综述：源自生物量的碳材料：作为先进生物医学应用的可持续平台

生物质衍生碳材料（BCMs）作为可持续的医用材料，综述了其通过热解、水解热碳化、活化及模板化等合成方法获得的孔隙结构调控、官能团掺杂特性及生物相容性，广泛应用于药物递送、生物成像、组织工程等领域，并讨论了规模化生产、标准化测试和长期生物安全性等挑战及未来方向。

　　
生物质衍生碳材料（BCMs）作为绿色可持续的替代方案，在生物医学、环境治理和能源存储等领域展现出广阔前景。以下从材料特性、制备技术、应用场景及未来挑战等维度进行系统解读。

### 一、BCMs的材料特性与制备技术
1. **多维度结构特征**
BCMs涵盖活化碳、碳点、石墨烯、碳纳米管及富勒烯等类别，其核心优势在于：
- **孔隙调控**：通过热解、水热碳化（HTC）等工艺调控孔径分布（如微孔/介孔占比），例如咖啡渣经化学活化后比表面积达2265 m2/g，孔容0.678 cm3/g（Adan-Mas et al., 2023）。
- **功能基团修饰**：木质纤维素经HTC处理后保留羟基、羧基等氧基团（Rohman et al., 2022），石墨烯氧化物（GO）表面含羧基（-COOH）和羟基（-OH），增强生物相容性（Sukumar et al., 2020）。
- **异原子掺杂**：氮、硫等掺杂提升催化活性，如葡萄糖基纳米管经氮掺杂后电导率提升3倍（Chen et al., 2023）。

2. **主流制备技术对比**
| 技术类型 | 核心工艺 | 优势场景 | 局限性 | 典型案例 |
|----------|----------|----------|--------|----------|
| **热解** | 300-700℃惰性气氛 | 快速制备高孔隙碳（如稻壳热解产率>85%） | 高温导致氧基团流失 | Nawaz et al., 2023 |
| **HTC** | <300℃水热条件 | 保留生物基官能团（如木质素衍生碳点荧光量子产率达90%） | 碳化程度低，导电性弱 | Liu et al., 2024 |
| **活化** | CO?/蒸汽活化 | 孔容提升30%-50%（如椰壳蒸汽活化比表面积达1447 m2/g） | 可能破坏层状结构 | Zhou et al., 2023 |
| **模板法** | 纳米颗粒模板 | 实现亚微米级孔道（如Na?PO?模板制备孔径200 nm以下碳材料） | 模板去除需强酸/碱 | Hu et al., 2023 |

3. **结构表征技术体系**
- **微观形貌**：SEM显示椰壳热解后形成蜂窝状孔隙（孔径0.5-2 μm），TEM揭示碳纳米管单壁结构（直径17-200 nm）。
- **晶体分析**：XRD检测石墨化程度，如葡萄糖热解后002晶面衍射角24.5°（结晶度>85%）。
- **化学组分**：FTIR证实木质素基碳材料含-C=O（1590 cm?1）、-OH（3380 cm?1）特征峰。
- **孔结构分析**：BET法量化比表面积，如核桃壳经ZnCl?活化后微孔占比达61%（Lin et al., 2024）。

### 二、生物医学应用创新
1. **精准药物递送系统**
- **控释机制**：介孔碳材料（如咖啡渣衍生材料孔径2-5 nm）负载阿霉素，药物缓释率提升40%（González et al., 2023）。
- **靶向增强**：石墨烯氧化物（GO）表面修饰肿瘤靶向肽（如RGD序列），在肝癌模型中药物富集度达72%（Sarkar et al., 2024）。
- **仿生载体**：碳纳米管/壳聚糖复合物形成类细胞膜包裹结构，降低血液循环半衰期至12小时（Mehmandoust et al., 2023）。

2. **组织工程与再生医学**
- **骨修复支架**：多孔碳纳米管复合羟基磷灰石，骨细胞成骨率提升至68%（Li et al., 2024）。
- **神经再生**：碳纳米管网络促进轴突生长（长度增加3倍），在脊髓损伤模型中运动功能恢复率提升25%（Liao et al., 2024）。
- **血管化构建**：藻酸基碳纤维支架集成血管内皮生长因子（VEGF），微血管密度达28/cm2（Huang et al., 2023）。

3. **智能检测系统**
- **荧光成像**：碳点（直径3-5 nm）标记癌细胞的ROS信号强度提升10倍（Wu et al., 2023）。
- **电化学传感**：石墨烯氧化物/金纳米颗粒复合物检测DNA甲基化水平（检测限0.1 pM），灵敏度优于商业ELISA（Khan et al., 2024）。
- **多模态成像**：碳纳米管/稀土离子（Eu3?/Tb3?）双模态探针实现肿瘤定位精度达0.1 mm（Chen et al., 2024）。

### 三、环境可持续性发展路径
1. **循环经济实践**
- **废料资源化**：甘蔗渣经HTC-活化制备的碳纤维强度达1200 MPa，接近商用碳纤维水平（Jiang et al., 2023）。
- **碳封存协同**：农业废弃物衍生生物炭（BC）地下封存量达0.8-1.2 t/ha，同步实现重金属吸附（去除率>95%）和土壤pH调节（波动范围±0.3）。

2. **生命周期管理**
- **绿色制备**：微藻基碳点生产能耗较石油基降低60%（Zhang et al., 2024）。
- **再生技术**：硝酸纤维素基碳纳米管经60℃蒸汽再生，吸附容量保持率>90%（Adan-Mas et al., 2023）。

### 四、技术瓶颈与突破方向
1. **现存挑战**
- **规模化难题**：实验室级制备成本高达$50/kg，工业级需降至$5/kg（Biomass Carbon Council, 2024）。
- **生物安全性**：石墨烯氧化物在体外实验中细胞存活率<60%（D. Li et al., 2023）。
- **标准化缺失**：仅12%的临床应用BCMs通过ISO 10993生物相容性认证（ISO, 2024）。

2. **前沿突破**
- **智能响应材料**：温敏碳纳米管（相变温度32℃）实现药物在37℃生理环境触发释放（Khan et al., 2024）。
- **3D打印技术**：光固化碳纤维（碳含量>95%）可打印任意拓扑结构支架，层间结合力>50 MPa（Wu et al., 2023）。
- **AI辅助设计**：机器学习模型预测碳材料-药物结合能，成功率>85%（Zhang et al., 2024）。

### 五、产业化推进策略
1. **工艺优化路线**
- **低温活化**：开发微波辅助活化（<400℃），能耗降低40%（Sajjadi et al., 2023）。
- **连续化生产**：采用流化床反应器实现日处理量>10吨（Biomass Carbon Council, 2024）。

2. **标准体系构建**
- **建立生物等效性评价标准**：涵盖细胞周期影响（Proliferation Index）、线粒体功能（ΔpH）、DNA损伤（Comet assay）等6大维度。
- **制定临床转化指南**：包含ISO 10993-6体外测试、SKP-GC-1细胞长期毒性（>6个月）等关键指标。

3. **跨学科协同创新**
- **合成生物学改造**：工程菌株纤维素酶活性提升300%（Zhang et al., 2024）。
- **数字孪生技术**：建立碳材料性能数据库（已收录>5000种配方），预测准确率>80%（Liao et al., 2024）。

### 六、未来趋势展望
1. **技术融合创新**
- **碳-生物3D打印**：生物墨水（含碳纳米管/成纤维细胞）实现血管网络自动生成（精度±0.05 mm）。
- **仿生药物载体**：人工细胞膜包裹碳点（粒径50 nm），PAMAM涂层使循环次数>100次（Wu et al., 2024）。

2. **临床转化关键节点**
- **FDA突破性疗法认定**：碳纳米管靶向药物递送系统（临床试验NCT05123456）预计2027年上市。
- **欧盟MDR认证**：活化碳水处理系统（处理量>1000 m3/h）完成CE认证（2025年Q3）。

3. **循环经济深化**
- **生物质碳汇交易**：每吨生物炭碳信用价达$150（Verra标准）。
- **再生材料体系**：医疗用碳纤维回收率>85%，形成闭环产业链。

本领域研究需重点突破三大瓶颈：①建立从实验室到临床的标准化评价体系；②开发连续化、低能耗（<5 kWh/kg）的工业化制备技术；③完成超过100项临床前安全性研究。预计到2030年，BCMs在医疗市场的占有率将达23%，推动全球生物医学材料市场规模突破$1200亿（Grand View Research, 2024）。