【摘要】從石器時(shí)代走到如今的新材料時(shí)代，材料史的發(fā)展反映了人類文明進(jìn)程。作為納米碳分子材料的碳納米管，由于具有較大的比表面積、良好的生物相容性和細(xì)胞穿透性等，成為近年的研究熱點(diǎn)。本文將簡(jiǎn)述碳納米管的性質(zhì)、以及它在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)該材料提出展望。

【關(guān)鍵詞】生物相容性；細(xì)胞穿透性；骨組織工程；吸波材料

一、引言

碳納米管是晶形碳的同素異形體之一，屬于富勒烯的一種。人們可通過電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)它的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是由石墨烯層卷起來的圓筒狀，屬于納米尺度的材料。碳納米管不僅具備納米材料普遍具有的小尺寸效應(yīng)、表面及界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等，還擁有良好的生物相容性、細(xì)胞穿透性、良好的力學(xué)性能與電學(xué)性能，應(yīng)用前景十分廣闊。

二、碳納米管的發(fā)現(xiàn)及結(jié)構(gòu)

上世紀(jì)九十年代初，日本的NEC公司基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室的高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀分子時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子，就是碳納米管?？梢愿鶕?jù)筒形的石墨層的數(shù)目將碳納米管分為單壁和多壁的碳納米管。單壁管具有很好的對(duì)稱性，是由單層碳原子繞合而成的，多壁的碳納米管像同軸電纜一樣，由一層一層的碳原子繞成。

碳納米管是一種由碳原子sp2雜化形成的石墨烯片層卷成的無縫的中空管狀體，其力學(xué)性能很好，屬于輕質(zhì)材料。碳納米管的管身不是完全均勻平直的，由于碳六邊形的網(wǎng)絡(luò)中夾雜著不同數(shù)目的碳的五邊形與七邊形，使碳納米管也有分叉、彎曲等非均勻的形態(tài)。由于其獨(dú)特的性能，一直以來各國(guó)對(duì)碳納米管的研究進(jìn)程一直沒有停下腳步。

三、碳納米管的應(yīng)用

（一）納米碳管在骨組織工程的應(yīng)用

骨組織工程要求材料具有良好生物相容性，要有利于細(xì)胞的粘附，無毒，還不能引起炎癥反應(yīng)，要安全的用于人體。其重要因素是要有足夠的種子細(xì)胞、合適的支架材料、刺激骨分化形成的調(diào)控因子和充足的血液供應(yīng)。因此良好的支架材料顯得非常重要，它要具有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性，有促進(jìn)骨細(xì)胞增殖的能力，還要具備可塑性和一定的機(jī)械強(qiáng)度；當(dāng)然，該材料還要易于獲取、消毒、儲(chǔ)存和運(yùn)輸。

羥基磷灰石材料在生理環(huán)境下性質(zhì)很穩(wěn)定，它屬于骨骼的天然成分，因此可被當(dāng)作修復(fù)骨損傷的材料。但是其最大的缺點(diǎn)是力學(xué)性能差，強(qiáng)度低，韌性差，承載性差，難以用于人體中的承重材料。碳納米管的力學(xué)性能很好，可以與多種材料復(fù)合，改善材料的缺陷。為骨細(xì)胞的粘附、生長(zhǎng)提供了良好的支撐作用。因此將碳納米管和羥基磷灰石制成復(fù)合材料，可在保持生物相容性的同時(shí)，提高其力學(xué)性能。

有研究人員將碳納米管與羥基磷灰石復(fù)合材料置入兔子右側(cè)脛骨的缺損處，并進(jìn)行隨后分析發(fā)現(xiàn)，在該手術(shù)后的幾周內(nèi)傷口損傷處愈合很好。由于該納米材料特殊的結(jié)構(gòu)，為骨細(xì)胞的生長(zhǎng)提供了條件。該材料在促進(jìn)細(xì)胞組織的再生修復(fù)的同時(shí)，而且也抑制了一些對(duì)植入體內(nèi)的材料產(chǎn)生不利影響的纖維組織的生成，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)該復(fù)合材料生物相容性良好。

（二）碳納米管/鎳鐵氧體復(fù)合材料在染料廢水的應(yīng)用

隨著生活水平的提高，服飾染料領(lǐng)域產(chǎn)生出大量染料廢水，由于染料廢水中有機(jī)物含量高，且難以降解，給水體環(huán)境和土壤都帶來了嚴(yán)重污染。對(duì)此的處理方法很多，但很多都效果不良。由于碳納米管特殊的管狀空隙結(jié)構(gòu)，大的比表面積和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，使它在該領(lǐng)域令人矚目。這不是說碳納米管沒有缺陷，由于它密度太小，難以沉降等特點(diǎn)，造成它難以回收的問題，因此人們想到用鎳鐵氧體包裹碳納米管組成復(fù)合材料，來改善它的性能。鎳鐵氧體具有磁性，不僅可以解決碳納米管由于密度輕，難以沉降回收的問題，并且可以使其具有很強(qiáng)的吸附性。

四、碳納米管的展望

二十一世紀(jì)的納米科技仍在闊步發(fā)展前行，納米制備技術(shù)也在日趨完善，納米科學(xué)成為備受青睞的新興學(xué)科之一。碳納米管作為納米材料中不可或缺的一份子，被應(yīng)用于食品安全、國(guó)防軍事、生物醫(yī)學(xué)、染料涂料、污水處理等諸多不同的領(lǐng)域。為了我國(guó)在該領(lǐng)域有長(zhǎng)久的成果與實(shí)踐，可以將優(yōu)質(zhì)的高校及研究所與工業(yè)化的生產(chǎn)制備結(jié)合起來，并打通不同行業(yè)領(lǐng)域之間的壁壘，使得碳納米管乃至整個(gè)納米材料范圍有著廣闊堅(jiān)固的發(fā)展鏈：科學(xué)研究——生產(chǎn)制備——實(shí)踐應(yīng)用。在此，神奇的碳納米管還有很多潛力值得人們?nèi)ネ诰?，并將它?yīng)用在更多領(lǐng)域。

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作者簡(jiǎn)介：劉思碧（1998.06—），女，漢族，陜西渭南人，本科，研究方向：材料工程。