趙紫薇，高小武，曹文鑫，劉 康，代 兵，王永杰，朱嘉琦

(1.哈爾濱工業(yè)大學深圳校區(qū)理學院，深圳 518055；2.哈爾濱工業(yè)大學航天學院，哈爾濱 150001)

0 引 言

金剛石不僅具有很高的商業(yè)價值，也因其優(yōu)異的性能而廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當中。近年來，一種低維度金剛石——納米金剛石(nanodiamonds, NDs)開始受到關(guān)注，它不僅繼承了金剛石體材料優(yōu)異的高硬度、高彈性模量、高熱導(dǎo)率和低摩擦系數(shù)等特性[1-3]，還同時擁有低維度材料的優(yōu)點。如：高比表面積、高表面活性和結(jié)構(gòu)可調(diào)性[4-5]。同時，NDs的生物相容性和獨特的熒光特性使其在癌癥檢測、藥物輸運等生物醫(yī)學領(lǐng)域有著很廣闊的應(yīng)用前景[6-9]。

NDs最早在20世紀60年代被發(fā)現(xiàn)[10-11]，經(jīng)過多年探索，研究人員對其表面形貌有了更清晰的認識。由于NDs表面存在大量懸鍵，為了保持體系的穩(wěn)定，外層碳原子會吸附雜質(zhì)原子或者發(fā)生石墨化現(xiàn)象[12-14]，羥基、羧基、羰基等表面基團的修飾成為NDs的一大結(jié)構(gòu)特點[15]。目前，在NDs的很多應(yīng)用中，都離不開對其進行相應(yīng)的表面功能化，這些功能化基團的存在將顯著改變NDs的物理化學性質(zhì)，還可能作用于納米顆粒的團聚、穩(wěn)定性等方面，對于它在催化、生物、醫(yī)學等領(lǐng)域的應(yīng)用起著重要的作用。

一直以來，NDs的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與對應(yīng)性能之間很難形成明確的構(gòu)效關(guān)系和調(diào)控技術(shù)。本文圍繞NDs的表面功能化結(jié)構(gòu)開展討論，詳細探討不同種類表面功能化對NDs機械性能、催化性能和生物醫(yī)學性能的影響與調(diào)控方法，將對精準調(diào)控NDs結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)在各種場景下的有效應(yīng)用起到一定的指導(dǎo)作用。

1 NDs的表面功能化

采用不同表面功能化方式的NDs之間的性質(zhì)有很大差別，直接影響NDs在各領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，首先需要解決對表面官能團實現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制的問題。通過爆轟法或高溫高壓法等手段制備的初始NDs表面通常含有多種基團，如圖1(a)所示，一般不能直接應(yīng)用。通常先對其表面進行一次功能化，使官能團得到均一化[12,15-16]，這是實現(xiàn)對表面結(jié)構(gòu)精確控制的基礎(chǔ)。然后可以根據(jù)需求進行二次功能化，使官能團進一步轉(zhuǎn)化，或者以非共價鍵結(jié)合的方式負載DNA、蛋白質(zhì)和生物酶等生物大分子，為NDs在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。對于一次功能化，常用處理手段是得到—COOH、—OH、—H均一化的NDs[17]。需要指出的是，實驗上往往達不到官能團的完全一致。

鑒于羧基可以參與到多種化學反應(yīng)中，目前NDs表面羧基化是應(yīng)用最廣泛的均一化方法。最初通常采用強酸氧化法以實現(xiàn)表面羧基化，此方法需要將NDs置于濃硫酸和濃硝酸的混合液中，經(jīng)一系列處理后多次離心清洗，在空氣中干燥后獲得[18]。然而，這類方法不僅在操作上有一定危險，而且產(chǎn)生的殘留有毒物質(zhì)容易造成環(huán)境污染，Osswald等[14]報道的空氣氧化法對上述缺點有很大改善。

除表面羧基化之外，氟化也是修飾和控制NDs表面性質(zhì)的有效方法[21]。Liu等[22]將NDs粉末在150～470 ℃下用氟和氫氣的混合物進行處理，得到氟化NDs(ND-{F}x)，并與烷基鋰試劑、二胺和氨基酸進行后續(xù)反應(yīng)制備了一系列烷基、芳基或含有羥基、羧基和氨基基團的功能化NDs。Khabashesku等[23]實現(xiàn)了在相對較低的溫度下進行氫預(yù)處理，并成功地去除了爆轟NDs工業(yè)制造過程中產(chǎn)生的表面官能團，如—COOH、—OH、—NH2。

氨基功能化NDs除了能在納米復(fù)合材料中提供有效強結(jié)合力，還可以用于蛋白質(zhì)、遺傳物質(zhì)和藥物的偶聯(lián)，是實現(xiàn)藥物負載的重要基礎(chǔ)，在醫(yī)學上有重要意義。目前，NDs表面的直接胺化仍然具有挑戰(zhàn)性，但是可以利用氯化或氟化中間改性NDs進行化學取代反應(yīng)，實現(xiàn)間接胺化[15,21,24]。

2 NDs表面功能化對復(fù)合材料機械性能的影響

NDs具有優(yōu)異的硬度和楊氏模量(～1 220 GPa)[25-26]，在提高材料機械性能方面顯示出巨大的潛力，目前已經(jīng)被證實可以作為納米填料對聚合物進行加固。NDs/聚合物復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空、汽車、拖拉機和耐磨涂層等工業(yè)生產(chǎn)當中。大量的研究結(jié)果表明，NDs能夠增強基體材料的機械性能，如楊氏模量、硬度、抗拉強度和斷裂韌性[20,27]，使復(fù)合材料更加耐沖擊、耐擦傷，另外抗腐蝕性[28-29]和熱傳導(dǎo)性[30]也會有所提高。同時，NDs不會破壞基體原有結(jié)構(gòu)，自身具有的高比表面積也保證了兩者之間良好的界面接觸。

很低含量的NDs就可以大幅提高基體材料的機械性能，與其他填料相比可以顯著降低生產(chǎn)成本。Morimune等[31]采用原位聚合法制備了NDs/聚酰胺66納米復(fù)合材料，當摻入的NDs含量僅為0.5%(質(zhì)量分數(shù))時，基體的楊氏模量和抗拉強度分別提高了140%和39%。Kim等通過[32]對NDs/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

表1 聚合物/納米金剛石復(fù)合材料的機械性能Table 1 Mechanical properties of polymer/nanodiamonds composites

斷裂韌性的測量得到NDs最優(yōu)含量也只有0.5%(質(zhì)量分數(shù))，此時材料的斷裂韌性提高了121.4%，納米顆粒對裂紋起到釘扎作用，具有較強的能量吸收能力和界面附著力。另外，通過優(yōu)化NDs與聚合物的比例，改善NDs在聚合物中的分散性，增加NDs與聚合物基體之間的結(jié)合，可以進一步提高復(fù)合材料的力學性能。

實際上，NDs與聚合物基體之間的微觀作用機制對于上述整體性能的提升起著很大作用。其中，NDs表面功能化對二者的結(jié)合存在不可忽視的影響，表1列出了摻入功能化NDs后，聚合物機械性能(以楊氏模量為例)的變化。

本節(jié)將從以下幾個方面介紹近些年研究人員在NDs表面功能化對復(fù)合材料的作用上取得的研究進展和技術(shù)突破。

2.1 分散性

首先，NDs的團聚現(xiàn)象對聚合物的增強效果存在影響，NDs填料的分散性是納米復(fù)合材料加固的關(guān)鍵。

通常情況下，NDs顆粒之間強大的范德瓦耳斯力以及對聚合物的低親和力使它們更傾向于在聚合物中形成團聚體，這些團聚體通常會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷的形成，從而使納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體性遭到破壞。分散的NDs顆粒能提供更大的表面積，使填料和基體之間的界面面積增大，而表面功能化可以在一定程度上減輕團聚的作用。Kim等[32]利用透射電子顯微鏡(TEM)和動態(tài)光散射(DLS)對原始NDs晶粒和表面功能化的NDs進行了粒徑分析，如圖2(a)所示。數(shù)據(jù)顯示經(jīng)四乙烯五胺(TEPA)接枝后的NDs主要粒徑尺寸是12.5 nm，相比于原始材料(平均直徑168.1 nm)，團聚作用得到大大改善。

隨著NDs含量的增加，顆粒發(fā)生團聚的可能性增大。因此，一般情況下聚合物復(fù)合材料機械性能的增強效果會呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。Zhao等[38]在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中摻入氧化NDs時，PDMS的硅醇基團被用于共價結(jié)合NDs上的羧基基團，在顆粒濃度>0.025%(質(zhì)量分數(shù))時，大部分硅醇基被占據(jù)，進一步增加NDs含量會產(chǎn)生反向作用，楊氏模量呈下降趨勢。他們提出高含量NDs還有可能導(dǎo)致鏈畸變的產(chǎn)生，這種效應(yīng)隨著納米顆粒聚集的增加而變得更加劇烈。

圖2 表面功能化對聚合物/NDs復(fù)合材料的影響：(a)TEPA修飾后對納米金剛石團聚的改善[32]；(b)NDs與聚合物基體之間的氫鍵和酰胺鍵鍵合作用[31,34]Fig.2 Effect of surface functionalization on polymer/NDs composites: (a) improvement of nanodiamond agglomeration after TEPA modification[32]; (b) bonding between the polymer and amide[31,34]

有趣的是，Behler等[33]發(fā)現(xiàn)在聚酰胺11中添加高濃度NDs(20%，質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合材料的楊氏模量提高了4倍，硬度提高了2倍，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)對基體材料力學性能指標的有效提升。Neitzel等[40]提出，當NDs含量較高時，顆粒間距離變短，它們之間彼此直接接觸后便形成一種顆粒網(wǎng)絡(luò)骨架，環(huán)氧樹脂基體滲透其中，在復(fù)合材料體系中起到粘合劑的作用，這種模型使NDs的分散性不再重要。因此，高濃度的NDs有時反而可以提高復(fù)合材料的楊氏模量、硬度和耐劃傷性，而且顆粒之間的直接接觸也有利于導(dǎo)熱性的提升。

2.2 界面結(jié)合

對復(fù)合材料而言，界面處的結(jié)合十分重要。NDs對聚合物復(fù)合材料楊氏模量的增強效果由公式(1)給出[37]：

(1)

式中：Ec、Em和Ep分別為復(fù)合材料、基體和NDs的楊氏模量；Vp代表NDs的體積分數(shù)；χp為粒子增強因子，它的值取決于NDs與基體之間的界面相互作用?？梢钥闯觯酆衔锛{米復(fù)合材料的力學性能受到NDs表面官能團與聚合物基體粘附力差異的影響。

NDs與聚合物復(fù)合時，由于表面官能團的作用，增強體與基體之間會形成高強度的鍵合作用，如氫鍵；或者可通過官能團之間的化學反應(yīng)形成共價鍵來提高界面結(jié)合力，如酰胺鍵(見圖2(b))。Morimune等[34]用一種簡單的水介質(zhì)鑄造法實現(xiàn)了NDs顆粒在聚乙烯醇(PVA)基質(zhì)中的納米分散，發(fā)現(xiàn)含氧官能團會與PVA之間形成氫鍵，使兩者的強相互作用增加。當NDs含量為1%(質(zhì)量分數(shù))時，NDs/PVA復(fù)合材料的楊氏模量增加了2.5倍。他們還認為在NDs摻入聚酰胺基體的原位聚合過程中，兩者在界面上形成了酰胺鍵[31]，對材料的增強效應(yīng)起著至關(guān)重要的作用。對于使用固化劑的體系，也應(yīng)該充分考慮到固化劑表面基團的影響。盡管在含有氨基固化劑的環(huán)氧樹脂(Epon828)中加入氨基修飾的NDs后，可以使復(fù)合材料相比未化學成鍵的材料硬度提高3倍，蠕變率降低2倍[39]，但是在Epon828/氨基固化劑體系中氨基與環(huán)氧化物的比值r>0.68的情況下，含—NH2納米金剛石的加入不僅不會保證機械性能的增加，還可能由于復(fù)合材料整體化學計量的變化，導(dǎo)致楊氏模量的下降[25]。因為在這種狀態(tài)下，NDs會與固化劑中的—NH2產(chǎn)生競爭，導(dǎo)致復(fù)合材料含有一定數(shù)量的未反應(yīng)固化劑，降低了整體的模量，抵消了NDs的強化效果。

為了比較不同官能團作用的差異，Jee等[37]制備了分別含有羥基、羧基、氨基和酰胺基表面功能化的NDs，并分散到聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)兩種聚合物中。采用原子力顯微鏡下的納米壓痕法測定了各個材料的力學性能。結(jié)果表明，胺或酰胺功能化NDs與聚合物基質(zhì)之間的界面相互作用更強，比其他官能團對兩種聚合物力學性能的提升起到更大的作用。對于烷基化NDs復(fù)合材料，Jee等[35]還發(fā)現(xiàn)它們的硬度和的楊氏模量隨烷基鏈長度的增加而增加。效果最好的是11%用乙基己基(Ethylhexyl)修飾的NDs，能使聚乙烯材料硬度顯著提高4.5倍，楊氏模量提高2.5倍。這是由于長烷基鏈作為接枝分子不僅會提高結(jié)晶度，還會擴散到基質(zhì)骨架中，由聚合物主鏈與烷基鏈功能化的NDs之間產(chǎn)生的界面粘附是提高機械性能的關(guān)鍵因素。

其他復(fù)合材料加強手段也被不斷開發(fā)。Wang等[41]通過引入金屬Cu原子對復(fù)合材料的機械性能進一步強化，Cu元素被用來修飾含磷NDs，在固化過程中會與固化劑中的氨基反應(yīng)生成銅氨絡(luò)合物，此過程形成的Cu—N鍵成功地將Cu、NDs和環(huán)氧樹脂基體連接在一起，與對照材料相比，負載量為0.12%的銅可以使復(fù)合材料的抗拉強度提高10.4%。在制備方式上，Zhang等[42]采用“接枝自”方法將聚合物附著到NDs表面：聚合物鏈從顆粒表面開始生長。此方法改變了常規(guī)方法的結(jié)合方式，將聚酰亞胺鏈固定在NDs表面，從而降低了表面自由能，促進了顆粒分散，提高了均勻分散性。此時NDs不僅作為物理增強劑，而且作為化學交聯(lián)劑發(fā)揮著重要作用，顯著提高了硬度。

2.3 其 他

隨著聚合物結(jié)晶度的增加，其剛度和強度都會提高。Khan等[43]通過XRD結(jié)果指出NDs經(jīng)表面功能化后，復(fù)合材料的結(jié)晶度增大，顯示出更高的抗劃痕性能。這是納米填料自身作為成核劑的結(jié)果，進一步提高了聚合物的固有性能。

3 NDs表面功能化對光催化性能的影響

3.1 NDs用于能源光催化

相比于傳統(tǒng)的化石能源，太陽能不僅清潔無污染，而且?guī)缀跞≈槐M、用之不竭，在人類生產(chǎn)生活中扮演著重要角色。利用太陽能可以實現(xiàn)H2、CO、烷烴等燃料和化工原料NH3的生產(chǎn)，其中光催化劑有著不可或缺的作用。如圖3(a)所示，入射光子能量超過半導(dǎo)體催化劑的帶隙值時，半導(dǎo)體中的電子會由價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，然后導(dǎo)帶和價帶兩端分別產(chǎn)生光生電子和光生空穴載流子，它們轉(zhuǎn)移到材料表面后將各自參與還原和氧化反應(yīng)[44]。近年來，尋找替代貴金屬的光催化劑以降低成本成為大勢所趨，NDs作為無機非金屬半導(dǎo)體材料，不僅地球儲量大，而且具有結(jié)構(gòu)可調(diào)、熱穩(wěn)定性高、化學穩(wěn)定性高和環(huán)境友好等特性[45-46]，界面光散射效應(yīng)還可以增強可見光吸收，有望在光催化領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用。

圖3 半導(dǎo)體光催化劑參與氧化還原反應(yīng)的原理圖(a)及納米金剛石構(gòu)建不同類型異質(zhì)結(jié)時載流子轉(zhuǎn)移方式：(b)pn結(jié)；(c)Ⅱ型異質(zhì)結(jié)；(d)Z型異質(zhì)結(jié)[47]Fig.3 Schematic diagram of semiconductor photocatalyst participating in redox reaction (a) and carrier transfer modes of different types of heterojunctions constructed by nanodiamond: (b) pn-type heterojunction; (c) type Ⅱ heterojunction (d) Z-scheme heterojunction[47]

3.1.1 氮還原合成氨

對于氮還原反應(yīng)(NRR)，N2光催化還原為NH3的過程通常受到N2分子與催化材料結(jié)合較弱以及中間反應(yīng)勢壘高的限制[48]。美國威斯康星大學Hamers團隊[49]發(fā)現(xiàn)由于氫終端金剛石具有負電子親和性(NEA)，電子被光照激發(fā)后將直接發(fā)射到水中，并通過在632 nm處的瞬態(tài)吸收測量證實了金剛石附近存在溶劑化電子光激發(fā)。金剛石向水中發(fā)射電子直接引入溶劑化電子提供了一種新途徑來克服N2與催化劑難結(jié)合的限制，電子將直接與反應(yīng)物反應(yīng)，無需分子吸附到表面，從而提高了常溫常壓下將N2還原為NH3的活性。即使是普通的金剛石粉末(～125 nm)也可以觀測到光催化現(xiàn)象。在這個過程中，光催化活性強烈依賴于表面終端，并與溶劑化電子的產(chǎn)生相關(guān)。當氫的覆蓋不完全時，表面負電子親和性會下降[50]。另外，當長時間工作后，氫終端金剛石會逐漸氧化形成氧終端，具有正電子親和性(PEA)，溶劑化電子活性減弱，氨產(chǎn)率也逐漸降低[49]。為了改善這一現(xiàn)象，—NH2終端金剛石又被開發(fā)出來，它不僅與氫終端一樣顯示負電子親和性，容易向真空和水中發(fā)射光電子并參與產(chǎn)氨，而且比氫終端金剛石具有更高的化學穩(wěn)定性[51]。

3.1.2 CO2還原反應(yīng)

為減輕溫室效應(yīng)，將CO2轉(zhuǎn)化為CO和其他有機燃料以實現(xiàn)碳循環(huán)受到了廣泛關(guān)注。但是CO2分子過于穩(wěn)定，直接進行單電子還原反應(yīng)過程需要很負的電化學電勢(-1.9 V versus NHE)，多數(shù)半導(dǎo)體的導(dǎo)帶位置都無法滿足[52]。而金剛石導(dǎo)帶足夠高，可以使導(dǎo)帶電子實現(xiàn)CO2的單電子還原以生產(chǎn)CO。氫終端NDs可以用作在紫外光照射下將二氧化碳選擇性還原為CO的光催化劑[53]。但是為了避免活性氧刻蝕金剛石，應(yīng)該在金剛石晶體質(zhì)量相對較高和空穴犧牲劑存在的情況下進行催化反應(yīng)。

3.1.3 析氫反應(yīng)

在產(chǎn)氫反應(yīng)中，NDs同樣有所應(yīng)用。Jang等[54]報道了NDs在激光脈沖輻照下，對水還原產(chǎn)氫反應(yīng)具有顯著的光催化活性，經(jīng)表面功能化處理后的氫終端修飾NDs對H2產(chǎn)率有明顯的提高。Khan等[55]制備出的氨基改性NDs氫氣產(chǎn)率可以達到400 μmol·h-1，比未改性材料提高了一倍。相比于單一催化材料，構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)是有效促進電子空穴對分離與轉(zhuǎn)移、提高光生載流子氧化還原能力的途徑。根據(jù)載流子轉(zhuǎn)移方式的不同，納米異質(zhì)結(jié)光催化體系可分為不同類型[47]，通常以制備Ⅱ型、Z型異質(zhì)結(jié)或pn結(jié)作為改性策略(見圖3(b)～(d))，搭建具有合理能帶結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)體系能有效改善整體的活性。中山大學Lin等[56]報道了一種具有良好光催化析氫性能的NDs/Cu2O異質(zhì)結(jié)，NDs表面含氧官能團的給電子能力為材料的電子重新分配作出很大貢獻，并幫助實現(xiàn)了禁帶內(nèi)缺陷能級的引入，使得NDs與Cu2O復(fù)合后組成合適的能帶結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出寬光譜響應(yīng)特征。為了更好地服務(wù)于新能源制取，未來還需要開發(fā)出更多具有優(yōu)異性能的異質(zhì)結(jié)材料。

3.2 NDs用于污水處理

隨著工業(yè)化的推進，人類在生產(chǎn)生活中制造了大量難降解的有毒有機物，使水資源面臨嚴重威脅。這些污染物包含氯代有機物(如氯酚類、氯苯類和多氯聯(lián)苯)、藥品及個人護理用品(如抗生素、造影劑)和其他毒性有機污染物(如苯、苯酚、苯胺)等[57]。它們廣泛應(yīng)用于染料、農(nóng)藥和醫(yī)藥等有機化合物產(chǎn)品的合成工業(yè)中，不僅具有毒性，而且還可能引起致癌、致畸和致突變效應(yīng)，同時還有較強的持久性。一些有機物甚至會在生物體內(nèi)不斷累積，造成生態(tài)系統(tǒng)惡化。

為了提高NDs反應(yīng)活性，很多研究投入到了與TiO2、g-C3N4等半導(dǎo)體構(gòu)建復(fù)合材料或異質(zhì)結(jié)當中[58-60]，復(fù)合后的材料的光降解性能顯著高于單組分材料。Pastrana-Martínez等[61]發(fā)現(xiàn)NDs表面功能化方式的不同會影響復(fù)合材料的光降解能力，他們分別將氧化、氫化和胺化的NDs與TiO2制備復(fù)合材料，用于苯海拉明和阿莫西林兩種藥物在近紫外/可見光照射下的光催化降解。結(jié)果顯示含氫化NDs的復(fù)合材料的光催化活性最低，可能是由于TiO2與氫基之間的相互作用較弱。含胺化NDs和原始NDs的復(fù)合材料能夠保持最高的孔隙率，表現(xiàn)出的性能較好。

4 NDs表面功能化對生物醫(yī)學應(yīng)用的影響

4.1 生物標記

NDs具有特殊的光學特性和生物相容性，在細胞標記、成像和傳感等生物領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。NDs的拉曼光譜在1 332 cm-1處有一明顯特征峰，不容易受生物細胞自發(fā)信號的影響，適合用作對NDs進行定位和標記的特征信號[62]。結(jié)合拉曼成像技術(shù)，NDs可以完成生物成像，實現(xiàn)其在細胞內(nèi)的定位或?qū)毎顒拥挠^察。例如，當利用拉曼光譜對羧化NDs與人肺上皮細胞組成系統(tǒng)進行分析時，可以很容易地結(jié)合NDs拉曼峰強度的變化確認出NDs在細胞中的位置與分布[63]。

NDs的色心結(jié)構(gòu)賦予了自身獨特的熒光特性，熒光納米金剛石(FND)具有熒光穩(wěn)定、無光漂白、無毒性、易于功能化的優(yōu)勢，是一種很有應(yīng)用前景的熒光細胞標記物[64]。它可以用于癌細胞與體細胞的長期標記與追蹤[65-67]，也可以進行量子感測并用于檢測諸如艾滋病毒(HIV)之類的疾病標志物，其靈敏度比廣泛使用的膠體金法提高了5個數(shù)量級[68]。除了利用色心之外，表面修飾熒光物質(zhì)也可以獲得具有熒光特性的NDs[69]。將羧化NDs附著肌動蛋白抗體便能合成綠色熒光NDs，適合用作人宮頸癌細胞(HeLa)細胞的生物標記物[70]。

4.2 藥物輸運

納米技術(shù)為藥物的傳輸提供了新的思路和途徑，NDs可以與藥物以共價鍵或非共價鍵的方式結(jié)合，作為藥物傳輸工具將藥物轉(zhuǎn)運到靶細胞或靶器官而發(fā)揮作用。為了識別靶向細胞，NDs表面還應(yīng)該附著各種配體和生長因子，以選擇性地輸送藥物。如：將帶有羥基表面基團的熒光NDs同時結(jié)合鉑類藥物和靶向RGD肽的細胞受體，表達RGD受體的細胞將選擇性地吸收這些納米顆粒，隨后被殺死[71]。NDs能夠作為順鉑、紫杉醇和阿霉素等抗癌藥物以及各種抗體、免疫球蛋白等蛋白質(zhì)的載體，在生物體的神經(jīng)組織和骨組織等體內(nèi)細胞中發(fā)揮作用。圖4顯示了NDs在用于藥物輸運時表面可連接的有效成分。

盡管NDs對多種細胞體系有著良好的生物相容性，但是仍然需要探究NDs對人類和其他生物是否存在潛在危害，消除NDs在生物醫(yī)學應(yīng)用中的隱患。因此，必須對不同功能化后的顆粒的細胞毒性進行比較評估。Liu等[65]對羧基化NDs在6種不同類型的細胞內(nèi)對細胞分裂和分化過程的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)NDs不僅不干擾紡錘體的形成和染色體的分離，而且還能分成兩半分別進入兩個子細胞，表明對細胞的分裂和分化沒有毒性，且不影響細胞生長能力。Xing等[72]報道了第一個NDs的遺傳毒性研究，觀測到NDs會激活胚胎干細胞中DNA修復(fù)蛋白的表達，證明可能造成了DNA的損傷。而且氧化NDs相對未處理NDs造成的DNA損傷更明顯，顯示出了一定的遺傳毒性。NDs對人體和生物系統(tǒng)的其他影響應(yīng)該進一步被發(fā)現(xiàn)和合理評估，這對未來NDs在生物醫(yī)學應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展起著不可或缺的作用。

圖4 藥物傳遞過程中納米金剛石表面功能化組成及相應(yīng)作用Fig.4 Surface functional compositions of nanodiamonds during drug delivery and their corresponding function

4.3 癌癥治療

作為致死率極高的疾病之一，癌癥對人類的健康造成了嚴重威脅，癌癥的治療仍然是醫(yī)學領(lǐng)域的一大難題，隨著納米技術(shù)的興起與發(fā)展，納米藥物開始在癌癥治療中發(fā)揮重要作用。為了使抑制癌細胞的納米材料同時具備不傷及正常細胞的特點，必須滿足的條件有：納米粒子的粒徑不能太大，能控制在100 nm之內(nèi)，否則易穿透細胞；粒徑均一、穩(wěn)定，避免藥物傳遞過程的不確定性。NDs表面易于被功能化，且能夠提供與多種癌癥診斷或化療藥物相結(jié)合的位點，非常適合用來設(shè)計和開發(fā)實現(xiàn)腫瘤同步成像與治療的多功能納米顆粒。相對于其他碳材料(如碳納米管、氧化石墨烯)，NDs具有最小的生物毒性[73]，是目前癌癥藥物研制中很有希望的納米材料。

2010年，中國科學院理化技術(shù)研究所只金芳團隊首先開展了將NDs應(yīng)用于癌癥治療的研究[74]，他們將抗癌藥物順鉑負載在NDs上形成復(fù)合物，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合物具有pH響應(yīng)特性，低pH值環(huán)境下更容易釋放順鉑。這樣就保證了藥物在血液中運輸時釋放量很少，只有到達pH值較低的細胞核內(nèi)體和溶酶體時才會有效釋放，極大減小了副作用。這種pH響應(yīng)釋放現(xiàn)象與NDs表面的羧基基團密切相關(guān)，因為當酸性增加時，羧基與Pt的親和力會減弱，從而使順鉑更容易脫離復(fù)合物。而且同游離態(tài)藥物相比，從復(fù)合物中釋放出的藥物對Hela癌細胞的細胞毒性并沒有減弱。細胞遷移是由重復(fù)的突出、粘附和收縮的過程完成的，在后續(xù)研究羧基化NDs對癌細胞遷移能力的影響時還發(fā)現(xiàn)，一定濃度的羧基化NDs可以顯著抑制HeLa和C6兩種癌細胞系中波形蛋白的表達，對細胞粘附的形成和收縮造成影響，使細胞遷移衰減[75]。進一步對抗癌機制進行深入探討，發(fā)現(xiàn)羧基化NDs對細胞的遷移抑制現(xiàn)象來源于它可以提高腫瘤細胞對細胞外基質(zhì)的粘附，同時減少片狀偽足的形成，進而限制腫瘤細胞的運動[76]?？梢钥闯觯然疦Ds不僅可以作為藥物載體，同樣有望在調(diào)節(jié)癌細胞遷移中發(fā)揮重要作用。

阿霉素是一種常見抗腫瘤藥物，為了在藥物輸送過程中有效識別腫瘤細胞，避免正常細胞受到損傷，NDs表面會附著PEG、FA、EGF和SP等生長因子，它們能夠與在癌細胞上過度表達的受體如葉酸或上皮生長因子受體(EGFR)相結(jié)合，找到癌細胞。Wu等[77]把帶正電荷的血清蛋白與PEG和阿霉素共價結(jié)合后吸附在帶負電荷的熒光NDs表面，功能化的NDs能誘導(dǎo)強烈的細胞殺傷反應(yīng)，并在異種移植乳腺癌模型中顯示出強大的抗腫瘤活性。鄭州大學單崇新等[78]發(fā)現(xiàn)稀土材料的修飾會使NDs復(fù)合物對阿霉素有更高的負載率，且對胃腺癌細胞表現(xiàn)出更好的殺傷效果。NDs較好的親水性還能改善部分抗腫瘤藥物水溶性差的問題，為藥物發(fā)揮作用提供了良好的平臺[79]。

除了對抗癌藥物的利用外，基因治療也是有效控制癌細胞的手段?；蛑委熓峭ㄟ^引入外源性遺傳物質(zhì)和調(diào)節(jié)靶蛋白的基因表達來治療遺傳缺陷相關(guān)疾病的一種治療方法[80]。HPV病毒中E6、E7基因的表達是導(dǎo)致宮頸癌癌變的重要因素，E6、E7基因通過轉(zhuǎn)錄大量的E6、E7 mRNA，可以翻譯出相應(yīng)的癌蛋白，Lim等[81]將聚酰胺修飾的NDs用于連接能夠抑制宮頸癌細胞內(nèi)E7或E6 mRNA表達的siRNA，對E7、E6基因進行RNA干擾，從而抑制了靶致病蛋白的表達，并促進癌細胞凋亡。NDs復(fù)合物顯示出較低的細胞毒性和對靶向致癌基因的顯著抑制作用，證明了NDs負載遺傳物質(zhì)在基因治療中的可行性。

5 結(jié)語與展望

表面功能化在調(diào)控NDs性能方面發(fā)揮著巨大作用，不同分子或原子修飾會得到具有不同物理化學性質(zhì)的納米材料。對于NDs在提高聚合物機械性能的應(yīng)用方面，高分散性和強界面相互作用是提高納米復(fù)合材料性能的關(guān)鍵。其中，NDs表面官能團的種類對增強機制起著重要作用，胺或酰胺功能化通常對聚合物有更好的增強效果，因此在設(shè)計復(fù)合材料時應(yīng)考慮NDs的表面化學特性。NDs溶劑化電子產(chǎn)生機制使它在光催化上有很大優(yōu)勢，表面終端會影響到材料的電子親和性，改變?nèi)軇┗娮踊钚裕瑥亩绊懘呋阅?。但是目前催化方面的研究還較少，仍然需要研究人員在機理上的深入發(fā)掘。另外還應(yīng)該加強NDs對可見光波段的光吸收，提高光催化效率。NDs良好的生物相容性提供了它作為藥物載體的基礎(chǔ)，可以利用表面官能團與藥物分子結(jié)合，有效輸送至靶向細胞，治療包括癌癥在內(nèi)的疾病。盡管如此，還應(yīng)開展更多研究幫助推進NDs進入臨床試驗階段，以證實NDs在藥物輸送上的有效性。

在目前的研究基礎(chǔ)上，對NDs未來研究方向有以下幾點展望：

(1)金剛石材料屬于寬禁帶半導(dǎo)體，在可見光波段的光催化性能有待提高，可以利用表面官能團實現(xiàn)產(chǎn)生更高濃度溶劑化電子，通過摻雜原子或者形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)從而獲得更強光吸收能力和氧化還原能力，改善催化性能；

(2)羧基化NDs尚未發(fā)現(xiàn)對生物體有明顯毒性，但是為了保證NDs安全應(yīng)用于臨床試驗，應(yīng)該對改性后的NDs在細胞正常生命活動上的作用進行足夠評估，防止造成潛在危害；

(3)從技術(shù)問題上講，NDs的分散性和粒徑均勻性也會影響到實際應(yīng)用。當NDs團聚物粒徑較大時，將削弱對聚合物機械性能的增強效果，或者在用作藥物輸運工具時，不易被細胞攝取，且容易使藥物被包裹在內(nèi)部，難以發(fā)揮作用。這就要求工業(yè)生產(chǎn)中對NDs顆粒質(zhì)量的提升和控制。

雖然NDs的性能優(yōu)異，應(yīng)用范圍很廣，但是到目前為止，很多領(lǐng)域的應(yīng)用都還處于起步階段，需要相關(guān)科研人員不斷的探索。