臺灣化學教育

奈米課程：奈米碳材料的官能化及應用性

羅珮瑛 、李昆展^*

國立臺北教育大學自然科學教育學系

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■前言

    正如同大多數的奈米材料一樣，碳相關的奈米材料，例如：奈米碳管（carbon nanotubes）、氧化石墨烯（Graphene Oxide）和石墨烯量子點（Graphene Quantum Dots）等的碳材料，由於其尺寸為奈米等級，因此提供了高的比表面積以應用於有效的藥物結合或是藥物載體，並且因為其特殊結構及特性而使其有能力能夠通過艱難的生物屏障以及能夠於活細胞中產生生物影像。然而，原始未經過任何修飾的奈米碳材料，其碳材料表面上的凡德瓦爾力而引起奈米碳材料之間的疏水相互作用，從而導致奈米粒子的嚴重聚集和團聚現象，因此而大大限制了奈米碳材料的使用範疇。為了降低奈米碳材料可能的生物毒性及提升其相關應用性，必須對奈米碳材料進行相關的表面官能化的修飾，以增強其生物相容性。

■奈米碳材料的介紹

奈米材料已被廣泛研究為應用在體內輸送治療藥劑的新穎技術之一，因為其特殊結構及特性而使其有能力能夠通過艱難的生物屏障（LaVan et al.,2003）以及能夠於活細胞中產生生物影像（Kostarelos et.al., 2009; Wang et. al., 2011）。正如同大多數的奈米材料一樣，碳相關的奈米材料，例如奈米碳管(carbon nanotubes)、氧化石墨烯(Graphene Oxide)和石墨烯量子點(Graphene Quantum Dots)等的碳材料，由於其尺寸為奈米等級，因此提供了高的比表面積以應用於有效的藥物結合或是藥物載體。為了有效地將這些奈米材料做為後續的相關領域應用，因此必須充分了解這些奈米材料的相關物理化學特性，以及其在生物系統中的生物相容性和毒性（Aillon et al., 2009; Lee et al., 2019）。然而許多的文章中已經報導了有關未經任何修飾的單壁奈米碳管(SWCNT)、多壁奈米碳管(MWCNT)、富勒烯(C₆₀)和石墨烯量子點(GQD)的可能相關生物毒性的問題（Aillon et al., 2009; Lacerda et al., 2006; Lee et al., 2019; Wu et al., 2013）。原始未經過任何修飾的奈米碳材料，由於其碳材料表面上的凡德瓦爾力而引起奈米碳材料之間的疏水相互作用，從而導致奈米粒子的嚴重聚集和團聚現象，因此而大大限制了奈米碳材料的使用範疇。為了降低奈米碳材料可能的生物毒性及提升其相關應用性，必須對奈米碳材料進行相關的表面官能化的修飾，以增強其生物相容性（Huang et al., 2019; Lo et al., 2020; Liu et al., 2018）。

奈米碳管的發現和後續的大規模生產為奈米科技的應用打開了新的契機與機遇。日本學者Iijima教授率先於1991年發現了奈米碳管由於其獨特的物理和化學性質（Iijima, 1991），可以廣泛的應用於奈米相關和生物醫學技術領域（Bianco & Prato, 2003; Davis et al., 2003）。奈米碳管的結構為石墨片所製成的管狀材料，該石墨片被捲起並在每個末端用一半的富勒烯封端。其結構可能只有一個單壁（單壁碳納米管，SWCNT），或者兩個壁（雙壁碳納米管，DWCNT），或者有兩個以上的多壁（多壁碳納米管，MWCNT）。

石墨烯量子點（GQD）是一種零維材料，具有與石墨烯相同的單原子層，但其橫向尺寸小於100 nm（Jiang et al., 2013; Lo et al., 2020; Shen et al., 2012）。由於它們的高表面積和良好的生物相容性，使得石墨烯量子點有潛力成為將蛋白質或藥物分子輸送到細胞的奈米載體（Lo et al., 2020; Iannazzo et al., 2019; Zhang et al., 2012）。石墨烯量子點由於其出色的發光特性，也可以用作為生物成像的良好螢光探針（Zhu et al., 2011）。除此之外，當透過不同的化學官能基團進行相關的表面官能化時，石墨烯量子點可以藉由與其他各種材料（例如：蛋白質、藥物分子和奈米碳材料）利用共價鍵結合而用於構建多功能的結構性材料，此將擴展其在生物醫學領域的廣泛應用（Lo et al., 2020）。

■奈米碳材料的官能化及應用

一、 奈米碳材料的化學特性

    奈米碳材料由於其所顯現的獨特的機械和電子特性，許多研究學者對其產生了相當大的研究興趣，因而掀開了奈米碳材料科學的新篇章。但是，由於表面上的凡德瓦爾力而引起奈米碳材料之間的疏水相互作用，從而導致奈米粒子的嚴重聚集和團聚現象，並且由於缺乏水中溶解性和難以在溶劑中操作因此而大大限制了奈米碳材料的使用範疇。基本上，原始所生產的奈米碳材料不溶於所有有機溶劑和水溶液，即使透過超音波震盪處理，使得奈米碳材料可以部分分散在某些有機溶劑中，但是當該過程中斷時，奈米碳材料幾乎會立即發生沉澱現象。因此，如何對奈米碳材料進行表面官能化處理，將可使得奈米碳材料可以與不同種類的化合物相互作用。例如以超分子複合物的形成方式，將可從而製造出新穎的奈米元件。此外，奈米碳材料亦可以化學反應處理，進而形成更多具有水溶性的複合奈米碳材料，而能夠將其與無機，有機和生物系統中進行整合應用。修飾此種奈米碳材料的主要方法可以分為兩類：

（a）藉由反應將化學官能基團共價鍵結到奈米碳材料的π共軛骨架上

（b）分子間的非共價吸附或纏繞。

二、共價鍵結官能化

實際上，由於化學惰性的特性是進而使得奈米碳材料具有應用的特性之一。奈米碳材料可以透過共價鍵結的方式在其末端和其側壁上被官能基團進行官能化(如圖1)。這些官能化的方式可以透過在無缺陷的奈米碳材料表面進行直接攻擊的官能化方式，或是藉由氧化、缺陷位置的修飾方式和其他官能化方式，對奈米碳材料進行共價修飾。一般而言，主要常見的方法包括利用羧酸化、酰胺化或酯化奈米碳材料的官能化形式。而針對不同胺基的形式進行奈米碳材料的官能化則包括了幾種鍵結的方式：共價鍵（Zhao et al., 2004），兩性離子鍵（Hamon et al., 1999）和物理性的吸附（Chattopadhyay et al.,
2003）。

圖1 奈米碳管共價鍵結官能化示意圖
 

三、非共價鍵結官能化

非共價鍵結的修飾方式可以透過基於奈米碳材料的表面化學來進行相互作用或利用奈米碳管內部的空腔來進行修飾。例如：可以藉由聚合物對於奈米碳管的纏繞而形成超分子複合物，而具有極性側鏈的聚合物可以幫助包裹的奈米碳管穩定的分散(如圖2)。奈米碳材料的π系統可藉由聚合物中合適的芳香族基團進行π-π堆積作用，以及奈米碳材料可以與有機金屬物質形成加成物（Mickelson et al., 1998; Pekker et al., 2001）。奈米碳材料的缺陷部位中帶電基團的存在使得側邊可以透過離子相互作用而進行官能化以協助其穩定的分散性。另外，亦可以將例如無機物晶體（Chen et al., 1998）和富勒烯（Kamaras et al., 2003）等的物質填入奈米碳管的空腔內進行修飾。

圖2 奈米碳管非共價鍵結官能化示意圖(高分子纏繞)
 

將奈米碳材料整合到生物系統中以形成其功能組裝是一個新穎的且尚未被完全瞭解的領域。奈米碳材料已經被研究作為具有潛力的載體（如圖3），可以將各種生物活性成分輸送到細胞中。而奈米碳材料的導電特性與生物材料的識別特性之結合可以產生新的生物電子系統（例如生物感測器）（Chen et al., 2005; Lo et al., 2020）。Sun教授研究團隊透過二酰亞胺活化的酰胺化反應製備了奈米碳管–蛋白質複合物，然後將其利用牛血清白蛋白或馬脾鐵蛋白進行官能化，發現所製備的複合物可穩定溶於水溶液介質（Mickelson et al., 1998; Pekker et al., 2001）。經由微量測定法證實，經複合的大多數蛋白質與奈米碳管結合後仍具有活性，而相同的蛋白質可以共價結合到經氮摻雜的多壁奈米碳管。在其他的研究應用方面，奈米碳管利用聚-L-賴氨酸進行官能化，聚-L-賴氨酸可進一步促進細胞的粘附作用（Elkin et al., 2005; Huang et al., 2002）。生物分子也提供了進一步衍生化的環境，透過將過氧化物酶鍵結到此複合物上，發現可以檢測到較低濃度的過氧化氫。

圖3 奈米碳管載體進行藥物控制釋放示意圖
 

四、石墨烯量子點的官能化

    如何改善奈米碳材料的水溶性和穩定性一直是科學家們關心的議題，也是其後續應用的重要關鍵。另一種解決的策略是製備尺寸超小的奈米碳顆粒(如圖四)，進一步使得奈米顆粒由於布朗運動可提供足夠的能量來防止其再次聚集，並且由於奈米碳材料的側邊具有富含氧的官能基存在而減低其疏水的特性。因此，奈米尺寸的碳材料，如碳量子點(Cdots)（Luo et al., 2013），以及尤其是石墨烯量子點(GQD)（Peng et al., 2012），是碳材料家族中的後起之秀，因為它們在水中具有出色的分散性和穩定性，並且具有強螢光性以及保留了石墨烯的優勢。關於石墨烯量子點的相關研究報導迅速增加，包括了探索其合成方法(從氧化，水解到電解)（Shen et al., 2012），其螢光的起源以及生物學相關的應用，例如生物成像和感測特性。

圖4 石墨烯量子點製備示意圖

 

    一般而言，石墨烯量子點在側邊邊緣含有與石墨烯相似的羧酸官能基部分，因此賦予它們出色的水溶性和適合於後續利用各種有機、聚合物、無機或生物物種進行官能化的能力。此外，由於石墨烯量子點具有一些優異的特性，例如高比表面積、使用pi-pi共軛網絡或表面基團的表面接枝以及其他特殊的物理特性。由於其簡單的結構，以及相對於對健康可能具有威脅的金屬量子點(例如硒化鎘等)的生物危害，石墨烯量子點成為開發低毒性，環保替代品相關應用的重要研究方向。

■奈米碳材料的生物醫學相關應用性

    奈米碳材料在生物醫學應用中的探索亦正在如火如荼的進行中，許多研究也已經證明細胞可以在奈米碳材料上生長，因此它們似乎沒有相關的生物毒性作用（Lo et al., 2020）。細胞不會粘附在奈米碳材料上，可以提供做為如義肢塗層以及船舶防污塗層等應用。奈米碳材料可以輕易在其側邊官能化的能力還可使其延伸於生物醫學的相關應用，例如用於神經元生長和再生以及血管支架的應用。也有相關研究顯示DNA的單鏈可以與奈米碳材料結合，然後可以成功地將其插入細胞當中。如此顯現奈米碳材料在生物醫學相關的應用性上越來越多元也越重要，因此有效的瞭解奈米碳材料的物理化學相關特性及其使用限制將可大大提升其在生物醫學領域的應用範疇。

■結語

    奈米科技一詞為近十年間相當受到注目的專業詞彙，如何讓高中生及大學生能夠對它有更進一步的認知實為重要。本文章以高中及大學普通化學及有機化學課程中最為常見的元素–碳為題，介紹與碳相關的奈米材料其物理及化學特性，除了在物理及化學性質上的重要變化以外，本文亦描述如何透過材料表面的官能化方能進一步的增加奈米碳材料的相關應用性，並且增加其於跨領域學科的潛力，例如如何能增加材料的生物相容特性而應用於生物醫學上。

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