关键词：纳米材料生物医学应用
1应用于生物医学中的纳米材料的主要类型及其特性
1.1纳米碳材料
纳米碳材料主要包括碳纳米管、气相生长碳纤维也称为纳米碳纤维、类金刚石碳等。
碳纳米管有独特的孔状结构［1］，利用这一结构特性，将药物储存在碳纳米管中并通过一定的机制激发药物的释放，使可控药物变为现实。此外，碳纳米管还可用于复合材料的增强剂、电子探针（如观察蛋白质结构的AFM探针等）或显示针尖和场发射。纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂，以低碳烃类化合物为碳源，氢气为载体，在873K～1473K的温度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在医学领域中有广泛的应用前景。类金刚石碳（简称DLC）是一种具有大量金刚石结构C—C键的碳氢聚合物，可以通过等离子体或离子束技术沉积在物体的表面形成纳米结构的薄膜，具有优秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。资料报道，与其他材料相比，类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低，对白蛋白的吸附增强，血管内膜增生减少，因而类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要的应用价值。
1.2纳米高分子材料
纳米高分子材料，也称高分子纳米微粒或高分子超微粒，粒径尺度在1nm～1000nm范围。这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能，可用于药物、基因传递和药物控释载体，以及免疫分析、介入性诊疗等方面。
1.3纳米复合材料
目前，研究和开发无机—无机、有机—无机、有机—有机及生物活性—非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的新途径，并逐步向智能化方向发展，在光、热、磁、力、声［2］等方面具有奇异的特性，因而在组织修复和移植等许多方面具有广阔的应用前景。国外已制备出纳米ZrO2增韧的氧化铝复合材料，用这种材料制成的人工髋骨和膝盖植入物的寿命可达30年之久［3］。研究表明，纳米羟基磷灰石胶原材料也是一种构建组织工程骨较好的支架材料［4］。此外，纳米羟基磷灰石粒子制成纳米抗癌药，还可杀死癌细胞，有效抑制肿瘤生长，而对正常细胞组织丝毫无损，这一研究成果引起国际的关注。北京医科大学等权威机构通过生物学试验证明，这种粒子可杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细胞。
此外，在临床医学中，具有较高应用价值的还有纳米陶瓷材料，微乳液等等。
2纳米材料在生物医学应用中的前景
2.1用纳米材料进行细胞分离
利用纳米复合体性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应的特性进行细胞分离在医疗临床诊断上有广阔的应用前景。20世纪80年代后，人们便将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，使所需要的细胞很快分离出来。目前，生物芯片材料已成功运用于单细胞分离、基因突变分析、基因扩增与免疫分析（如在癌症等临床诊断中作为细胞内部信号的传感器［5］）。伦敦的儿科医院、挪威工科大学和美国喷气推进研究所利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中癌细胞的分离来治疗病患者［6］。美国科学家正在研究用这种技术在肿瘤早期的血液中检查癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。
2.2用纳米材料进行细胞内部染色
比利时的DeMey博士等人利用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或柠檬酸钠把金从氯化金酸（HAuCl4）水溶液中还原出来形成金纳米粒子，（粒径的尺寸范围是3nm～40nm），将金纳米粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合，利用不同抗体对细胞和骨骼内组织的敏感程度和亲和力的差异，选择抗体种类，制成多种金纳米粒子—抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物，在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色（如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色），从而给各种组织“贴上”了不同颜色的标签，为提高细胞内组织分辨率提供了各种急需的染色技术。
2.3纳米材料在医药方面的应用
2.3.1纳米粒子用作药物载体
一般来说，血液中红血球的大小为6000nm～9000nm，一般细菌的长度为2000nm～3000nm［7］，引起人体发病的病毒尺寸为80nm～100nm，而纳米包覆体尺寸约30nm［8］，细胞尺寸更大，因而可利用纳米微粒制成特殊药物载体或新型抗体进行局部的定向治疗等。专利和文献资料的统计分析表明，作为药物载体的材料主要有金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物活性纳米颗粒。
磁性纳米颗粒作为药物载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，进行定位病变治疗，利于提高药效，减少副作用。如采用金纳米颗粒制成金溶液，接上抗原或抗体，就能进行免疫学的间接凝聚实验，用于快速诊断［9］。生物降解性高分子纳米材料作为药物载体还可以植入到人体的某些特定组织部位，如子宫、阴道、口（颊、舌、齿）、上下呼吸道（鼻、肺）、肛门以及眼、耳等［10］。这种给药方式避免了药物直接被消化系统和肝脏分解而代谢掉，并防止药物对全身的作用。如美国麻省理工学院的科学家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片为基础，能长时间配选精确剂量药物的药物投送系统，并已被批准用于人体。近年来生物可降解性高分子纳米粒子（NPs）在基因治疗中的DNA载体以及半衰期较短的大分子药物如蛋白质、多肽、基因等活性物质的口服释放载体方面具有广阔的应用前景。药物纳米载体技术将给恶性肿瘤、糖尿病和老年痴呆症的治疗带来变革。
2.3.2纳米抗菌药及创伤敷料
Ag+可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌，添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。
2.3.3智能—靶向药物
在超临界高压下细胞会“变软”，而纳米生化材料微小易渗透，使医药家能改变细胞基因，因而纳米生化材料最有前景的应用是基因药物的开发。德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入肿瘤部位，使癌细胞部位完全被磁场封闭，通电加热时温度达到47℃，慢慢杀死癌细胞。这种方法已在老鼠身上进行的实验中获得了初步成功［11］。美国密歇根大学正在研制一种仅20nm的微型智能炸弹，能够通过识别癌细胞化学特征攻击癌细胞，甚至可钻入单个细胞内将它炸毁。
1.1双体复合材料双体复合材料可以通过工业处理将纳米粒子均匀的分散到二维薄膜材料中，粒子在弥散过程中会产生均匀或不均匀两种分布状态，这两种分布状态的复合结构都具有一定的稳定性。均匀和非均匀弥散状态的薄膜基体表现出的层状结构具有明显的差异性，纳米粒子分散混乱的材料的构成层级种类很多，分散有序、均匀的材料层级种类较少。1.2多体复合材料多体复合材料可以通过工业处理将纳米粒子均匀的分散到三维固体中，纳米粒子会通过外力作用，深入固体组织结构，改变其分子集团的分布情况，进而影响三维固体的物理性能和化学性能。多体复合材料的应用前景非常好，是当今纳米材料科研工作者研究的重点问题。
2纳米复合材料发展趋势分析
2.1纳米复合涂层材料纳米复合涂层材料的化学性质稳定，并且柔韧性好、硬度高、耐腐蚀性强，在工程材料表面涂抹这种防护材料不仅可以防止工程材料的破损，还能增加工程材料的防护功能。随着现代工业技术的发展，复合涂层材料得到了显著发展，单一纳米结构逐渐转变为多层纳米结构。美国著名纳米工程材料研究专家普修斯于2012年成功研制出了复合涂层纳米材料，这类纳米材料的抗氧化性能非常好，可以在高温条件下保持不褪色、不热化。对其材料进行强度检测可发现，该材料的涂层硬度高达20.SGpa，是碳钢强度的35倍。具体工艺流程如下：首先，用激光蒸发法去除钢表面的纳米结构，将金刚石纳米粒子涂抹在钢表面；之后，重复上述工艺步骤，在钢表面上涂抹两层金刚石纳米粒子；最后，在高温条件下对钢表面材料进行挤压复合。经过多次挤压，纳米复合涂层材料就此形成，经过加工，钢材料的硬度提高了23.4倍。2.2高力学性能材料高力学性能是突出材料的强度、硬度等物理性能，工程材料经过力学改性之后，其物理性质会发生翻天覆地的变化。对原始材料进行改性实验虽然在一定程度可以提高材料的某些力学性能，但这种性能的提升具有很强的局限性，并不能真实的体现出材料的力学极限。经过纳米复合材料改性，高力学性能材料得到了非常显著的研究成果。高力学性能材料发展趋势，主要表现在以下几个方面：（1）高强度合金。采用晶化法可以大大提升纳米复合合金材料的力学性能，对金属进行纳米复合实验，可以将材料转变成复合型纳米金属，如将铝进行纳米复合实验，铝会转化为过度族金属，这种金属结构的延展性和强度非常高。（2）陶瓷增韧。纳米粒径很小，所以纳米粒子很容易就可渗透到细小分子结构中，粘合关联性并不紧密的各分子基团。在陶瓷增韧领域纳米复合材料起到了很好的促进作用，在碳化硅粉末中加入粒径为10μm的碳化硅粗粉，在高温高压条件下进行合成，合成之后碳化硅的物理性质会发生很大的改变，煅烧后的陶瓷材料的柔韧性明显增强了，断裂韧性提高了34.23%。2.3高分子基纳米复合材料高分子材料近几年在我国工业领域应用十分广泛，高分子材料的物理性能稳定且可塑性好，所以在装饰行业中的发展前景非常广阔。采用纳米复合方式结合高分子基是我国纳米工程材料正在研究探讨的重要课题，目前我国科研专家已初步完成了部分高分子基纳米复合材料的研制工作。具体表现在：将铁和铜粉末按照4:5的比例进行研磨，研磨均匀后用高粒子显微仪器提取铁铜合金粉体，通过显微镜观察可知这种粉体的晶体结构稳定，晶粒间的距离很短。这种粉体和环氧树脂基团进行复合实验可以研制出高强度的金刚石材料，并且其材料还具有很强的静电屏蔽性能。2.4磁性材料磁性材料是我国工业材料中研究难度最大的课题之一，因为磁性材料的电磁环境不好判断，所以在应用时经常会遇到复合材料因磁性过大导致使用。随着纳米复合材料的研发和投入使用，磁性材料将进入全新的发展阶段。人们在颗粒膜中发现了巨磁阻效应，纳米粒子在空间流动会被周围磁场带入顺磁基体当中，空间中的铜、铁、镍等磁性粒子都会附着在纳米粒子上。经过金属粒子和纳米粒子的复合，颗粒膜材料不仅会拥有强大的电磁感应，还会具有较高的耐热性能。2.5光学材料传统光学材料的综合应用能力很差，其材料的物理性能大多只能满足导电性和导热性，其硬度和稳定性都很差。纳米复合材料诞生之后，人们逐渐找到了纳米粒子的发光原理。不发光的工程材料当减小到纳米粒子大小时，其粒子周围会因光色折射产生一定的光。在可见光范围内这些粒子会不断产生新的光，虽然这些材料的纳米粒子发出的光并不明显，且稳定度也很差，但是科研专家可以从这方面入手，研究纳米复合材料的发光性能。将具有代表性的工程材料作为可发光体，并对其分子结构转化为纳米粒子大小的发光体系，探讨如何提高其发光强度、完善其结构发光性能。由此可见，纳米复合很可能为开拓新型发光材料提供了一个途径。纳米材料的光吸收和微波吸收的特性也是未来光吸收材料和微波吸收材料设计的一个重要依据。
3结语
[关键词]石墨烯复合材料下游市场
中图分类号：TH文献标识码：A文章编号：1009-914X（2016）15-0219-02
1引言
自2004年曼彻斯特大学Geim等成功制备出石墨烯以来，因其独特的结构和性能如：透光率达97.7%、导热系数高达5300W/m・K、常温下其电子迁移率超过15000cm2/V・s、电阻率约10-6Ω・cm，，有可能取代硅而成为下一代半导体信息工业的基础材料[1]。石墨烯产业是我国少数几个与世界发达国家步调一致的产业，在某些领域甚至走在世界前列。石墨烯被视为工业味精，也被誉为万能材料，在导电、导热、防腐、电磁屏蔽与吸波、力学增强等领域都具有非常大的应用前景[2]。
2014年9月，曼彻斯特大学建设了“石墨烯工程创新中心”，加速了石墨烯产品走向市场的进程[3，4]。石墨烯是开启未来的产业，是我国新材料产业的发展契机，将促进我国传统产业升级，抢占制造业新一轮竞争的制高点，在5年至10年内实现产业规模突破1000亿元的飞跃式发展。
2石墨烯复合材料
复合材料（Compositematerials），是以一种材料为基体（Matrix），另一种材料为增强体（Reinforcement）组合而成的材料。石墨烯由于自身在力、电、热、光、磁等方面的存在的优异性能，与传统材料进行复合后产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。比如，石墨烯加入到金属基体中可以合成质轻、高强度、高模量的金属基复合材料；加入到导电橡胶、导电塑料、导热塑料等功能高分子复合材料，还可以显著改善复合材料的机械性能；加入到陶瓷基中，可增强其韧性。随着复合材料加工技术以及石墨烯制备方法的发展石墨烯/金属复合材料的研究日益广泛[5-8]。
3分类
目前按照基体的不同，复合材料主要分为以下几类：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。石墨烯由于其独特的结构和性能，在改善聚合物的热性能、力学性能和电性能等方面具有相当大的应用价值，应用领域包括但不局限于导电导热、防腐、吸波、力学增强等方面。
（1）石墨烯导电复合材料
石墨烯最显著的特点之一就是其优异的导电性能，其电导率可达106S/m，远超过目前己知载流子迁移率最大的半导体材料锑化铟，但面电阻仅为30Ω/m2左右，性能超过已知最好的导体银或铜（如图1、图2所示）。同其他类型的导电填料相比，独特的二维片层结构使石墨烯具有更大的接触面积，因此在复合材料中更容易形成导电通路，能大幅度降低导电填料的添加量[9]。
自2006年，Ruoff教授的课题组首次报道了聚苯乙烯/石墨烯导电复合物的制备，便开启了石墨烯导电复合材料研发的序幕。而石墨烯优良的导电性使其能够增强复合材料的电学性能，主要应用领域涉及导电塑料、导电橡胶、导电油墨、防腐涂料、石墨烯透明导电薄膜等方面。
（a）石墨烯导电橡胶复合材料
橡胶类可拉伸导体是制备柔性电子器件的重要材料之一，而石墨烯由于具有较高的电导率、径厚比以及较大的表面积，使得石墨烯/橡胶复合材料达到相同电导率所需的填料浓度比其他碳填料低。
（b）石墨烯导电塑料复合材料
导电塑料的应用十分广泛，涉及电子、集成电路包装、电磁波屏蔽等领域。而石墨烯由于具有较高的电导率、径厚比以及较大的表面积，使得石墨烯/导电塑料复合材料能够拥有更高的导电率及更少的填料添加量。这对提高导电塑料综合性能及降低行业成本提供了无可比拟的优势。
（c）石墨烯导电油墨
石墨烯导电油墨可以应用于印刷线路板、射频识别、显示设备、电极传感器等方面，在有机太阳能电池、印刷电池和超级电容器等领域具有很大的应用潜力。因此石墨烯油墨有望在射频标签、智能包装、薄膜开关、导电线路以及传感器等下一代轻薄、柔性电子产品中得到广泛应用，市场前景巨大。与现有的纳米金属、（如纳米银粉、纳米铜粉等）导电油墨相比，石墨烯油墨还具有巨大的成本优势。
（2）石墨烯导热复合材料
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新型碳纳米材料，厚度仅为0.35nm。石墨烯自身导热系数达到5300W/mK，是室温下导热最好的材料，不仅比过去常用导热材料银、铜高出不少，甚至超过碳纳米管、石墨碳素材料（如图3所示）。而且它是由sp杂化碳原子紧密排列形成，具有独特的二维周期蜂窝状点阵结构，其结构单元中所存在的稳定碳六元环赋予其优异的热性能，被认为是优秀的热控材料有望成为划时代的散热材料[10]。
（3）石墨烯防腐涂料
石墨烯材料除了在防腐涂料方面有着可观的应用前景，其在导电涂料、防污涂料、智能自修复涂料、抑菌涂料、风电涂料等领域也同样有着巨大的研究价值，研究工作正如火如荼地进行着，未来石墨烯材料势必会在涂料行业发挥极大作用，推动高性能多功能涂料快速健康发展。
（4）石墨烯电磁屏蔽与吸波材料
在碳系材料中，对碳黑、石墨、碳纤维、碳纳米管等的电磁屏蔽与吸收已有相当广泛的研究与应用。作为一种新型碳材料，石墨烯比碳纳米管更有可能成为一种新型有效的电磁屏蔽或微波吸收材料[11]。
纳米吸波材料是指由纳米材料组成的吸波材料。材料的成分尺寸在1～100nm之间的吸波材料，主要由“颗粒组元”和“界面组元”组成。在微波辐射下，纳米粒子通过高速运动使电磁能转化为热能从而吸收衰减电磁波[12]。
目前石墨烯在电磁屏蔽及吸波材料中的应用研究可以分为两大类：一是石墨烯/金属复合材料、二是石墨烯/聚合物复合材料。
（a）石墨烯/金属复合材料
石墨烯/金属复合材料是石墨烯研究的热点之一，主要包括水/溶剂热法和共沉淀法2种制备方法。
Zong等通过水热法制备了RGO/CoFe2O4复合材料，避免了化学还原剂的使用，制备工艺和性能检测，在12.4GHz、2.3mm厚度处最大反射损失-47.9dB，有效频宽（低于-10dB）为5GH（z从12.4～17.4GHz），同时具有磁损耗和电损耗，吸波性能得到了良好的提升[13]。
（b）石墨烯/聚合物复合材料
由于石墨烯具有优异的物理性能，且制备成本比富勒烯（C60）及碳纳米管低很多，向聚合物基体中引入石墨烯制备纳米复合材料可显著改善材料的综合性能，因此，这种新型纳米材料已成为当今电磁屏蔽研究的热点。
作为新型吸波剂的石墨烯材料会成为未来应用研究的重点，为我国新型的军事隐形材料起到推动作用，同时一也会在人体及医疗设备的电磁辐射防护等民用方面发挥更大作用。
（5）石墨烯/金属增强复合材料
在金属基体中引入均匀弥散的纳米级增强体粒子，所得到的金属基复合材料往往可以具有更理想的力学性能及导电、导热、耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性能。石墨烯具备优异的力学性能、热学性能和电学性能，是制备金属基纳米复合材料最为理想的增强体之一。
（a）石墨烯增强铝基复合材料
铝合金具有低密度、高强度和良好的延展性，在航空航天等领域得到了广泛应用。作为结构材料，其强度的提高一直是一项重点课题。而石墨烯纳米片具有高的强度、大的比表面积，将其添加到铝合金中形成石墨烯增强铝基复合材料是提高铝合金强度难题的很有前途的解决方法。
（b）石墨烯增强镍基复合材料
镍基复合材料的增强体主要包括SiC、Al2O3、C、B等的长纤维、短纤维、晶须和颗粒，增强相能够起到弥补基体材料缺陷的作用，比如提高镍基复合材料的耐磨性、蠕变稳定性、高温性能等。将石墨烯的高强度、高比模量等特性和镍的耐高温、高强度结合有望制备得到性能优异的新材料。
（c）石墨烯增强铜基复合材料
目前颗粒增强铜基复合材料中研究最多的增强体是氧化铝、碳化硅和碳纳米管，而石墨烯作为增强相的研究相对较少，如何实现石墨烯在铜基体中的均匀分散和两相界面的良好结合是研究的重点。
4展望
社会经济的良性发展需要传统产业转型升级、构建竞争新优势的重要支撑。石墨烯作为目前世界上最薄、最坚硬的纳米材料，集透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等优异性能于一身，是主导未来高科技竞争的超级材料，可极大地推动相关产业快速发展和升级换代，具有广阔的市场前景。
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