本书全面地介绍了石墨烯生物医学应用的进展,全书共九章。首先简单介绍了石墨烯及其性质,其次对石墨烯基材料在电化学生物传感器、神经接口器件、生物成像、药物与基因递送、生物组织工程、肿瘤光热治疗、抗菌材料等方面的应用进行了系统性阐述，文末对石墨烯生物安全性方面的研究进行了综述。本书可作为高等学校材料相关专业本科高年级学生、研究生的学习用书,以及教师、科技工作者和企业专业技术人员的参考书,尤其对从事石墨烯材料研究的科研人员将具有很好的指导意义。

石墨烯是碳的同素异形体大家族的又一个传奇，也是当今横跨学术界和产业界的超级明星，几乎到了家喻户晓、妇孺皆知的程度。当然，石墨烯是当之无愧的。作为由单层碳原子构成的蜂窝状二维原子晶体材料，石墨烯拥有无与伦比的特性。理论上讲，它是导电性和导热性较好的材料，也是理想的轻质高强材料。正因如此，一经问世便吸引了全球范围的关注。石墨烯有可能创造一个全新的产业，石墨烯产业将成为未来全球高科技产业竞争的高地，这一点已经成为国内外学术界和产业界的共识。从2004年至今，已经有了近十六年的历史沉淀。无论是石墨烯的基础研究，还是石墨烯材料的产业化实践，人们都有了更多的一手材料，更有可能对石墨烯材料有一个全方位套丛书出的、科学的、理性的认识。总结历史，是为了更好地走向未来。对于新兴的石墨烯产业来说，战略前沿新材料石墨烯出版工程的出版意义也是不言而喻的。事实上，国内外已经出版了数十部石墨烯相关书籍，其中不乏经典性著作。本丛书的定位有所不同，希望能够全面总结石墨烯相关的知识积累，反映石墨烯领域的国内外前沿研究进展，展示石墨烯新材料的产业化现状与发展前景，尤其希望能够充分体现国人对石墨烯领域的贡献。本丛书共包括22分册，执笔作者20余位，都是石墨烯领域的重量级学者、专家，因此可以从源头上保障丛书的专业性和科学性。丛书分五大部分，囊括了从石墨烯的基本性质和表征技术，到石墨烯材料的制备方法及其在不同领域的应用，以及石墨烯产品的计量检测标准等全方位的知识总结。同时，两份产业研究报告详细阐述了世界各国的石墨烯产业发展现状和未来发展趋势。除此之外，丛书还为广大石墨烯迷们提供了一份科普读物《有问必答：石墨烯的魅力》，针对广泛征集到的石墨烯相关问题答疑解惑，去伪求真。本丛书的内容涵盖石墨烯新材料的方方面面，每个分册也相对独立，具有很强的系统性、知识性、专业性和即时性，凝聚着各位作者的研究心得、智慧和心血，供不同需求的广大读者参考使用。希望丛书的出版对中国的石墨烯研究和中国石墨烯产业的健康发展有所助益。

自2004年被英国曼彻斯特大学安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃肖洛(KonstantinNovoselov)利用胶带从块体石墨中成功剥离出以来,石墨烯在世界范围内掀起了研究热潮。石墨烯是一种由单层碳原子构成的六方点阵蜂窝状的二维原子晶体,属于碳的同素异形体之一,其拥有其他材料难以媲美的光、电、磁、力、热等性质,被认为是21世纪的明星材料。近年来,人们在石墨烯材料的合成制备、物性表征、各种器件研究方面做了大量的研究工作,推动了人们对石墨烯这一新材料的认识。生命健康是人们追求的永恒主题。2020年新型冠状病毒(2019 nCoV)的爆发,更是引起了人们对科技创新造福人类生命健康的重视。碳是组成生物体的基本元素,石墨烯作为一种碳材料,其在生物医学应用中有很多优势。石墨烯的优异光电性质使得其在柔性生物传感器、神经接口医疗物联网方面有广阔的应用前景,同时,其可以与各种光、热、磁性材料,甚至各种药物分子和生物活性分子复合,从而用于生物医学成像、药物与基因递送以及光热治疗法等。石墨烯还可以作为细胞培养的基底、组织工程三维细胞支架,用于再生医学。另外,石墨烯展现出来的抗菌、抗炎等性质,还使得其在抗菌和防护产品中有潜在的应用价值。需要指出的是,尽管在很多方面展示了优势和应用前景,石墨烯材料的生物医学应用研究还处于起始阶段,关于石墨烯的生物安全性还没有得到令人信服的充分评估。发展基于石墨烯材料的生物技术,仍然任重而道远。本书的主要目的是为读者较全面地介绍石墨烯生物医学应用的进展,全书共九章。首先简单介绍了石墨烯及其性质,其次对石墨烯基材料在电化学生物传感器、神经接口器件、生物成像、药物与基因递送、生物组织工程、肿瘤光热治疗、抗菌材料等方面的应用进行了系统性阐述,文末对石墨烯生物安全性方面的研究进行了综述。本书由笔者和数位博士、硕士生共同完成。具体分工如下：1章,张菁;第2章,孟雪娟;第3章,赵思源;第4章,李根;第5章,魏诗媛、刘杨;第6章,刘小军;第7章,刘杨、楚芳冰;第8章,付雪峰;第9章,徐政。全书由笔者负责统稿、再加工和审校。石墨烯生物技术是个学科高度交叉的领域,涉及的内容非常广泛,由于作者水平所限,书中难免存在诸多不足,恳请广大读者批评指正。段小洁2020年6月于燕园

段小洁，博士、特聘研究员，北京大学工学院生物医学工程系 副主任，北京大学工学院生物医学工程系 特聘研究员。研究方向为纳米生物电子学和纳米神经技术，近年来主要集中于柔性和多模态兼容的神经电极的研制及应用。成功研制了一系列新型神经电极，包括多种柔性神经电极及其阵列、磁共振成像兼容的神经电极、以及无电伪迹的透明神经电极及其阵列等，并发展了相关电极植入技术，在神经活动记录和调制中实现了电-磁、电-光多模态的同步联用，以及神经信号的长期稳定电学记录。

1章　石墨烯及石墨烯基材料简介001
1.1 石墨烯结构003
1.2 石墨烯特性004
1.3 石墨烯的制备方法005
1.3.1 微机械剥离法006
1.3.2 碳化硅热解外延生长法007
1.3.3 化学气相沉积法008
1.3.4 有机合成法008
1.3.5 溶剂剥离法009
1.4 石墨烯基材料010
1.4.1 氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯量子点011
1.4.2 功能化修饰石墨烯011
1.4.3 掺杂石墨烯013
1.4.4 石墨烯基复合材料014
1.5 石墨烯及石墨烯基材料的生物应用015
1.5.1 大比表面积015
1.5.2 独特的表面性质016
1.5.3 独特的光学性质017
1.5.4 优越的电学性质017
1.6 总结与展望018
参考文献019
第2 章　石墨烯光电生物传感器023
2.1 简介025
2.2 石墨烯电化学传感器025
2.2.1 石墨烯电化学传感器检测原理025
2.2.2 石墨烯电化学传感器的应用027
2.3 石墨烯场效应晶体管传感器031
2.3.1 石墨烯场效应晶体管简介031
2.3.2 石墨烯场效应晶体管传感器的应用032
2.4 石墨烯表面等离激元共振传感器034
2.4.1 表面等离激元共振简介034
2.4.2 石墨烯表面等离激元共振传感器的应用035
2.5 总结与展望037
参考文献038
第3 章　石墨烯神经接口041
3.1 神经接口简介043
3.2 神经接口分类045
3.3 传统神经电极047
3.4 石墨烯场效应晶体管神经探针048
3.5 基于石墨烯薄膜的透明神经电极052
3.6 石墨烯纤维神经电极054
3.7 基于石墨烯的可拉伸电极056
3.8 基于石墨烯的磁共振成像兼容神经电极058
3.9 石墨烯角膜接触镜电极061
3.10 总结与展望062
参考文献063
第4 章　石墨烯生物成像067
4.1 简介069
4.2 用于生物成像的石墨烯基纳米材料069
4.3 石墨烯基纳米材料生物成像071
4.3.1 光学成像071
4.3.2 放射性核素成像076
4.3.3 磁共振成像078
4.3.4 光声成像080
4.3.5 计算机断层扫描081
4.3.6 多模态成像081
4.4 总结与展望082
参考文献083
第5 章　基于石墨烯的药物与基因递送089
5.1 基于石墨烯的药物递送091
5.1.1 药物控制释放载体091
5.1.2 基于石墨烯的药物递送091
5.2 基于石墨烯的基因递送098
5.2.1 基因疗法098
5.2.2 基于石墨烯的基因递送099
5.3 当前挑战与未来展望105
参考文献106
第6 章　石墨烯与生物组织工程109
6.1 引言111
6.2 石墨烯的性质与组织工程112
6.3 石墨烯与干细胞113
6.3.1 纳米材料影响干细胞命运113
6.3.2 石墨烯基平面薄膜对干细胞命运的调控114
6.3.3 图案化的二维石墨烯基底对干细胞命运的调控117
6.3.4 三维石墨烯基干细胞支架120
6.4 石墨烯材料在体组织工程的应用122
6.4.1 骨组织工程应用122
6.4.2 心脏组织工程应用123
6.4.3 神经组织工程应用125
6.4.4 其他组织工程应用126
6.5 总结与展望129
参考文献130
第7 章　石墨烯肿瘤光热治疗135
7.1 基于纳米材料的肿瘤光热治疗137
7.1.1 癌症治疗与纳米医学137
7.1.2 肿瘤的光热治疗137
7.1.3 光热治疗法常用材料139
7.2 基于石墨烯的肿瘤光热治疗140
7.2.1 基于石墨烯的肿瘤光热治疗140
7.2.2 基于石墨烯的肿瘤联合治疗142
7.2.3 基于石墨烯的医学成像引导的光热治疗144
7.2.4 石墨烯与低功率高效光热治疗145
7.2.5 石墨烯与声动力疗法146
7.2.6 总结与展望146
参考文献147
第8 章　石墨烯基抗菌材料151
8.1 有争议的石墨烯基材料的抗菌性153
8.2 与抗菌性相关的石墨烯基材料特性154
8.3 石墨烯基材料的抗菌机理158
8.3.1 通用机制158
8.3.2 石墨烯基材料分散液与石墨烯基薄膜的抗菌机制162
8.4 石墨烯基材料抗菌相关的应用162
8.4.1 石墨烯基抗菌材料的应用模式163
8.4.2 石墨烯基伤口敷料165
8.4.3 石墨烯基组织工程支架材料166
8.4.4 石墨烯基抗菌包装材料166
8.4.5 石墨烯基抗菌药物递送载体材料166
8.4.6 石墨烯基净水滤膜材料168
8.5 石墨烯基材料的抗病毒潜力169
8.6 总结与展望170
参考文献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应180
9.2 动物毒性186
9.3 人类健康和生态环境188
9.4 减小危害的手段189
9.5 总结和展望190
参考文献190
索引193