近年來，金剛石的功能化應(yīng)用的探索受到了前所未有的重視。從研發(fā)到市場，產(chǎn)業(yè)鏈條的整體水平都有了大幅提升。特別是，隨著對納米金剛石各種優(yōu)異性質(zhì)認(rèn)識的深化，其在金屬鍍膜、磁性記錄系統(tǒng)、儲能、催化、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域開始獲得應(yīng)用，且應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)展，我們也從跟跑逐漸向領(lǐng)跑進(jìn)軍，但其中仍存在許多關(guān)鍵性問題尚未解決。

《Carbontech Magazine》編委會特邀只金芳研究員，就納米金剛石在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的功能化應(yīng)用需要攻克的關(guān)鍵難題和未來臨床應(yīng)用前景，以及納米金剛石新應(yīng)用領(lǐng)域等，進(jìn)行了交流和探討。

研究員（博導(dǎo)），1984 年畢業(yè)于南開大學(xué)，1987 年南開大學(xué)碩士學(xué)位。1995 年獲日本東京大學(xué)工學(xué)部博士學(xué)位。1995 年至 1999 年，日本 NOK 先端技術(shù)研究所任研究員。2000 年至 2003 年任日本 JST 研究員。2005 年至 2006 年 12 月日本早稻田大學(xué)客座研究員。2003 年作為中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所國外引進(jìn)人才回國。長期從事金剛石薄膜電極材料，納米金剛石材料等的應(yīng)用開發(fā)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文 140 余篇，授權(quán)專利 30 余項。先后主持和承擔(dān)科技部國際合作重大項目，國家自然科學(xué)基金，北京市自然科學(xué)基金重大項目；中科院國際合作等項目?，F(xiàn)任任中國感光學(xué)會理事，中國光催化專業(yè)委員會秘書長，常務(wù)副主任。

開拓納米金剛石材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

納米醫(yī)學(xué)發(fā)展至今，儼然成為現(xiàn)代醫(yī)療的一個重要發(fā)展方向。近年來，科學(xué)家們積極利用納米金剛石顆粒獨特的惰性和其優(yōu)異的生物相容性，對其進(jìn)行各種功化設(shè)計，并將其應(yīng)用于載藥、標(biāo)記、蛋白質(zhì)分離、抗癌治療、光催化……領(lǐng)域。納米金剛石材料的多樣性及應(yīng)用潛力愈來愈突顯，成為各國熱門研究課題。

在國際上，就有這樣一個團(tuán)隊，默默堅持納米金剛石的基礎(chǔ)研究的同時，兼顧應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)，在納米金剛石材料的功能化應(yīng)用，特別是在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用，多年勤懇耕耘。這就是中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所只金芳研究員的團(tuán)隊。

早在 2006 年，只金芳研究員的團(tuán)隊就開始進(jìn)行納米金剛石材料的研究。這是國內(nèi)乃至國際上最早利用納米金剛石材料的優(yōu)異特性，探索其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域功能化應(yīng)用的研究團(tuán)隊。最初的課題是利用納米金剛石高穩(wěn)定性和生物兼容性，研究其表面的活性化修飾方法，并將其作為藥物載體，附載抗癌藥物 - 順鉑，用于宮頸癌細(xì)胞的殺傷和順鉑藥物的緩釋等體外實驗。該項成果發(fā)表《Small》雜志上。多年后，這篇文章被認(rèn)為是國際上利用納米金剛石應(yīng)用于生物醫(yī)藥方面研究的首篇論文。

隨著納米金剛石得到大家廣泛的認(rèn)可和關(guān)注，只金芳研究員的團(tuán)隊的工作得以進(jìn)一步的推進(jìn)，取得了許多令人矚目的成果。如開發(fā)了基于納米金剛石為藥物載體、表皮生長因子 (EGF) 為靶向因子的藥物主動靶向遞送系統(tǒng)。并利用載帶藥物的納米金剛石的特征拉曼光譜作為探針，可視化觀測腫瘤細(xì)胞的對納米金剛石粒子的內(nèi)吞，遷移等狀態(tài)，使其既可以用于載體，也可用于治療（靶向藥物遞送），并可用于診斷（例如拉曼光譜成像、色心熒光成像）等診療一體化功能。最新研究成果進(jìn)一步表明：高溫高壓法制備的納米金剛石（HTHP Nanodimonds: NDs）粒子還可干預(yù)腫瘤細(xì)胞的生理行為，能有效抑制腫瘤細(xì)胞的遷移，并干擾細(xì)胞遷移相關(guān)的多個基因表達(dá)。并利用小鼠肺轉(zhuǎn)移模型驗證了納米金剛石材料在體內(nèi)對腫瘤轉(zhuǎn)移的抑制效果。他們的研究成果提示了我們：納米金剛石材料在未來的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中不僅可作為單純的載體和探針，更有可能通過對其表面修飾，使其本身也成為了一種“監(jiān)禁”并導(dǎo)致“凋亡”的納米藥物。

一個領(lǐng)域的突破，需要科研團(tuán)隊的長期努力與布局

未來，納米金剛石領(lǐng)域是否能取得突破性進(jìn)展，需要科研人員的堅持與創(chuàng)新。只金芳研究員團(tuán)隊在過去近 20 年里，主要是集中精力于光催化的功能材料和金剛石材料的應(yīng)用研究兩大方向。

該團(tuán)隊在碳基納米材料方向上，除去納米金剛石材料，還在開發(fā)以納米金剛石為前軀體制備的其他新型碳納米材料，如納米洋蔥碳材料等，即具有洋蔥層狀結(jié)構(gòu)的碳基納米材料，最新研究顯示：這類材料有優(yōu)異的光致熱特性，并有望作為新型靶向光熱材料用于精準(zhǔn)腫瘤治療領(lǐng)域。

另外，基于色心納米金剛石的研究。色心金剛石，最大特點就是熒光性非常穩(wěn)定，并且高強(qiáng)度的熒光是通過其自身的缺陷產(chǎn)生的發(fā)光，在量子力學(xué)特別是量子傳感方面應(yīng)用非常多。這在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也是一個非常重要的熒光材料。色心金剛石具有室溫下穩(wěn)定、無光漂白等優(yōu)異性能，那么如何把這個熒光探針用在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，然后進(jìn)行多模態(tài)可視化，用來解釋醫(yī)學(xué)現(xiàn)象，例如癌癥細(xì)胞增值、遷移等過程，也是只金芳研究員團(tuán)隊將來要做的另一個主要研究方向。

未來，只金芳研究員團(tuán)隊依然還會持續(xù)深入布局這兩個領(lǐng)域，繼續(xù)耕耘，解決科研難題的同時，不斷創(chuàng)新，做出更有價值的產(chǎn)品。對于納米金剛石在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的功能化應(yīng)用需要攻克的關(guān)鍵難題和未來臨床應(yīng)用前景，以及納米金剛石新應(yīng)用領(lǐng)域等情況，只金芳研究員也作出了詳細(xì)的解釋。

納米金剛石醫(yī)藥領(lǐng)域必須要突破的關(guān)鍵性難題—體內(nèi)毒性問題

納米金剛石在生物成像、抗癌藥物運輸和癌癥治療等領(lǐng)域都有著非常突出的表現(xiàn)，但真正決定這項科學(xué)研究能否具有實際應(yīng)用價值的關(guān)鍵在于下面難題是否被突破。

現(xiàn)有實驗結(jié)果表明：在所有新型碳基納米材料中，納米金剛石材料被認(rèn)為是生物兼容性最好、最安全，同時對生態(tài)最友好的材料，但納米材料由于它本身粒徑小和活性高，這些活性的小顆粒在體內(nèi)的狀態(tài)， 是否可以排泄出來等等，還沒有完全的認(rèn)知。這需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究和驗證，包括：納米金剛石進(jìn)入生物體內(nèi)的狀態(tài)，如是否聚沉、粒徑改變等如何影響其性能？進(jìn)入生物體內(nèi)后，它能不能被順利的排泄出來，或者如何能使其完成工作后排泄出來？其對人體各種細(xì)胞的毒性如何等，這是作為一個藥物（載體）必須要實證和解決的關(guān)鍵性問題！

目前國際上對于納米金剛石在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的研究，主要分為兩個方向：體外應(yīng)用和體內(nèi)應(yīng)用。

（1）體外應(yīng)用。如添加納米金剛石的增強(qiáng)牙膠材料。納米金剛石兼有金剛石與納米材料的特性，如高硬度、高耐腐蝕性、高表面活性、高透明度、高耐磨性等，以及良好的生物相容性，是更為理想的口腔材料。納米金剛石復(fù)合牙科樹脂可以提高牙齒修復(fù)材料原有的機(jī)械性能，改善牙齒修復(fù)材料界面性能，降低其接觸角，使牙齒修復(fù)材料更易于清潔，且具有抗細(xì)菌粘附的效果。目前，這類牙膠的開發(fā)已進(jìn)入臨床實驗?？梢哉f是在接近產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的道路上。

（2）體內(nèi)應(yīng)用。盡管納米金剛石在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究成果不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)外的關(guān)注也在持續(xù)升溫。但是，目前尚未有進(jìn)入臨床的報道。臨床實驗是一個需要大量經(jīng)費和多方支持共同完成的工作，屬于需要跨界合作攻克的難題。

因此，納米金剛石材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用，從基礎(chǔ)研究到市場化，還是有一條漫長的路要走。

光催化，是納米金剛石另一個值得開辟領(lǐng)域

當(dāng)然，納米金剛石吸引科研人員的魅力不僅于此。近年來其在光催化領(lǐng)域也是引起了越來越多的關(guān)注。新型碳材料作為光催化材料的研究得到廣泛的關(guān)注，如碳量子點， sp2/sp3 雜化結(jié)構(gòu)的納米金剛石材料等。

科研人員通過對納米金剛石功能化研究發(fā)現(xiàn)，由于其表面常常具有一些碳雜質(zhì)，或者說 sp2 碳和 sp3 碳以一個合適的比例存在的話，這類結(jié)構(gòu)的碳材料具有明顯的光催化性能。所謂的光催化性能就是在特定光的照射下，它會快速發(fā)生電子、空穴躍遷分離，而空穴產(chǎn)生強(qiáng)氧化能力，可以起到殺菌、分解有機(jī)物的作用。另外，在能源領(lǐng)域也有一些應(yīng)用，例如，它可以作為一個輔助催化劑用于水光解產(chǎn)氫，目前這方面的研究也在逐漸得到關(guān)注。

但如何挖掘納米金剛石材料的光催化潛力，還有很多方面需要探討。

首先，如何進(jìn)一步提高納米金剛石光催化活性，例如，如何調(diào)整 sp2 和 sp3 結(jié)構(gòu)的比例，摻雜和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整等都需要進(jìn)一步進(jìn)行分子設(shè)計。其次，如何提高它對可見光的響應(yīng)性。常規(guī)使用的二氧化鈦光催化劑，由于其帶隙較寬，太陽光譜中僅有 3%左右的 365 nm 的紫外線對其有激發(fā)作用。碳系光催化劑，包括碳量子點，納米金剛石這種 sp2/sp3 雜化的碳基材料，是否可以通過摻雜的方法精確控制帶隙，使其在可見光范圍內(nèi)有很好的吸收響應(yīng)，從而充分提高太陽能的利用率。在機(jī)理方面，我們可能還需要進(jìn)一步探討和做一些系統(tǒng)的研究：表面狀態(tài)，如空穴，表面缺陷將如何影響光催化性能等。

目前，除了在環(huán)境領(lǐng)域的處理有機(jī)污染物的應(yīng)用以外，納米金剛石作為催化劑在 CO2 還原、殺菌、固氮、水分解制氫等領(lǐng)域的研究還比較少，或許，這也是將來碳類催化劑的研究熱點，都是一個值得探索和需要開辟的新領(lǐng)域。

產(chǎn)學(xué)研合作是支撐基礎(chǔ)創(chuàng)新到實際應(yīng)用過程中的重要橋梁

一項科研成果最終是否能夠走到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，這是離不開企業(yè)參與的。在這個過程中，科研院所和企業(yè)分別扮演不同的角色，需要承擔(dān)各自的責(zé)任，這是一個國家科技發(fā)展中的非常重要、不可或缺的環(huán)節(jié)！只金芳研究員提出，以科研工作指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)提升產(chǎn)品的高科技附加值，是科研院所不可推卸的責(zé)任。科研人員不能觀望，需要做一些實際性的工作，尤其在提升企業(yè)的核心技術(shù)競爭力上更應(yīng)該做一些工作。

同時，企業(yè)是實現(xiàn)科研想法與成果實踐的重要平臺。有用的科學(xué)研究不會只停留在實驗室，必須變成一個有用的產(chǎn)品或有用技術(shù)。另外，調(diào)動企業(yè)參與創(chuàng)新積極性，提高企業(yè)利用科研院所的成果進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的積極性，也是科研創(chuàng)新的重要保障。只金芳研究員建議由企業(yè)設(shè)立一些研究院所，專職于孵化實驗室研究成果，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品是必不可少的一環(huán)，也是支撐科研院所的研究成果到應(yīng)用產(chǎn)品或技術(shù)的重要一部分。

科研人員要做有用的科學(xué)研究，不要辜負(fù)國家的期望

無論從政府到科學(xué)家、企業(yè)家、投資者都非常重視創(chuàng)新。一個有競爭力產(chǎn)品的源頭是創(chuàng)新，一個國家的發(fā)展同樣離不開創(chuàng)新。但如何做好創(chuàng)新工作，做什么樣的創(chuàng)新，這與科研人員的認(rèn)知有很大的關(guān)系，這也是對每個科研工作者的靈魂拷問！

只金芳研究員認(rèn)為創(chuàng)新是我國技術(shù)發(fā)展的大趨勢，科研院所需要參與國家的創(chuàng)新，跟準(zhǔn)國家的大方向，按照國家需求來做科學(xué)研究，這是一項基本工作，也是一份需要承擔(dān)的責(zé)任。

另外，作為國家的科研團(tuán)隊，科研人員一定要做有用的科學(xué)研究，不要辜負(fù)國家的期待和投入科研經(jīng)費。這也是只金芳研究員多年職業(yè)生涯一直秉承的信念。她提到所謂“有用的科學(xué)研究”，就是科研人員做出來的這些研究工作要能夠用在實際上，能夠造福人類，這是一個作為科學(xué)家應(yīng)該具備的基本想法或者信念。

創(chuàng)新是一個不斷積累的過程，青年科研人員能夠耐得住寂寞

任何一個創(chuàng)新都不是憑空出來的，不管是從 0 到 1 的創(chuàng)新，還是從 1 到 100 的創(chuàng)新，都需要一個積累的過程。

青年科研人員是我們國家科技創(chuàng)新的主力，如果一個青年科研人員追求的是頭銜、榮譽(yù)、曝光度和影響力，那么誰來做具體的工作？因此，只金芳研究員認(rèn)為，科學(xué)研究是一個需要耐得住寂寞的職業(yè)，沉下心來專心做科研。只有不斷積累，才能發(fā)生量到質(zhì)的轉(zhuǎn)變。

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