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本文综述碳气凝胶（CAs）在生物医学领域的研究进展，聚焦其独特 3D 互联纳米孔网络结构，探讨合成方法（如溶胶 - 凝胶法、超临界 CO?干燥）、性能（低密度、高孔隙率 90%-99%、大表面积达 3000 m2/g）及应用，包括生物传感、药物递送、组织工程等，分析挑战与前景。
碳气凝胶是一类具有独特三维（3D）互联网络及空气填充纳米孔结构的固态材料，融合了气凝胶低密度、高孔隙率等固有特性与组成材料的独特属性，在生物医学领域展现出广阔应用潜力。
碳气凝胶的特性与分类
碳气凝胶由碳纳米管、石墨烯、间苯二酚等材料衍生而来，具有 90%-99% 的高孔隙率、高达 3000 m2/g 的大表面积及可调孔隙率与导电性等特性。但其常面临脆性和机械强度低的问题，可按来源等分为不同类型。
制备方法的发展
传统制备采用间苯二酚和甲醛的溶胶 - 凝胶工艺，结合溶剂交换与超临界 CO?干燥以保留孔隙率。近年来，创新方法引入多种有机和生物基前体，推动更可持续、经济且定制化的合成路径发展。
生物相容性、降解性与毒性
碳气凝胶具有潜在生物相容性，其多孔结构利于细胞生长和组织整合，表面修饰可降低免疫反应与炎症。但需基于合成方法和污染物进行全面评估，毒性 concerns 包括合成残留化学物质及潜在呼吸问题等。
生物医学应用领域
- 生物传感：高表面积与多孔结构利于电子转移和分析物吸附，可实现低水平生物标志物的灵敏检测，如基于石墨烯的碳气凝胶电导率可达 10 S/cm，适用于电化学生物传感器。
- 药物递送：通过可调孔隙实现药物控释，在载药量等方面优于传统系统。
- 组织工程：可定制力学性能的支架为细胞生长和修复提供条件。
- 伤口愈合：生物相容性、吸液能力与透氧性创造加速愈合的最佳条件，抗氧化特性进一步辅助恢复。
- 神经 prosthetics 与植入设备：高导电性与生物相容性使其适合开发先进神经接口，改善电子设备与生物组织间的通信。
当前挑战与未来前景
尽管优势显著，碳气凝胶在生物医学应用中仍面临挑战。需对生物相容性和潜在毒性进行彻底长期评估；用于支架等场景时，机械强度可能不足，需在不影响低密度等特性的前提下提升结构性能；药物控释需精确调节速率、靶向性和刺激响应性。未来，绿色合成、功能化修饰等或成为突破方向，推动其在可持续生物医学材料领域的应用。
结论
碳气凝胶凭借高孔隙率、超轻重量和大表面积等特性，在组织工程、药物递送、生物传感、伤口愈合等生物医学领域具有重要价值。可通过结构定制和表面修饰增强其生物相容性与功能，但机械稳定性和长期生物相容性等挑战仍需解决。
