控,在一定条件下可以实现大批量生产。除此之外,作者还介绍了多种石墨烯功能化的方法,包括“非共价键法”、“共价键法”、“仿生制备法”等,为制备功能化石墨烯提供了多种参考途径。


用于生物及细胞界面的石墨烯基纳米结构

图2. 高效制备“绿色”石墨烯原料的方法。(a) 高铁酸钾氧化法。(b, c) 电化学氧化法。(d, e) 聚合物插层法。参考文献: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.

要点2:石墨烯基功能材料/器件的制备

接着,作者详细介绍了近年来报道的基于石墨烯的功能化材料和器件,包括“生物稳定且相容的纳米材料”、“刺激-响应型智能纳米材料”、“无机-杂化纳米材料”、“可用于生物电学器件的纳米墨水”、“仿贝壳石墨烯超强超硬薄膜材料”、“自组装多孔材料”、“3D打印的多孔支架材料”以及“可注射3D复合水凝胶”等。作者对每种材料的设计思路以及石墨烯在其中的重要功能都进行了详细的探讨,例如,通过将石墨烯适当功能化,可以得到高粘度的导电“纳米墨水”,这种墨水可以用于制备多种生物电子器件,以及可以用于高精度3D打印,制备具有规整多孔结构的3D支架材料(图3)。

用于生物及细胞界面的石墨烯基纳米结构


图3. 基于石墨烯“纳米墨水”构建的多功能导电复合材料。参考文献:Adv. Funct. Mater., 26 (2015) 586-593; Adv.Mater., 30 (2018) 1705452; Adv. Funct. Mater., 28 (2018) 1707024.

要点3:石墨烯基纳米材料与细胞的相互作用

石墨烯基纳米材料及其构建的生物界面可以对细胞及微生物行为产生极大地影响,因此在设计石墨烯基生物材料时,一定要首要考虑其和细胞的作用。石墨烯的首要问题是其生物毒性。造成其细胞毒性的主要原因是石墨烯与细胞膜之间的强相互作用(图4a),这种作用可以“撕裂”细胞膜,导致胞内活性氧组分含量升高,从而诱导细胞凋亡。研究发现,通过聚合物处理以及降低石墨烯界面与细胞膜的相互作用,从而明显提高其细胞相容性,并且调控细胞内吞等行为(图4b)。利用石墨烯和磷脂膜的强相互作用,研究人员也设计了多种基于石墨烯的新型抗菌制剂,可被应用于耐药菌感染的创伤处理、植入体抗菌涂层等多个领域。

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图4. 石墨烯及纳米材料界面对在细胞行为的影响。(a) 石墨烯与细胞膜的相互作用。(b) 细胞对石墨烯的内吞行为。(c, d) 石墨烯对干细胞分化的调控。参考文献:Proc. Natl. Acad. Sci. U S A, 110 (2013) 12295-12300; Adv. Funct.Mater., 27 (2017) 1701837; ACS Nano, 9 (2015) 3780-3790.

要点4:石墨烯基纳米材料的生物医学应用

最后,作者也详细介绍了目前基于石墨烯构建的纳米材料的应用领域,涵盖了“智能药物载体”、“多功能癌症治疗-检测平台”、“新型抗菌抗病毒制剂”、“植入式组织工程支架”、“电化学生物监测平台”等多个新兴研究领域,在每个研究领域中,作者都详尽的介绍和讨论了石墨烯基纳米材料在该领域的应用和发展状况,希望能对未来的研究提供新的思路。

其中在干细胞生长分化调控领域,研究人员指出石墨烯基纳米材料修饰的支架材料界面可以用诱导干细胞生长和分化,如神经干细胞向神经元的分化,电刺激间充质干细胞的神经分化,以及诱导骨髓基质干细胞的成骨分化等(图4,5)。此外石墨烯基纳米材料也可以通过微纳米加工技术被制备成各种柔性生物监测和检测电极,特别是在可植入神经电极和可穿戴电极等生物电极领域展现出巨大的应用前景(图6)。这些干细胞分化调控和生物电极领域的应用与石墨烯基纳米材料的高导电性、高吸附能力、以及力学特性等密切相关。

用于生物及细胞界面的石墨烯基纳米结构

图5. 石墨烯基生物界面对干细胞分化的调控。参考文献:Adv. Mater., 30 (2018) 1705452; Adv. Healthc. Mater., 6 (2017) 1601087; Adv.Healthc. Mater., 5 (2016) 2069-2079.


用于生物及细胞界面的石墨烯基纳米结构

图6. 石墨烯基纳米材料构建的植入式生物信号监测平台。参考文献:Nat. Commun., 3 (2012) 763; Nat. Commun., 5 (2014)5259; Nat. Nanotechnol., 11 (2016) 566; Sci. Adv., 3 (2017) e1701629.

小结与展望

在文章的最后,作者进一步提出和总结了该研究领域未来发展趋势和面临的挑战,主要包括:

1)进一步开发高效绿色制备石墨烯原料的新工艺新方法。

2)探索更多不同生物功能化的石墨烯基复合纳米材料。随着纳米科学的发展诞生了许多具有独特性能的纳米材料,如黑磷、二硫化钼、金属有机框架等,将它们和石墨烯进行复合,可以得到更加性能优异或者特异的纳米复合材料,将有望进一步拓展石墨烯基纳米材料的生物应用领域。

3)深入研究石墨烯基纳米材料的生物界面行为。目前的研究还仅限于细胞层面,在生物分子学或者组织甚至生物体层面的研究报道还较少,而在该层面上的研究对进一步拓展石墨烯基纳米材料的生物应用,甚至开发临床应用的石墨烯基复合生物材料极其重要。

4)进一步优化石墨烯功能化材料和器件的性能,如提高石墨烯生物监测装置的灵敏性和柔性等。

参考文献:

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#!

团队简介:

四川大学高分子学院程冲研究员(青千)及赵长生教授(杰青)研究团队长期致力于设计有机-无机杂化的先进低维功能材料及开发其在生物医药、血液净化、及电化学催化等领域的应用,特别是基于石墨烯及新型配位聚合物等的微纳米结构设计、功能调控、大规模制备、及前沿应用开发。研究团队目前已经与国内外十余个实验室开展了密切交流合作。

团队近年来在石墨烯基复合生物材料(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)、智能纳米制剂(Adv. Funct. Mater. 2018, 28,1705708; Adv. Funct. Mater., 2019, 28, 1900143; Acta Biomater. 2017, 51, 479)、以及金属有机框架和杂原子参杂的多孔碳催化材料(Adv. Mater. 2018, 30, 1802669; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1807419.)等领域做了系统深入的研究,并取得了一系列重要研究成果。

文章来源:纳米人

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