富勒烯化學修飾與生物醫學應用分析

李宣怡

摘要：富勒烯是一種全新的納米材料，其本身是含碳類物質，并且具備特殊的結構，這讓富勒烯擁有了獨特的化學和物理性質。在很多領域也都能看到對富勒烯這種物質的分析報道，可以看出目前富勒烯的發展前景一片良好，同時，富勒烯也成為生物學、醫藥學及許多領域的研究熱點之一。雖然富勒烯的優點有很多，但是在富勒烯的制備過程中容易產生有毒有害物質，這對于富勒烯的研究利用來說帶來了不好的影響，為此本文對富勒烯的化學修飾做了相關闡述，并綜述了富勒烯在生物醫學方面所做的應用分析。

關鍵詞：富勒烯；化學修飾；生物醫學；應用；分析

一、研究背景

富勒烯，是由Kroto等人于1985年發現的，它的形狀有點類似于足球，所以又稱為足球烯。對于富勒烯來說，其涉及的領域也有很多，在化學、生物、物理材料和天文方面都有所研究?？梢姼焕障┓肿泳哂邢喈敶蟮目茖W研究意義。不僅如此，富勒烯的強大性質對生命科學、生物化學以及醫藥學來講也有著相當重要的研究價值。由于富勒烯具備的獨特的結構和性質，在食品添加劑、化妝品、潤滑劑、建筑材料、電子產品和燃料電池等方面都有應用。

二、基本概念

富勒烯是通過單質碳的形式被發現的，它主要有三種同素異形體。富勒烯主要說的是一類物質，它有很多形狀，比如以管狀，球狀還有橢圓狀等結構存在，它們實際上都屬于富勒烯類，都是叫做富勒烯。富勒烯的結構與石墨的結構相似，不過富勒烯可能有五元環，石墨主要是六元環。而C60是由Robert Curl等人在1985年制備出來的。德國科學家Huffman和Kraetschmer在1989年做的實驗果斷證明了C60所具有的碳籠型結構，至此富勒烯正式進入到了科學家的眼簾中，并逐漸在科學界占有重要的地位，展開了一個全新的研發階段。根據實驗研究表明，富勒烯類化合物有很多不為人知的獨特功效，比如說治療艾滋病病毒、抑制酶活性、DNA的切割以及光動力學治療等。

三、富勒烯的制備與提純機理及方法

（一）富勒烯的制備

無論是什么物質進行制備，首先要考慮的是如何在低成本的過程下進行高濃度的制備。自從科學家發現C60以來，人們陸陸續續的發現了許多種富勒烯的制備方法。富勒烯的制備方法主要以電弧法、熱蒸發法、燃燒法和化學氣相沉積法為主。

（二）富勒烯的提純

富勒烯的提純是一個使富勒烯化合物無雜質的過程。在制備富勒烯的粗產品的過程中，即煙灰中基本上是以C60為主的，C70為輔的混合物，而且還有一些同系物。實際應用的關鍵就是富勒烯的純化。常用的富勒烯提純步驟是：從富含C60和C70的煙塵中先用甲苯索氏提取，然后紙漏斗過濾。蒸發溶劑后，剩下的部分（溶于甲苯的物質）用甲苯再溶解，再用氧化鋁和活性碳混合的柱色譜粗提純，第一個流出組分是紫色的C60溶液，第二個是紅褐色的C70，此時粗分得到的C60或C70純度不高，還需要用高效液相色譜來精分。

四、富勒烯性質

富勒烯的溶解性很差，大部分溶劑都無法將其溶解，實際上我們經常用甲苯、氯苯，或非芳香性溶劑二硫化碳來溶解富勒烯。純富勒烯的溶液一般是呈現紫色的，而濃度稍微大一些的則會呈現出紫紅色，針對富勒烯的同素異形體來說C70的溶液顏色上比C60的稍微顯紅一些，主要是C70在500nm處還有吸收，所以會更深一些；而其他的富勒烯，如C76、C80等則是呈現出不同程度的紫色。近年來的研究發現富勒烯是室溫下唯一可溶解于常規溶劑的碳的同素異性體。

五、富勒烯的化學修飾

目前改善富勒烯水溶性較為常用的方法主要有超聲制備富勒烯水溶膠、制備富勒烯的水溶性包結物和在富勒烯表面結合的水溶性基團來合成富勒烯衍生物。目前較好的解決方案就是通過在富勒烯表面加上多個強極性基團來合成水溶性的富勒烯衍生物。富勒烯具有良好的水溶性，這給富勒烯的化學和物理性質做了很好的保障。

富勒烯內部含有金屬富勒烯，二者的反應主要有兩種：一是金屬被放置于碳籠內部，另一種是金屬位于碳籠外部。富勒烯碳籠是封閉的中空的多面體結構，內腔直徑是0.71nm。

富勒烯在一些特定環境下可引起細胞的凋亡。，而富勒烯的化學修飾會大大改變其毒性作用。研究結果表明，富勒烯連接的羥基和羰基數目與它們的細胞毒性呈負相關。

六、富勒烯的生物醫學應用分析

富勒烯及其衍生物在細胞內和生物體內的吸收、分布、代謝是開展生物醫學應用的重要前提。富勒烯被認為是清除自由基的海綿，可有效地減少神經元的死亡。富勒烯是一種出色的抗氧化劑，清楚自由基效率高，水溶性好。富勒烯可以有效的保護神經側索硬化癥患者的神經元退化，阻止多巴胺黑質紋狀體通路中鐵誘導的氧化應激。

富勒烯衍生物可以與細胞色素C相互作用，可以與血清蛋白相互作用，穿過細胞屏障，可以與新陳代謝途徑的酶接觸。富勒烯表現有抗菌活性，主要是富勒烯與生物大分子不同的相互作用。事實上，這種抗菌活性可能與誘導細胞膜損傷有關。有些富勒烯是不可溶的，因為他們的 基態與激發態的帶寬很窄，如C28，C36和C50，C72也是幾乎不溶的，但是C72的內嵌富勒烯，如La2@C72是可溶的，這是因為金屬元素與富勒烯的相互作用。早期的科學科學家對于沒有發現C72很是疑惑，但是卻有C72的內嵌富勒烯。窄帶寬的富勒烯活性很高，經常與其他富勒烯結合。化學修飾后的富勒烯衍生物的溶解性增強很多，如PC 61BM室溫下在氯苯中的溶解度是50mg/mL。 C60和C70在一些溶劑的溶解度列于左表，這里的溶解度通常是飽和濃度的估算值。

富勒烯是它們可作為金剛石薄膜生長的均勻成核位置而起重要作用。富勒烯材料的獨特性質之一是它們在較低溫度下升華，對于C60，其升華點大約是600℃，這使得富勒烯在不規則形狀表面上的氣體沉積覆蓋相對來說很容易實現。另外，由于富勒烯易溶于像苯和 甲苯這樣的極性有機分子溶劑，因而可以在室溫下將復雜表面直接浸于制備好的溶液中，待溶劑揮發后就留下一層富勒烯分子薄膜。

七、結語

富勒烯作為一種新式的納米材料，其發展前景十分可觀，對我們生活的許多領域都有很大的幫助，尤其在生物學和醫藥學方面，我們在對其研發利用的同時也要注意富勒烯的利與弊，掌握好性質，將富勒烯的作用發揮的更好，造福我們的生活。

參考文獻：

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