$天奈科技(SH688116)$ 从电池到药物递送：碳纳米管的又一新应用
ACS美国化学会
碳纳米管 (CNTs) 是纳米级结构，在改进不同材料的性能方面拥有巨大潜力。然而，其化学和电学特性、纯度、成本的不稳定性，以及对其潜在毒性的担忧，是该材料面临的持续挑战。CNTs是一维的碳同素异形体，由圆柱形的sp2杂化碳晶格构成。单壁碳纳米管是简单的管状结构，而多壁碳纳米管则是同心嵌套或像卷轴一样包裹而成 。
这些纳米级材料具有高杨氏模量和拉伸强度，并具有金属性或半导体电学特性。控制其原子排列 (手性) 会影响其导电性，因此，研究人员一直在试图了解如何利用合成参数来制备具有可预测电学特性的CNTs。近二十年来，各种基于化学气相沉积 (CVD) 的CNTs合成法的开发使这一状况得以改善。
正如我们在对人工标引的已发表科学信息内容合集——CAS内容合集 (CAS Content CollectionTM) 的分析中所见，专利活动的增加表明人们对CNTs商业应用的高度关注 。
电池技术方面的专利增长CNTs因其强度和导电性在电池材料中具有重要用途，它能在充放电循环中提供机械支撑，从而延长电池寿命，同时还充当导电通路。我们对CNT相关出版物的分析表明，专利出版物中提及电池的频率大约是期刊出版物的三倍 。许多电池专利来自中国、韩国和美国，可能是受这些地区大型消费电子行业和电动汽车制造商的推动。
CNTs出版物涉及多种电池，其中锂离子电池占据主导地位，但近年来锌离子电池相关的出版物增长迅速。在锌离子电池中，CNTs的作用是形成具有高表面积、机械韧性、柔性和导电性的支架，以支撑其他活性阴极材料。这提高了重复循环后的倍率性能和容量保持率。
MXene纳米材料的出现也激发人们开始关注这类材料在电池电极中的应用。在该应用中，CNTs可用于控制MXene的层间距，防止其重新堆叠，从而促进离子传输。CNT-MXene复合材料也可用于超级电容器来储能，但目前这些报道主要发表在期刊中，表明其尚未做好大规模商业化的准备。
复合材料应用稳步增长自20世纪90年代初被发现以来，因其良好的机械强度、高导热性和导电性，CNTs主要被用于复合材料中。涉及从体育用品到工业涂料的各种产品。CNT相关的出版物中列举了其在水凝胶、环氧树脂和聚合物中的应用，包括可再生和可生物降解的聚合物聚乳酸 (PLA)。在有些情况下，CNTs被用于增强脆性材料，使其能够适用于机械要求较高的应用。
其他值得关注的文献报道则涉及将CNTs与聚合物基质结合用于电磁屏蔽。大量复合材料相关的期刊和专利出版物都证明了CNT复合材料创新在商业和实验室应用中的可行性。
对传感器与生物医学应用的研究兴趣CNT的研究尚未实现大规模商业化，但在传感器和生物医学应用 (如药物递送) 这两大领域潜力巨大。传感器是CNT相关的期刊出版物中的第二大应用领域。CNTs可用于制造化学传感器和机械传感器，例如用于人体运动检测的应变或压力传感器。碳纳米管的强度、纵横比、导电性以及可化学功能化，使其可用于转换和传输上述刺激信号，因此在传感器应用方面具有潜力。
我们的分析显示，14%的CNT期刊出版物与传感器相关，仅7%的专利出版物与传感器相关。可能由于在现阶段，实验室规模下的传感器制造需要更多的人工投入或更昂贵的组装材料，因此难以实现商业化。另外，实验室构思的传感器可能是概念验证，或使用的目标刺激因素对未来开发而言商业价值相对较低。
同样，CNTs生物医学应用占期刊出版物的9%，但仅占专利出版物的3%。目前，CNTs已被用作药物递送支架的增强材料、神经导管上的导电材料，以及骨植入物的抗菌和结构材料。这些应用颇具前景，CNTs可能会表现出毒性，这取决于其纯度、尺寸和形状。因此，在商业化之前，需要更多的临床试验来充分验证其具体的生物医学用途。
环境修复应用的潜力CNTs的高表面积和化学可定制化，使其成为理想的吸附型和其他类型的环境污染去除材料。另外可以使用共催化剂对其进行修饰和定制，以增强对特定污染物的反应活性。例如，与不含CNT的钙钛矿相比，CNTs增强的镧-钆-氧化铁钙钛矿在降解苯酚红时具有更好的光催化性。
CNTs还可用作污水处理吸附剂，它能成功地去除环丙沙星，这是一种难以去除且对水生生物有害的抗生素。我们发现自此，对比CNTs和生物炭去除环境污染物性能相关研究的引用量显著增加。
与CNTs及环境修复相关的期刊文章数量远多于专利出版物。可能的原因是，高成本使其在环境修复应用中不具备经济可行性，或许需要开展更多基础研究来提升其成本效益。
碳纳米管需要克服的挑战CNTs的应用领域广泛，涵盖储能、耐用品、电子产品、环境修复和生物医学设备等。独特的属性使其作为原材料添加至各种产品中，但对精度的要求提高了应用的复杂性。我们的分析表明，通过调整合成参数来控制尺寸和手性仍然是研究中的一大热点。由于CNTs的手性决定了其电性质，在这方面的研究可能会找到攻克上述难题的方法。
进一步的研究，尤其是体内和临床试验，将有助于科学家更好地了解碳纳米管在生物医学应用中的毒性风险。随着CNTs产量的增加，研究人员对其纯度的了解和控制会更加深入和精准。扩大生产规模还可以解决目前的成本问题，由此推动CNTs的进一步开发，以适用于环境修复解决方案和更多成本敏感型的应用。
尽管研究面临重重阻碍，但持续创新将推动CNTs释放更大的商业潜力。