综述：少层石墨烯在相关且可持续的生物应用中的绿色合成：多方面的综述与未来展望

本文系统综述了石墨烯的合成方法（自上而下与自下而上）、绿色制造策略（塑料及生物废料转化），及其在药物递送、抗菌、生物成像和癌症治疗等生物医学领域的应用进展。指出规模化生产、批次稳定性、长期毒性评估及标准化生产工艺是制约临床转化的关键挑战，同时强调可持续回收技术的重要性。

　　
石墨烯及其衍生物作为新型纳米材料，近年来在多个领域展现出广阔的应用前景。本文系统综述了石墨烯的生产方法、绿色合成技术、生物医学应用潜力及产业化挑战，为后续研究提供重要参考。以下从材料特性、制备技术、应用领域及产业化瓶颈四个方面进行解读。

一、材料特性与制备技术演进
石墨烯独特的二维蜂窝结构赋予其高机械强度（约为钢的100倍）、优异导电性和导热性（电导率达3824 S/cm）。其厚度仅一个碳原子层（约0.34nm），表面原子占比达90%，这种结构特性使其成为研究纳米尺度量子效应的理想材料。制备技术可分为两大类：顶底法与自上而下法。

顶底法包括化学气相沉积（CVD）、闪存焦耳热解等。其中CVD法通过金属催化层分解碳源制备高质量石墨烯薄膜，但存在能耗高（>650℃）、批次一致性差等问题。而闪存焦耳热解技术可在2750℃下快速分解碳源，制备超薄石墨烯（<5层），但需要精密控温。

自上而下法主要依赖机械剥离和液相剥离。机械剥离虽能获得高质量单层石墨烯，但产率极低（毫克级）。液相剥离技术通过溶剂（如DMSO、NMP）或生物表面活性剂（如蜜糖）处理石墨烯前驱体，可实现克级生产。值得注意的是，新型自促进高温合成技术通过调控生物质前驱体（如木质素）在高温下碳化重组，在无需还原剂的情况下直接生成有序石墨烯，这一突破使生物基石墨烯制备成本降低60%以上。

二、绿色合成技术突破
针对传统制备的高污染问题，本文重点探讨了三种绿色合成路径：
1. 废塑料再生：聚丙烯（PP）废料经蒙脱土催化剂催化碳化，在700℃下可高效制备片状石墨烯（产率达83.8%-86.6%）。这种技术特别适用于处理含添加剂的工程塑料，通过高温裂解去除非碳组分。
2. 生物质转化：利用农业废弃物（如小麦秸秆、花生壳）经水热碳化（<500℃）和石墨化处理，制备具有生物相容性的FLG（ few-layer graphene）。实验表明，小麦秸秆制备的FLG在超级电容器中表现出463.5 mAh/g的比容量，循环稳定性达3000次以上。
3. 焦耳热解技术：通过脉冲直流电加热碳源，可在<100分钟内完成从废塑料到石墨烯的转化。以聚乙烯为例，经优化后可得厚度均一的FLG薄膜，其电子迁移率较传统方法提升3倍。

三、生物医学应用前沿
1. 药物递送系统：石墨烯量子点（GQDs）通过π-π堆积作用负载阿霉素，在pH响应下实现肿瘤微环境靶向释放。实验显示，GQD-阿霉素复合物的细胞毒性较游离药物提高5倍，且具有荧光追踪功能。
2. 抗病毒机制：计算机模拟证实，多层石墨烯对新冠病毒S蛋白-ACE2复合物的结合能达-28.01 kcal/mol，抑制效率超过90%。实验性喷雾制剂在体外可完全阻断病毒复制。
3. 组织工程支架：石墨烯气凝胶孔隙率达92%，模拟细胞外基质结构。负载神经生长因子的复合支架在鼠类模型中实现神经信号传导恢复，电刺激下神经元分化效率提升40%。
4. 生物传感器：石墨烯场效应晶体管（GFET）检测癌细胞表面特异性标志物（如HER2），灵敏度达fM级别，较传统ELISA方法快3个数量级。

四、产业化瓶颈与解决方案
当前面临三大核心挑战：
1. 规模化生产：现有技术中，化学气相沉积法单位面积成本高达$100/cm2，而机械剥离法难以实现量产。新型连续流电解剥离技术可将生产规模扩展至吨级，成本降低至$5/kg。
2. 批次一致性：液相剥离法存在层厚离散性（±15%），通过建立标准化前驱体处理流程（如精确的预氧化温度控制），可将层厚标准差控制在3%以内。
3. 毒性评估：现有研究多局限于体外细胞实验（<72h），缺乏啮齿类动物长期毒性数据。建议建立分级测试体系：初期通过微流控芯片模拟人体器官（如肝、肾），中期开展90天啮齿类动物毒性实验，最终进入临床前I/II期试验。

五、市场发展趋势
全球石墨烯市场规模从2019年的$7.87亿增长至2021年的$9.01亿，预计2025年达$94.11亿，2032年将突破$832.99亿。主要增长点包括：
- 智能穿戴设备：石墨烯基柔性传感器成本年降幅达18%，预计2025年市场规模达$23亿
- 能源存储：锂离子电池用石墨烯复合电极能量密度提升30%，循环寿命达5000次
- 防护材料：石墨烯涂层纺织品的病毒过滤效率达99.9%，在医护人员防护服中已实现小批量生产

六、未来研究方向
1. 材料设计：开发手性石墨烯（如Z型GQDs）增强与生物大分子相互作用，研究显示其靶向肿瘤效率可提升2.3倍
2. 可降解体系：将聚乳酸（PLA）接枝到石墨烯表面，在模拟生理环境下（pH 7.4, 37℃）降解周期缩短至120天
3. 智能响应材料：开发光热/光动力协同系统，实验表明在1064nm激光下，石墨烯/二氧化钛复合材料对MRSA的灭活效率达99.8%
4. 标准化建设：建议参照ISO 10993生物相容性测试标准，制定纳米级材料特有的评估体系，包括：
- 空间离散性测试（ISO 2567）
- 生物相容性加速实验（BISO 10993-10）
- 长期毒性追踪（建议≥2年啮齿类动物研究）

当前研究已证实，经过表面修饰的石墨烯（如羧基化处理）在保持导电性的同时，细胞毒性降低至IC50>10μM水平。最新进展显示，利用糖蜜废料制备的石墨烯氧化物（GO）可通过Fe3?交联形成三维水凝胶，在糖尿病小鼠模型中实现血糖波动曲线平移（标准差降低62%）。

产业化进程需要建立跨学科协同创新机制：材料学家负责开发低成本制备技术（如微波辅助闪蒸法），生物学家完善毒性评估体系，工程师构建GMP级生产产线。预计到2030年，通过生物质转化路线生产的石墨烯成本将降至$3/kg，推动其在药物载体、生物传感器等领域的规模化应用。