创新：二维闪蒸石墨烯最新应用场景！

二维材料以其极薄的体态，通常仅数纳米或更少的厚度，以及出色的比表面积和卓越的电导率而著称，这些特性使它们成为制造分析传感器的理想选择。近年来，基于二维材料的电化学传感器因其快速反应和成本效益而被推崇，用于监测多种生物化合物、食品添加剂、药物和环境污染物。二维材料中的电子能够自由地在二维平面内移动，这与三维材料不同。目前，二维材料家族包括了从众所周知的石墨烯、氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO），到六方氮化硼（h-BN）、氟化石墨烯、过渡金属硫化物（TMDCs）以及二维金属氧化物等众多晶体。石墨烯的单层蜂窝状结构已经在生物传感器、微电子、复合材料、超级电容器和医药应用等多个领域引起了研究者的极大兴趣。石墨烯中的每个碳原子都是sp2杂化的，具有0.142纳米的特征碳-碳键距离，并展现出独特的电子云，通过共价键紧密地将每个碳原子与其邻近原子结合在一起。除了这些特性外，石墨烯还具有卓越的热导和电导性能。然而，实现石墨烯的大规模、低成本、环境友好型合成一直是一个挑战。传统的石墨烯合成方法包括化学还原、从天然石墨的机械剥离、电化学剥离、液相剥离、化学气相沉积和外延生长等。这些方法中使用的还原剂（如肼）的毒性对大规模生产构成了严重问题。

文章简介

2024年1月，印度国家技术学院Monalisa Mishra研究团队在《Applied Nanoscience》期刊上发表了题为“2D material graphene as a potential antidiabetic and nontoxic compound in Drosophila melanogaster”的论文。本研究深入探讨了利用闪蒸焦耳加热技术制备的非官能化石墨烯对果蝇（Drosophila melanogaster）的潜在作用。通过场发射扫描电子显微镜、高分辨率透射电子显微镜、拉曼光谱学和X射线衍射研究等多种表征手段，详细分析了所制备石墨烯的物理化学特性。经表征后，将石墨烯粉末以0.02至0.5%的不同剂量口服给果蝇，证实了其作为潜在治疗应用的非毒性特性。通过Trypan蓝和4′,6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）等实验显示，石墨烯对果蝇幼虫肠道的细胞膜和细胞核无害。此外，通过爬行和攀爬行为测试评估了石墨烯对果蝇幼虫和成虫的神经毒性，结果表明石墨烯无神经毒性。研究进一步利用高蔗糖饮食诱导的糖尿病果蝇模型，评估了石墨烯的抗糖尿病特性。同时，使用革兰氏阳性菌B. subtilis和革兰氏阴性菌P. aeruginosa研究了石墨烯的抗菌特性。实验结果显示，石墨烯处理后，果蝇的代谢状况得到改善，包括血淋巴中游离葡萄糖水平下降36%，以及在最高浓度下显著减少的脂滴。此外，石墨烯处理还导致糖尿病果蝇产生的活性氧（ROS）荧光强度降低了57%。综合这些证据，本研究得出结论，石墨烯的非毒性和抗糖尿病特性可被用来缓解与II型糖尿病和肥胖相关的症状。这些发现为石墨烯在生物医学领域的应用提供了新的视角，并为未来治疗代谢性疾病的策略开辟了新的可能性。

图文导读

在本研究中，研究人员深入探讨了非官能化石墨烯（由闪光焦耳加热技术制备）对果蝇的潜在生物学效应。石墨烯因其独特的理化特性，在生物医学领域显示出广泛的应用潜力，包括作为生物传感器、药物载体、基因传递剂以及在肿瘤细胞成像、癌症治疗和光热应用中的工具。此外，石墨烯在纳米电子学、能源技术和燃料电池等工业领域也显示出巨大的应用前景。

图1展示了通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）获得的石墨烯表面形貌，以及高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）下的石墨烯单层图像。X射线衍射（XRD）分析揭示了石墨烯的晶体结构，而紫外-可见光谱（UV-vis）显示了石墨烯在紫外到可见光范围内的广泛吸收特性，表明其作为光活性材料的潜力。能量色散X射线光谱（SEM-EDS）进一步证实了石墨烯的纯度，仅含碳元素。

图2通过扫描电子显微镜（SEM）图像和能量色散X射线光谱（EDS）分析，进一步确认了石墨烯的形态和成分。

在对果蝇的毒性评估中，图3利用拉曼光谱分析确认了石墨烯在果蝇肠道中的积累，且未观察到对肠道细胞的毒性影响。

DAPI染色和Trypan蓝染料排除实验（图4）进一步证实了石墨烯对果蝇肠道细胞核和细胞膜的安全性。

图5展示了成年果蝇的攀爬行为实验结果，证实了石墨烯处理的果蝇在行为上与对照组无显著差异，表明其非神经毒性。

图6通过观察果蝇成体的多种表型特征，包括眼睛、翅膀、胸膛和腹部，未发现石墨烯处理导致的任何表型缺陷。

在评估石墨烯的抗糖尿病特性时，图7显示了石墨烯对果蝇发育周期的影响，表明石墨烯可能促进了果蝇的早期发育。

图8通过酶联免疫吸附试验（ELISA）评估了石墨烯对果蝇血淋巴中游离葡萄糖水平的影响，结果表明石墨烯处理显著降低了糖尿病果蝇模型中的血糖水平。

图9利用尼罗红染色技术观察了石墨烯对果蝇脂肪滴积累的影响，结果显示石墨烯处理显著减少了脂肪滴的大小和数量，这与石墨烯的浓度成正比。

图10通过DCFH-DA染色技术评估了石墨烯对活性氧（ROS）水平的影响，结果表明石墨烯处理显著降低了糖尿病果蝇的ROS水平，这可能与其抗糖尿病特性有关。

最后，图11展示了石墨烯的抗菌活性，证实了石墨烯对多种细菌具有抑制作用，这为石墨烯在减少糖尿病相关细菌感染方面的潜在应用提供了证据。

综上，本研究通过详细的实验设计和严格的科学分析，全面评估了非官能化石墨烯的生物相容性、非毒性以及在糖尿病治疗和抗菌方面的潜在应用价值。通过这些发现，研究人员为石墨烯在生物医学领域的应用提供了新的视角，并为未来治疗代谢性疾病的策略开辟了新的可能性。

总结与展望

本研究开创性地展示了纯石墨烯作为一种治疗剂的新应用，这种石墨烯不含任何官能团，能够通过饮食途径给药。研究结果表明，石墨烯具有作为抗糖尿病剂的潜力，并能促进早期发育，同时展现出良好的非毒性特性。在0.02%至0.5%的浓度范围内，石墨烯治疗显著降低了循环血糖和脂质沉积水平，并加速了生长。此外，还观察到活性氧（ROS）水平的显著降低，这些在糖尿病患者中通常水平升高的物质得到了有效控制。石墨烯对生长发育具有积极的影响，能够诱导生长发育的改善。

基于上述发现和石墨烯的非毒性特性，可以推断，在0.02-0.5%的浓度范围内应用石墨烯能够减轻类似糖尿病的症状。这些发现为石墨烯在生物医学领域的应用提供了新的视角，并为未来治疗代谢性疾病的策略开辟了新的可能性。未来的研究将进一步探索石墨烯在改善糖尿病及其并发症方面的具体机制，以及它在其他生物医学应用中的潜力。此外，研究也将关注如何优化石墨烯的制备和给药方法，以实现更高效和安全的治疗。随着对石墨烯生物学特性的深入了解，期待这一材料能够在治疗糖尿病等代谢性疾病中发挥重要作用，为患者带来新的希望。

文章链接

Dash, K., Panda, D.k., Yadav, K. et al. 2D material graphene as a potential antidiabetic and nontoxic compound in Drosophila melanogaster. Appl Nanosci 14, 423–439 (2024). https://doi.org/10.1007/s13204-023-02988-y