石墨烯医学应用（三）
石墨烯是由碳原子构成的只有单层原子厚度的二维晶体，具有特殊的光学、电学、热学、力学、磁学等优异性能。石墨烯具有优异的光学、电学、力学等特性，在生物医药、材料学等领域具有重要的应用前景。在这一期，我们以“石墨烯医学应用”为题，专门收集了2020年以来有这关方面的科技文献与资料并汇集成汇编提供给大家，希望对“石墨烯医学应用”方面有兴趣的朋友和有意愿开发此类技术的朋友起到借鉴与参考作用。由于近几年这方面的文献资料较多，我们将其分四部分提供给大家。这是第三部分。
石墨烯医学应用（三）
28、石墨烯场效应晶体管生物传感器超灵敏检测肝癌细胞释放的微囊泡
【作者】吴丁
【机构】湖北中医药大学
【文献出处】《湖北中医药大学》 - 2020硕士论文
【摘要】微囊泡(MVs)是从细胞表面以出芽的方式脱落到细胞外环境中的异质膜结合性纳米囊泡(100-1000 nm),目前已被广泛认为是各种癌症早期诊断非常有应用前景的“生物指纹”。整个MVs群体的定量检测有助于我们从一个全新的角度深度理解细胞内和细胞间的通讯过程(包括转运,分泌和受体介导的信号转导等)。同时,通过分析MVs的总体水平,可以进一步阐释MVs形成和清除的潜在调节机制,因而可以帮助我们更加深入地理解和挖掘各种MVs浓度异常疾病的发病机理。癌细胞来源MVs的高性能检测则在癌症的早期诊断中起着至关重要的作用。然而,由于MVs独特的理化特性,目前MVs的高性能检测在技术上仍然具有挑战性。传统的MVs检测方法如纳米颗粒跟踪分析(NTA)和酶联免疫吸附试验(ELISA)等往往具有检测灵敏度低、样品和试剂消耗量大、检测时间长等缺点,因而并不能满足实际临床应用的需求。随着现代纳米技术的迅速发展,还原氧化石墨烯(RGO)场效应晶体管生物传感器(FET)因其免标记检测、灵敏度高、特异性好、分析速度快、样品和试剂消耗低、测试成本低、易于小型化和集成化等优点而在各种生物传感器平台中脱颖而出。据报道,RGO-FET生物传感器可用于各种生物分子的高灵敏度检测,如核酸、蛋白质、神经递质、病毒、细菌及其代谢产物、抗生素和气体分子等。然而,目前尚无使用RGO-FET生物传感器检测MVs的报道。因而,RGO-FET非常有希望成为检测MVs的有力工具,在未来的临床应用中也有广阔的应用前景。基于以上现状和挑战,本论文中构建了两种功能化的RGO-FET生物传感器并将其分别用于MVs总体水平的高灵敏检测以及肝癌细胞来源MVs(HepG2-MVs)的高灵敏度、高特异性、免标记检测,具体开展的工作如下:第一部分基于膜生物素化策略的RGO-FET生物传感器用于MVs的超灵敏检测本章中我们成功构建了一种链霉亲和素(SA)功能化的RGO-FET生物传感器并基于生物素化策略将其应用于MVs总体水平的高灵敏度检测。该传感器平台以RGO作为传感纳米材料,在以传统的标准半导体技术制备得到FET芯片后,以滴涂的方式将RGO固定到沟道中即可得到RGO-FET生物传感器。由于MVs表面缺乏公认的通用蛋白标志物,首先对其进行生物素化处理(培养细胞时加入生物素化磷脂衍生物并对细胞培养上清液进行离心即可得到生物素化MVs,B-MVs)。为了利用RGO-FET生物传感器实现对B-MVs的检测,对其进行表面功能化,即通过化学连接剂的作用,将SA修饰到芯片的表面。由于B-MVs上的生物素与SA可以发生特异性结合,因而B-MVs可以被特异性地捕获到芯片表面。B-MVs带负电,RGO-FET为p型器件,因而当B-MVs结合到芯片表面时,可以对RGO产生n型掺杂,进而引起电信号的改变(转移特性曲线中狄拉克点的变化)。该平台可以实现10~5 particles/mL至10~9 particles/mL浓度范围内的B-MVs检测,检测限低至20 particles/μL。此外,该平台具有良好的特异性,可以避免其他非特异性物质对检测产生的干扰。该平台还具有良好的通用性(可以实现对多种细胞来源的B-MVs的检测)和抗干扰能力(可以实现血清中B-MVs的检测)。以上所有结果表明,该SA功能化的RGO-FET生物传感器为生物医学研究中MVs总体水平的分析提供了一种全新的、可靠的检测策略和检测平台。第二部分双适配体功能化的RGO-FET生物传感器用于免标记、特异性检测HepG2细胞来源的MVs本章研究旨在构建双适配体功能化的RGO-FET生物传感器,从而实现对肝癌细胞衍生MVs(HepG2-MVs)的高特异性、高灵敏度检测。首先,用差速离心的方法从HepG2细胞培养上清液中分离纯化HepG2-MVs。为了实现在RGO-FET生物传感器平台上对HepG2-MVs的高灵敏度检测,在制备得到RGO-FET生物传感器后,利用化学还原反应在RGO表面原位沉积AuNPs。随后,利用Au-S键将TLS11a和EpCAM适配体同时修饰到沉积有AuNPs的芯片表面,最终实现了双适配体功能化的RGO-FET生物传感器(AAP-GFET)的构建。HepG2-MVs带负电荷,RGO-FET为p型器件,因而当HepG2-MVs被修饰到芯片表面的适配体探针所特异性捕获时,HepG2-MVs表面的负电荷则可以对RGO产生n型掺杂,从而引起电学信号的变化(转移特性曲线中狄拉克点的变化)。该AAP-GFET生物传感器可实现对PBS中HepG2-MVs的高灵敏度检测,检测限低至84 particles/μL。该AAP-GFET生物传感器还表现出良好的特异性,可有效避免肝癌相关血清蛋白和其他细胞来源MVs的干扰。此外,基于双适配体的生物传感界面大大增强了生物传感信号,有效地提升了传感器的检测灵敏度。最终,将AAP-GFET生物传感器应用于实际临床血液样品中HepG2-MVs的检测,我们成功将肝细胞癌(HCC)患者与健康人区分开来。以上所有结果表明,该双适配体功能化的RGO-FET生物传感器平台有望成为HCC早期诊断的有力工具。
29、应用石墨烯改良PLCL/Gel纳米纱支架材料的可行性分析
【作者】艾雪峰，王伟，朱晶晶，颜冰倩，宫艺其，谭瑶，王会景，徐徐，付炜，莫秀梅
【机构】上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心心胸外科 东华大学化学化工与生物工程学院生物材料与组织工程实验室 上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心转化医学研究所
【文献出处】《组织工程与重建外科杂志》2020年 第2期
【摘要】目的 探索应用石墨烯(Gr)改良聚-L-丙交酯-己内酯/明胶(PLCL/Gel)纳米纱支架材料的可行性.方法 采用自制的静电纺丝装置分别制备PLCL-Gel和Gr-PLCL-Gel水纺纳米纱支架材料.使用体视显微镜,扫描电子显微镜观察支架材料形态结构;通过拉伸试验观察该材料机械强度;采用CCK-8实验评价支架生物相容性,并将支架植入大鼠皮下,观察细胞浸润情况.结果 拉伸试验显示,加入石墨烯可明显提高支架的力学性能.两组支架都无明显细胞毒性,在体内外实验中均表现出良好的生物相容性,体内实验表明石墨烯在一定程度上减轻了炎症反应.结论 应用石墨烯改良PLCL/Gel纳米纱支架材料,可以获得具有合适力学性能,亲水性,生物相容性的纳米纱支架材料,在组织工程皮肤等方面具有应用潜能.
30、有机功能化石墨烯的制备及其应用
【机构】蚌埠学院应用化学与环境工程
【文献出处】宜春学院学报
【摘要】石墨烯是一种新型的二维平面纳米材料,其所具有的单原子层结构使它拥有许多新奇的特性,从2004年被发现以来,引起了科学界的高度重视,目前已成为了材料学,物理学,化学等学科领域的研究热点.然而由于石墨烯易于团聚堆积成石墨,不能均匀的分散在基体中,这很大程度上限制了它的应用.为了将石墨烯与其它物质有效复合,充分发挥其在电子学,生物医学,催化,传感器,储能等领域的优良特性,对其进行功能化改性是有效的方法之一.着重介绍了石墨烯有机功能化制备方法及其应用的最新研究进展,并对石墨烯的功能化发展方向进行了展望.
31、应用于DNA分子电检测的碳纳米管和石墨烯薄膜谐振器件研究
【作者】王暾
【机构】厦门大学
【文献出处】《厦门大学》博士论文
【摘要】脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid,DNA）是引导生物体生长发育及生命机能运作的重要生物大分子,是大多数生物体的遗传物质。单链DNA分子的杂交检测在临床医学上对于疾病诊断、基因检测和环境中生物试剂检测有重要意义。目前,以光学检测、电学检测和电化学检测为主的无标记检测DNA分子的方法因为比有标记检测更方便快速而受到广泛研究。其中,电学检测方式简单,成本较低,是当前一种比较普遍的测试方法。碳纳米材料中的碳纳米管（carbon nanotube,CNT）和石墨烯（graphene）表现出极佳的电学、机械性能,是用于制作微型谐振器的绝佳材料。它们独特的原子结构能与生物分子结合,非常适用于生物传感。以此为基础制作的场效应晶体管被用来检测DNA的杂交。然而该方法存在测试装置的复杂性,实验无法进行有效重复性的问题。基于此,本文将微型谐振器和生物传感结合起来,探索研究制作碳纳米管和石墨烯微型谐振器并将其用于探测单链DNA分子溶液浓度。传统的微型谐振器件都是硅基样片,其半导体材料属性使得硅器件存在较大的寄生电容,在高频（～MHz）领域会引起较大的损耗,干扰测试精度。本文提出用玻璃基片并结合自对准光刻工艺制造微型谐振器取代传统的硅基样片,之后测试了用玻璃基片制作的器件的寄生电容,作为对比,我们同时测试了同样条件下的硅基片制作的器件的寄生电容。测试结果表明,自对准工艺制作的器件寄生电容为50fF,而同样工艺制作的硅基器件寄生电容却达到2 pF。采用介电泳的方法将碳纳米管有序地组装到器件上,形成两端固定、中间悬空的碳纳米管薄膜。为了验证其电学性能,用半导体参数测试仪测试了器件的类晶体管特性,获得了输出特性曲线和转移特性曲线。接着搭接检测DNA浓度的测试系统,利用矢量网络分析仪和前置放大器等仪器测量传输系数S21,以此来实时检测滴加在器件中的单壁碳纳米管薄膜上的单链DNA溶液浓度,并取传输系数S21峰值对应的频率为谐振频率。首次与单壁碳纳米管薄膜结合的探针单链DNA分子浓度会影响谐振频率,出现所谓的频率红移。随着探针单链DNA溶液浓度的增大,谐振频率偏移量逐渐增大。经过探针单链DNA分子饱和处理的碳纳米管薄膜谐振器再次测量与之互补配对的单链DNA分子时,显示了与之前相反的现象,谐振频率出现了所谓的蓝移。随着互补配对的单链DNA溶液浓度的增大,谐振频率的偏移量也逐渐增大。实时检测时间一般在60分钟之内,而且可以获得的DNA浓度测试极限为5 nMol/L。实际应用中碳纳米管束和碳纳米管薄膜的导电性受其纯度和方向所限,而石墨烯作为二维材料,可在一定程度上弥补了碳纳米管的不足。碳纳米管因其手性角的限制而分为半导体型和金属型,从而影响了碳纳米管自身的电学性能,而目前的分离技术很难获得高纯度的单一类型的碳纳米管。另外,碳纳米管的极好导电性体现在沿着管的方向,而实际上器件中的碳纳米管薄膜很难实现高度的方向一致性。这些都限制了碳纳米管器件的测试性能。石墨烯是由单层碳原子组成的具有蜂窝状的六边形结构,也和碳纳米管一样表现出极强的导电能力和机械性能。石墨烯在水中的分散性差,易出现团聚现象,而且很难通过介电泳的方式组装在器件上,因此我们用介电泳的方法将氧化石墨烯组装在器件上作为替代方案,形成双端固定、中间悬空的薄膜。在低温（～200℃）的管式炉中,用氢气将器件上的氧化石墨烯薄膜进行原位还原。用扫描电子显微镜和原子力显微镜表征石墨烯的形貌,并用X光衍射仪和拉曼光谱仪表征还原前后的氧化石墨烯。此外,测试了还原后的石墨烯薄膜的电学特性,发现在200℃的条件下,器件上的氧化石墨烯薄膜的还原效果最佳。用同样的测试系统来检测基于石墨烯薄膜的微型谐振器对DNA分子的检测能力。探针单链DNA分子与石墨烯表面的结合会让传输系数S21与扫描频率的关系曲线出现整体左移,浓度从5μMol/L下降到5nMol/L时,中心峰值对应的谐振频率红移量从120 kHz变到0。而经探针DNA分子饱和处理的石墨烯器件测量另一互补配对单链DNA分子浓度时,传输系数S21与扫描频率的关系曲线则是整体右移。互补单链DNA分子浓度为50 nMol/L时,中心峰值对应的谐振频率蓝移量为10 kHz。最终将碳纳米管薄膜器件和石墨烯薄膜器件的测试结果进行对比,碳纳米管薄膜器件的测试精度较高,但器件重复性较差,而石墨烯薄膜谐振器件则正好相反。这很可能与器件的制备方法和材料的自身性能有关。总的来说,本文探究了一种利用微型薄膜谐振器来实时快速检测单链DNA分子浓度的实用方法,这为以后实现实时原位检测其他生物分子做出一定的贡献。
32、基于金属纳米粒子和氧化石墨烯的蛋壳膜光热性能研究
【作者】王玲
【机构】武汉纺织大学
【文献出处】《武汉纺织大学》2020硕士论文
【摘要】随着地球上人口的日益增加和不可再生资源的不断消耗,对可再生资源的挖掘利用引起了科研工作者的广泛关注。可再生资源大多数均来源于太阳能,因此发展太阳能高效利用技术具有重要的意义。光热转换是对太阳能高效利用的一种有效手段,具有光热效应的材料可将太阳能转化为热能,从而实现太阳能的收集与利用。在光热转化材料中,金属纳米粒子和氧化石墨烯具有显著的光热性质。贵金属纳米粒子具有特殊的光学性质-局域表面等离子体共振(LSPR)。该种LSPR效应受金属纳米粒子形状、尺寸和周围介质等因素影响。并且不同组成成分的贵金属纳米粒子也表现出不同的LSPR共振模式,进而展现出对不同波段的光吸收。在光热转换应用中最常见的就贵金属纳米粒子是金和银纳米粒子。二维材料如氧化石墨烯不仅具有较好的导热效率,同时还具有很高的光热转化效率,也被用于太阳光照射下的水分蒸发的光热转化膜的制备与应用。将金银纳米粒子和氧化石墨烯负载于一定的载体上能够获得具有增强光热转化性能的复合材料,并可其实际应用范围。蛋壳膜作为一种废弃的天然生物质材料,因其独特的三维纤维网状膜结构可以用作纳米粒子的载体。本论文旨在具有三维纳米纤维网络结构的蛋壳膜上复合具有光热转化性质的金银纳米粒子和氧化石墨烯纳米片,构建具有增强光热效应的复合生物膜;研究二种纳米粒子在蛋壳膜上的复合组装方式,考察金银纳米粒子与氧化石墨烯的协同光热转化效应,为以蛋壳膜为载体的功能性复合生物膜在光热药物释放等领域的潜在利用奠定基础。论文主要包括以下两个方面:1.太阳光驱动下负载金纳米粒子和氧化石墨烯复合蛋壳膜的光热性能研究。通过“浸渍-干燥”法将氧化石墨烯纳米片负载于蛋壳膜表面。利用蛋壳膜的还原性质,采用水浴加热的方法在蛋壳膜上原位生成金纳米粒子。通过氧化石墨烯的负载以及金纳米粒子的原位合成这两个处理过程即可获得金纳米粒子/氧化石墨烯/蛋壳膜复合物。对复合生物膜的形貌与化学结构进行表征分析。进一步考察了复合生物膜的光热性质,系统分析了不同样品的表面温度随光照时间的变化情况,并对不同复合生物膜的光热区域进行了详细地分析。结果表明相比于单一纳米粒子改性的蛋壳膜,金纳米粒子/氧化石墨烯/蛋壳膜复合结构具有明显的增强光热转化效应。2.太阳光驱动下负载银纳米粒子和氧化石墨烯的复合蛋壳膜的光热性能研究。首先,以硝酸银为前驱体通过光诱导合成制备具有特定LSPR性质的三角形银纳米粒子。采用自组装的方法将合成的三角形银纳米粒子组装至蛋壳膜上,随后通过“浸渍-干燥”法将氧化石墨烯纳米片与组装有银纳米粒子的蛋壳膜表面,制备了银纳米粒子/石墨烯/蛋壳膜复合物。表征分析了不同的蛋壳膜样品的光学特性,表面形貌以及化学组成。不同于金纳米粒子,三角形银纳米粒子LSPR性质赋予样品独特的光吸收特征。详细考察了不同蛋壳膜样品的光热性能。结果表明银纳米粒子/石墨烯/蛋壳膜复合膜具有增强的光热转化性能。本论文中所制备的光热转换复合材料可能在生物医学的光热治疗领域有很大的应用前景。
33、氧化石墨烯集成特种光纤光栅LSPR探针生物传感器研究
【作者】王亚杰
【机构】重庆理工大学
【文献出处】《重庆理工大学》2020硕士论文
【摘要】近年来,基于光纤光栅的局域表面等离子体共振效应(LSPR)的传感器在生物医学、生物化学等领域得到了广泛的研究与应用。极大倾角光纤光栅(ExTFG)相较于传统的布拉格光栅(FBG)和长周期光栅(LPFG)具有极低的温度交叉敏感效应,因此在对稳定性要求极高的生物免疫反应检测/监测领域更具优势。新型二维纳米材料氧化石墨烯(GO)由于具有丰富的含氧官能团、大比表面积等特点,将其引入生物传感器的表面,可提高生物功能化的修饰效果,进而提升生物传感器的检测性能。但目前关于GO集成ExTFG生物传感器的相关报道较少,且传感器多为透射式,不利于实现原位检测。本文以ExTFG为平台制作GO修饰的LSPR探针式生物传感器,用于对肝癌标志物——细胞程序性死亡-配体1(PD-L1)分子的检测,主要研究内容有:(1)详细阐述ExTFG的耦合模理论,并根据ExTFG的相位匹配条件及模式耦合原理,做光谱响应特征分析。对LSPR增强ExTFG传感性能的机理进行理论分析,为后续实验奠定理论基础。(2)制作GO集成的ExTFG-LSPR生物传感器,对PD-L1抗原分子进行检测,并在人血清环境下测定和分析传感器的特异性与临床性。首先将大尺寸金纳米壳(AuNS)修饰到ExTFG表面制作成ExTFG-LSPR传感器,再以GO作为功能化材料沉积于传感器表面,并以PD-L1单克隆抗体作为目标生物分子识别单元,增强传感器特异性。其中各修饰步骤都是通过共价结合方式,使传感器拥有更高的稳定性。在场致发射型扫描电镜(FESEM)下对光纤的表面修饰及功能化的有效性进行鉴定并作能谱分析。对不同浓度的PD-L1进行检测,分析传感特性,结果表明,GO集成的ExTFG-LSPR免疫传感器对PD-L1的检测范围为0.038-38.46pM,在0-1.92pM的低浓度区保持着良好的线性度(R~2=0.927),灵敏度达~0.114nm/pM,检测极限(LOD)为~0.076pM,对PD-L1的吸附规律遵循Langmuir模型,解离系数为~2.801×10~(-12)M。最后,使用氢氟酸(HF)溶液轻微腐蚀栅区,用相同的修饰方法重新制作GO集成的ExTFG-LSPR生物传感器,分别对四组健康人血清与肝癌患者血清进行检测,结果表明该免疫传感器在健康人血清中谐振波长变化很小,而在肝癌患者血清中谐振波长红移~0.42nm,证明其具有良好的特异性及临床应用的潜在能力。(3)实现GO集成的ExTFG-LSPR生物传感器的探针结构,并对PD-L1进行检测,对结果进行计算与分析。首先针对ExTFG探针结构传感器进行设计及搭建实验系统,可实时观察、采集数据。使用还原法在探针端面镀银,增加反射率,并使用毛细玻璃管对端面进行封装,增强传感器的稳定性。使用与第三章相同的表面修饰和生物功能化方法修饰传感器,并对PD-L1进行检测。结果表明,探针式GO集成ExTFG-LSPR生物传感器对PD-L1的检测范围为0.038-38.46pM,在0-1.92pM的低浓度区域保持着良好的线性度(R~2=0.91),解离系数为~2.825×10~(-12)M,与透射式传感器基本相同。由于探针式传感器存在二次耦合,其在低浓度线性区的检测灵敏度~0.127nm/pM,提高了~11.4%,检测极限~0.071pM,相比透射式传感器均得到了进一步改善。