综述：碳纳米材料的可持续合成：来自生物质废弃物的绿色方法用于治疗诊断和生物修复应用

本综述系统探讨了采用绿色方法从生物质废弃物中可持续合成碳纳米材料（CNMs）的最新进展，重点介绍了其在治疗诊断（Theranostic）和生物修复领域的创新应用，为开发环境友好型纳米技术提供了重要见解。

　　

碳纳米材料（CNMs）因其独特的物理化学性质在众多领域展现出巨大潜力。然而，传统的合成方法往往涉及高能耗、有毒化学品和恶劣反应条件，引发了严重的环境问题。因此，开发可持续的、环境友好的合成策略至关重要。本文综述了利用生物质废弃物作为可再生碳源，通过绿色方法合成碳纳米材料的最新进展，并深入探讨了这些材料在治疗诊断和生物修复中的应用。

绿色合成方法

利用生物质废弃物（如农业残留物、食品加工废料、林业副产品等）合成碳纳米材料是实现可持续纳米技术的一条重要途径。这些方法通常具有成本低、资源丰富、环境友好等优点。主要的绿色合成路线包括：

1. 1.
   水热/溶剂热法：在密闭反应器中，利用高温高压的水或有机溶剂将生物质前驱体转化为碳纳米材料，如碳点（CDs）、石墨烯量子点（GQDs）等。此方法操作相对简单，无需复杂设备。
2. 2.
   热解法：在惰性气氛下对生物质进行高温热解，可制备碳纳米管（CNTs）、多孔碳等。通过调控热解温度、升温速率和前驱体种类，可以精确控制产物的形貌和性能。
3. 3.
   微波辅助法：利用微波能量快速、均匀地加热生物质前驱体，显著缩短反应时间，提高能源利用效率，适用于快速合成碳量子点等功能材料。
4. 4.
   模板法：使用天然生物质本身的多孔结构或引入天然矿物作为模板，引导碳纳米材料的生长，可制备出具有特定孔道结构的有序多孔碳材料。

这些绿色方法不仅减少了对化石燃料的依赖，实现了废弃物的资源化利用，而且合成的碳纳米材料往往具有丰富的表面官能团（如-OH, -COOH），有利于后续的功能化修饰。

治疗诊断应用

治疗诊断学旨在将诊断成像与治疗功能整合于一个纳米平台。由生物质废弃物合成的碳纳米材料在此领域显示出独特优势：

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  生物成像：碳点（CDs）和石墨烯量子点（GQDs）具有优异的光致发光性能、低毒性和良好的生物相容性，可作为高效的荧光探针用于细胞成像、肿瘤靶向成像等。其发光颜色可调，能够适应不同波长的成像需求。
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  药物递送：碳纳米材料（如氧化石墨烯GO、多孔碳）具有大的比表面积，能够高效负载化疗药物、基因药物或蛋白质药物。通过表面修饰靶向分子（如叶酸、肽段），可以实现对病变部位（如肿瘤）的主动靶向，提高疗效并降低副作用。
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  光热/光动力治疗：某些碳纳米材料（如还原氧化石墨烯rGO、碳纳米角）在近红外光照射下能产生局部高热（光热治疗，PTT），或产生活性氧物种（光动力治疗，PDT），从而杀死癌细胞。将诊断成像与PTT/PDT结合，可实现诊疗一体化。

生物修复应用

碳纳米材料在环境生物修复领域也发挥着重要作用：

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  吸附去除污染物：由生物质制备的多孔碳材料对水中的重金属离子（如Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺）、有机染料、农药等污染物具有强大的吸附能力。其发达的孔隙结构和表面官能团是高效吸附的关键。
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  催化降解：碳材料可作为催化剂或催化剂载体，用于高级氧化过程（AOPs），降解难处理的有机污染物。例如，碳材料负载的纳米零价铁（nZVI）或用于过硫酸盐（PMS/PDS）活化的碳催化剂，能产生强氧化性自由基，高效分解污染物。
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  微生物燃料电池：碳纳米材料修饰的电极可以提高微生物燃料电池（MFCs）的产电性能，同时促进废水中有机物的降解，实现能源回收与污染治理的双重目的。

挑战与展望

尽管基于生物质废弃物的碳纳米材料绿色合成取得了显著进展，但仍面临一些挑战，包括大规模生产的可控性、材料结构的均一性、长期环境行为与生物安全性评估等。未来的研究需要致力于开发更精确的合成控制技术，深入理解材料与生物体/环境的相互作用机制，并推动其从实验室走向实际应用。总之，利用生物质废弃物绿色合成碳纳米材料并将其应用于治疗诊断和生物修复，符合绿色化学和可持续发展理念，前景广阔。