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本書全面地介紹了石墨烯生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的進(jìn)展,全書共九章。首先簡單介紹了石墨烯及其性質(zhì),其次對石墨烯基材料在電化學(xué)生物傳感器、神經(jīng)接口器件、生物成像、藥物與基因遞送、生物組織工程、腫瘤光熱治療、抗菌材料等方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性闡述，文末對石墨烯生物安全性方面的研究進(jìn)行了綜述。本書可作為高等學(xué)校材料相關(guān)專業(yè)本科高年級學(xué)生、研究生的學(xué)習(xí)用書,以及教師、科技工作者和企業(yè)專業(yè)技術(shù)人員的參考書,尤其對從事石墨烯材料研究的科研人員將具有很好的指導(dǎo)意義。

石墨烯是碳的同素異形體大家族的又一個(gè)傳奇，也是當(dāng)今橫跨學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的超級明星，幾乎到了家喻戶曉、婦孺皆知的程度。當(dāng)然，石墨烯是當(dāng)之無愧的。作為由單層碳原子構(gòu)成的蜂窩狀二維原子晶體材料，石墨烯擁有無與倫比的特性。理論上講，它是導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較好的材料，也是理想的輕質(zhì)高強(qiáng)材料。正因如此，一經(jīng)問世便吸引了全球范圍的關(guān)注。石墨烯有可能創(chuàng)造一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)，石墨烯產(chǎn)業(yè)將成為未來全球高科技產(chǎn)業(yè)競爭的高地，這一點(diǎn)已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共識。從2004年至今，已經(jīng)有了近十六年的歷史沉淀。無論是石墨烯的基礎(chǔ)研究，還是石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐，人們都有了更多的一手材料，更有可能對石墨烯材料有一個(gè)全方位套叢書出的、科學(xué)的、理性的認(rèn)識�？偨Y(jié)歷史，是為了更好地走向未來。對于新興的石墨烯產(chǎn)業(yè)來說，戰(zhàn)略前沿新材料石墨烯出版工程的出版意義也是不言而喻的。事實(shí)上，國內(nèi)外已經(jīng)出版了數(shù)十部石墨烯相關(guān)書籍，其中不乏經(jīng)典性著作。本叢書的定位有所不同，希望能夠全面總結(jié)石墨烯相關(guān)的知識積累，反映石墨烯領(lǐng)域的國內(nèi)外前沿研究進(jìn)展，展示石墨烯新材料的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與發(fā)展前景，尤其希望能夠充分體現(xiàn)國人對石墨烯領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。本叢書共包括22分冊，執(zhí)筆作者20余位，都是石墨烯領(lǐng)域的重量級學(xué)者、專家，因此可以從源頭上保障叢書的專業(yè)性和科學(xué)性。叢書分五大部分，囊括了從石墨烯的基本性質(zhì)和表征技術(shù)，到石墨烯材料的制備方法及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，以及石墨烯產(chǎn)品的計(jì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)等全方位的知識總結(jié)。同時(shí)，兩份產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告詳細(xì)闡述了世界各國的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。除此之外，叢書還為廣大石墨烯迷們提供了一份科普讀物《有問必答：石墨烯的魅力》，針對廣泛征集到的石墨烯相關(guān)問題答疑解惑，去偽求真。本叢書的內(nèi)容涵蓋石墨烯新材料的方方面面，每個(gè)分冊也相對獨(dú)立，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性、知識性、專業(yè)性和即時(shí)性，凝聚著各位作者的研究心得、智慧和心血，供不同需求的廣大讀者參考使用。希望叢書的出版對中國的石墨烯研究和中國石墨烯產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展有所助益。

自2004年被英國曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·諾沃肖洛(KonstantinNovoselov)利用膠帶從塊體石墨中成功剝離出以來,石墨烯在世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮。石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的六方點(diǎn)陣蜂窩狀的二維原子晶體,屬于碳的同素異形體之一,其擁有其他材料難以媲美的光、電、磁、力、熱等性質(zhì),被認(rèn)為是21世紀(jì)的明星材料。近年來,人們在石墨烯材料的合成制備、物性表征、各種器件研究方面做了大量的研究工作,推動了人們對石墨烯這一新材料的認(rèn)識。生命健康是人們追求的永恒主題。2020年新型冠狀病毒(2019 nCoV)的爆發(fā),更是引起了人們對科技創(chuàng)新造福人類生命健康的重視。碳是組成生物體的基本元素,石墨烯作為一種碳材料,其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中有很多優(yōu)勢。石墨烯的優(yōu)異光電性質(zhì)使得其在柔性生物傳感器、神經(jīng)接口醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)方面有廣闊的應(yīng)用前景,同時(shí),其可以與各種光、熱、磁性材料,甚至各種藥物分子和生物活性分子復(fù)合,從而用于生物醫(yī)學(xué)成像、藥物與基因遞送以及光熱治療法等。石墨烯還可以作為細(xì)胞培養(yǎng)的基底、組織工程三維細(xì)胞支架,用于再生醫(yī)學(xué)。另外,石墨烯展現(xiàn)出來的抗菌、抗炎等性質(zhì),還使得其在抗菌和防護(hù)產(chǎn)品中有潛在的應(yīng)用價(jià)值。需要指出的是,盡管在很多方面展示了優(yōu)勢和應(yīng)用前景,石墨烯材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究還處于起始階段,關(guān)于石墨烯的生物安全性還沒有得到令人信服的充分評估。發(fā)展基于石墨烯材料的生物技術(shù),仍然任重而道遠(yuǎn)。本書的主要目的是為讀者較全面地介紹石墨烯生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的進(jìn)展,全書共九章。首先簡單介紹了石墨烯及其性質(zhì),其次對石墨烯基材料在電化學(xué)生物傳感器、神經(jīng)接口器件、生物成像、藥物與基因遞送、生物組織工程、腫瘤光熱治療、抗菌材料等方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性闡述,文末對石墨烯生物安全性方面的研究進(jìn)行了綜述。本書由筆者和數(shù)位博士、碩士生共同完成。具體分工如下：1章,張菁;第2章,孟雪娟;第3章,趙思源;第4章,李根;第5章,魏詩媛、劉楊;第6章,劉小軍;第7章,劉楊、楚芳冰;第8章,付雪峰;第9章,徐政。全書由筆者負(fù)責(zé)統(tǒng)稿、再加工和審校。石墨烯生物技術(shù)是個(gè)學(xué)科高度交叉的領(lǐng)域,涉及的內(nèi)容非常廣泛,由于作者水平所限,書中難免存在諸多不足,懇請廣大讀者批評指正。段小潔2020年6月于燕園

1章　石墨烯及石墨烯基材料簡介001
1.1 石墨烯結(jié)構(gòu)003
1.2 石墨烯特性004
1.3 石墨烯的制備方法005
1.3.1 微機(jī)械剝離法006
1.3.2 碳化硅熱解外延生長法007
1.3.3 化學(xué)氣相沉積法008
1.3.4 有機(jī)合成法008
1.3.5 溶劑剝離法009
1.4 石墨烯基材料010
1.4.1 氧化石墨烯、還原氧化石墨烯、石墨烯量子點(diǎn)011
1.4.2 功能化修飾石墨烯011
1.4.3 摻雜石墨烯013
1.4.4 石墨烯基復(fù)合材料014
1.5 石墨烯及石墨烯基材料的生物應(yīng)用015
1.5.1 大比表面積015
1.5.2 獨(dú)特的表面性質(zhì)016
1.5.3 獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)017
1.5.4 優(yōu)越的電學(xué)性質(zhì)017
1.6 總結(jié)與展望018
參考文獻(xiàn)019
第2 章　石墨烯光電生物傳感器023
2.1 簡介025
2.2 石墨烯電化學(xué)傳感器025
2.2.1 石墨烯電化學(xué)傳感器檢測原理025
2.2.2 石墨烯電化學(xué)傳感器的應(yīng)用027
2.3 石墨烯場效應(yīng)晶體管傳感器031
2.3.1 石墨烯場效應(yīng)晶體管簡介031
2.3.2 石墨烯場效應(yīng)晶體管傳感器的應(yīng)用032
2.4 石墨烯表面等離激元共振傳感器034
2.4.1 表面等離激元共振簡介034
2.4.2 石墨烯表面等離激元共振傳感器的應(yīng)用035
2.5 總結(jié)與展望037
參考文獻(xiàn)038
第3 章　石墨烯神經(jīng)接口041
3.1 神經(jīng)接口簡介043
3.2 神經(jīng)接口分類045
3.3 傳統(tǒng)神經(jīng)電極047
3.4 石墨烯場效應(yīng)晶體管神經(jīng)探針048
3.5 基于石墨烯薄膜的透明神經(jīng)電極052
3.6 石墨烯纖維神經(jīng)電極054
3.7 基于石墨烯的可拉伸電極056
3.8 基于石墨烯的磁共振成像兼容神經(jīng)電極058
3.9 石墨烯角膜接觸鏡電極061
3.10 總結(jié)與展望062
參考文獻(xiàn)063
第4 章　石墨烯生物成像067
4.1 簡介069
4.2 用于生物成像的石墨烯基納米材料069
4.3 石墨烯基納米材料生物成像071
4.3.1 光學(xué)成像071
4.3.2 放射性核素成像076
4.3.3 磁共振成像078
4.3.4 光聲成像080
4.3.5 計(jì)算機(jī)斷層掃描081
4.3.6 多模態(tài)成像081
4.4 總結(jié)與展望082
參考文獻(xiàn)083
第5 章　基于石墨烯的藥物與基因遞送089
5.1 基于石墨烯的藥物遞送091
5.1.1 藥物控制釋放載體091
5.1.2 基于石墨烯的藥物遞送091
5.2 基于石墨烯的基因遞送098
5.2.1 基因療法098
5.2.2 基于石墨烯的基因遞送099
5.3 當(dāng)前挑戰(zhàn)與未來展望105
參考文獻(xiàn)106
第6 章　石墨烯與生物組織工程109
6.1 引言111
6.2 石墨烯的性質(zhì)與組織工程112
6.3 石墨烯與干細(xì)胞113
6.3.1 納米材料影響干細(xì)胞命運(yùn)113
6.3.2 石墨烯基平面薄膜對干細(xì)胞命運(yùn)的調(diào)控114
6.3.3 圖案化的二維石墨烯基底對干細(xì)胞命運(yùn)的調(diào)控117
6.3.4 三維石墨烯基干細(xì)胞支架120
6.4 石墨烯材料在體組織工程的應(yīng)用122
6.4.1 骨組織工程應(yīng)用122
6.4.2 心臟組織工程應(yīng)用123
6.4.3 神經(jīng)組織工程應(yīng)用125
6.4.4 其他組織工程應(yīng)用126
6.5 總結(jié)與展望129
參考文獻(xiàn)130
第7 章　石墨烯腫瘤光熱治療135
7.1 基于納米材料的腫瘤光熱治療137
7.1.1 癌癥治療與納米醫(yī)學(xué)137
7.1.2 腫瘤的光熱治療137
7.1.3 光熱治療法常用材料139
7.2 基于石墨烯的腫瘤光熱治療140
7.2.1 基于石墨烯的腫瘤光熱治療140
7.2.2 基于石墨烯的腫瘤聯(lián)合治療142
7.2.3 基于石墨烯的醫(yī)學(xué)成像引導(dǎo)的光熱治療144
7.2.4 石墨烯與低功率高效光熱治療145
7.2.5 石墨烯與聲動力療法146
7.2.6 總結(jié)與展望146
參考文獻(xiàn)147
第8 章　石墨烯基抗菌材料151
8.1 有爭議的石墨烯基材料的抗菌性153
8.2 與抗菌性相關(guān)的石墨烯基材料特性154
8.3 石墨烯基材料的抗菌機(jī)理158
8.3.1 通用機(jī)制158
8.3.2 石墨烯基材料分散液與石墨烯基薄膜的抗菌機(jī)制162
8.4 石墨烯基材料抗菌相關(guān)的應(yīng)用162
8.4.1 石墨烯基抗菌材料的應(yīng)用模式163
8.4.2 石墨烯基傷口敷料165
8.4.3 石墨烯基組織工程支架材料166
8.4.4 石墨烯基抗菌包裝材料166
8.4.5 石墨烯基抗菌藥物遞送載體材料166
8.4.6 石墨烯基凈水濾膜材料168
8.5 石墨烯基材料的抗病毒潛力169
8.6 總結(jié)與展望170
參考文獻(xiàn)171
第9 章　石墨烯的生物安全性177
9.1 石墨烯基材料的生物效應(yīng)180
9.2 動物毒性186
9.3 人類健康和生態(tài)環(huán)境188
9.4 減小危害的手段189
9.5 總結(jié)和展望190
參考文獻(xiàn)190
索引193

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