Einführung
Kohlenstoff ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 6 und hat sechs Elektronen, die 1 s2, 2 s2 und 2p2 Atomorbital einnehmen. Es kann in sp, sp2 oder sp3 Formen hybridisieren. Entdeckungen von sehr konstanter Nanometergröße in kohlenstoffgebundenen Materialien wie Graphen , Fullerenen und Kohlenstoffnanoröhren haben dazu ermutigt, Anfragen auf diesem Gebiet zu stellen., Die meisten physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren stammen von Graphen. In Graphen sind Kohlenstoffatome dicht in einem regulären sp2-gebundenen Wabenmuster (hexagonal) im atomaren Maßstab organisiert, und dieses Muster ist eine Grundstruktur für andere sp2-kohlenstoffgebundene Materialien (Allotrope) wie Fullerene und Kohlenstoffnanoröhren. Kohlenstoff-Nanoröhre wird theoretisch als Zylinder aus aufgerolltem Graphemblech hergestellt. Es kann sich in einen einzelnen Brunnen oder mehrere Brunnen teilen., Nanoröhrchen mit einer einzigen Bohrung werden als einwandige Kohlenstoffnanoröhrchen (SWCNTs) beschrieben und wurden erstmals 1993 berichtet , während diejenigen mit mehr als einer Bohrung mehrwandige Kohlenstoffnanoröhrchen (MWCNTs) sind und erstmals 1991 von Iijima entdeckt wurden (Abbildung 1).
die Schematische Struktur und TEM-Bilder von SWCNT und MWCNT. (A) Schematische Struktur von SWCNT und (B) MWCNT. Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) Bilder von (C) SWCNT und (D) MWCNT .,
Kohlenstoff-Nanoröhren: Struktur und Eigenschaften
Kohlenstoff kann sich auf unterschiedliche Weise verbinden, um Strukturen mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften zu konstruieren. Die sp2-Hybridisierung von Kohlenstoff bildet eine Schichtkonstruktion mit schwacher Out-of-Plane-Bindung der Van der Waals-Form und starken In-Plane-Grenzen. Ein paar bis ein paar zehn konzentrische Zylinder mit dem regelmäßigen periodischen Zwischenschichtabstand lokalisieren sich um gewöhnliche zentrale hohle und gemachte MWCNTs. Die Echtraumanalyse von Mehrwand-Nanoröhrenbildern hat einen Bereich von Zwischenschichtabständen (0,34 bis 0) gezeigt.,39 nm) .
Abhängig von der Anzahl der Schichten divergiert der Innendurchmesser von MWCNTs von 0,4 nm bis zu einigen Nanometern und der Außendurchmesser variiert charakteristisch von 2 nm bis zu 20 bis 30 nm. Beide Spitzen von MWCNT haben normalerweise geschlossen und die Enden sind mit kuppelförmigen Halbvollerenmolekülen (fünfeckigen Defekten) verschlossen, und die axiale Größe unterscheidet sich von 1 µm bis zu einigen Zentimetern. Die Rolle der Halb-Fulleren-Moleküle (fünfeckiger Ringdefekt) besteht darin, beim Schließen der Röhre an den beiden Enden zu helfen.
SWCNT-Durchmesser unterscheiden sich dagegen von 0.,4 bis 2 bis 3 nm, und ihre Länge liegt typischerweise im Mikrometerbereich. SWCNTs können normalerweise zusammenkommen und Bündel (Seile) bilden. In einer Bündelstruktur sind SWCNTs sechseckig organisiert, um eine kristallartige Konstruktion zu bilden .
MWCNT-und SWCNT-Struktur
Abhängig vom Wickeln auf Zylinderweise gibt es drei verschiedene Formen von SWCNTs wie Sessel, Chiral und Zickzack (Abbildung 2B). Die Struktur eines SWCNT ist durch ein Paar von Indizes (n, m) gekennzeichnet, die den chiralen Vektor beschreiben und sich direkt auf die elektrischen Eigenschaften von Nanoröhren auswirken., Die Anzahl der Einheitsvektoren im Wabenkristallgitter von Graphen entlang zweier Richtungen wird durch die ganzen Zahlen n und m bestimmt. Als allgemeine Meinung, wenn m = 0, werden die Nanoröhren Zickzack-Nanoröhren genannt; wenn n = m, werden die Nanoröhren Sessel-Nanoröhren genannt, und andere Formen werden chiral genannt.
Verschiedene Formen von SWNTs. (A) Der chirale Vektor C bestimmt auch den Rohrdurchmesser. (B) Modelle von drei atomar perfekten SWCNT-Strukturen .,
Der chirale Vektor C = na1 + ma2 (a1 und a2 sind die Basiszellenvektoren von Graphit) bestimmt auch den Rohrdurchmesser d, und dieser Vektor ermittelt die Richtung des Rollens eines Graphenblattes (Abbildung 2A). Daher kann der Durchmesser eines Kohlenstoffrohrs berechnet werden durch
wobei a=1,42× 3 Å der Gitterkonstante in der Graphitplatte entspricht.,
Wenn n-m ein Vielfaches von 3 ist, wird das Nanoröhrchen als „metallisch“ oder hochleitende Nanoröhren beschrieben, und wenn nicht, dann ist das Nanoröhrchen ein halbmetallischer oder Halbleiter.
Zu jeder Zeit ist die Sesselform metallisch, während andere Formen die Nanoröhre zu einem Halbleiter machen können.
Viele Parameter und Vektoren können sich auf Nanoröhrenstrukturen wie die folgenden auswirken :
Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren können in zwei Strukturmodellen gebildet werden: Russisches Puppenmodell und Pergamentmodell., Wenn ein Kohlenstoffnanoröhrchen ein anderes Nanoröhrchen enthält und das äußere Nanoröhrchen einen größeren Durchmesser als das dünnere Nanoröhrchen hat, wird es als russisches Puppenmodell bezeichnet. Wenn andererseits ein einzelnes Graphenblatt mehrmals um sich selbst gewickelt wird, genau wie eine aufgerollte Papierrolle, wird es als Pergamentmodell bezeichnet. MWCNTs und SWCNTs haben ähnliche Eigenschaften., Aufgrund der mehrschichtigen Natur von MWCNTs können die Außenwände die inneren Kohlenstoffnanoröhren nicht nur vor chemischen Wechselwirkungen mit äußeren Substanzen abschirmen, sondern auch hohe Zugfestigkeitseigenschaften aufweisen, die in SWCNTs nicht (oder teilweise) vorhanden sind (Tabelle 1).
Da Kohlenstoffnanoröhren die sp2-Bindungen zwischen den einzelnen Kohlenstoffatomen aufweisen, weisen sie eine höhere Zugfestigkeit auf als Stahl und Kevlar., Diese Bindung ist noch stärker als die sp3-Bindung in Diamant. Theoretisch können SWCNTs wirklich eine Zugfestigkeit Hunderte Male stärker als Stahl haben.
Eine weitere erstaunliche Eigenschaft von Kohlenstoffnanoröhren ist auch die Elastizität., Unter hoher Kraft und Presse, und wenn es großen axialen Druckkräften ausgesetzt ist, kann es sich biegen, verdrehen, knicken und schließlich schnallen, ohne die Nanoröhre zu beschädigen, und die Nanoröhre wird zu ihrer ursprünglichen Struktur zurückkehren, aber eine Elastizität von Nanoröhren hat eine Grenze, und unter sehr physikalisch starken Kräften pressen, es ist möglich, sich vorübergehend zu verformen Form einer Nanoröhre. Einige der Defekte in der Struktur der Nanoröhre können die Stärke einer Nanoröhre schwächen, beispielsweise Defekte in atomaren Leerstellen oder eine Neuanordnung der Kohlenstoffbindungen.,
Die Elastizität in ein – und mehrwandigen Nanoröhren wird durch Elastizitätsmodul oder Elastizitätsmodul bestimmt . Der Elastizitätsmodul von Mehrwand-Nanoröhren (MWNTs) wird mit Transmissionselektronenmikroskopen (TEM) analysiert. Wissenschaftler, die das TEM verwenden, messen und untersuchen die thermischen Schwingungen an beiden Enden der Rohre. Aufgrund der Stärke der atomaren Bindungen in Kohlenstoffnanoröhren können sie nicht nur hohen Temperaturen standhalten, sondern haben sich auch als sehr gute Wärmeleiter erwiesen. Sie können bis zu 750°C bei normalem und 2.800°C bei Vakuumatmosphärendruck aushalten., Die Temperatur der Rohre und der äußeren Umgebung kann die Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren beeinflussen . Einige der wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Synthese
Es wurden verschiedene Techniken zur Herstellung von CNT-Strukturen entwickelt, die hauptsächlich Gasphasenprozesse betreffen., Üblicherweise werden drei Verfahren zur Herstellung von CNTs verwendet: (1) die chemische Dampfabscheidungstechnik (CVD), (2) die Laserablationstechnik und (3) die Kohlenstoffbogenentladungstechnik (Tabelle 3)., Hochtemperaturpräparationstechniken, zum Beispiel Laserablation oder Lichtbogenentladung, wurden zuerst verwendet, um CNTs zu synthetisieren, aber derzeit wurden diese Techniken durch Niedertemperatur-Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung (CVD) ersetzt (<800°C), da die Nanoröhrchenlänge, der Durchmesser, die Ausrichtung, die Reinheit, die Dichte und die Orientierung von CNTs bei den Methoden zur chemischen Dampfabscheidung bei niedriger Temperatur (CVD) genau gesteuert werden können .,
Lichtbogenentladung
Die Lichtbogenentladungstechnik verwendet höhere Temperaturen (über 1.700°C) für die CNT-Synthese, die typischerweise die Expansion von CNTs mit weniger strukturellen Defekten im Vergleich zu anderen Methoden verursacht., Die am häufigsten verwendeten Methoden verwenden Lichtbogenentladung zwischen hochreinen Graphitelektroden (6 bis 10 mm optische Dichte (OD)), normalerweise wassergekühlte Elektroden mit Durchmessern zwischen 6 und 12 mm und getrennt durch 1 bis 2 mm in einer mit Helium gefüllten Kammer (500 torr) bei Subatmosphärendruck (Helium kann durch Wasserstoff-oder Methanatmosphäre ersetzt werden) . Die Kammer enthält eine Graphitkathode und eine Anode sowie verdampfte Kohlenstoffmoleküle und eine gewisse Menge an Metallkatalysatorpartikeln (wie Kobalt, Nickel und/oder Eisen)., Gleichstrom wird durch den Sturz (Lichtbogenverfahren) geleitet, und die Kammer wird unter Druck gesetzt und auf ungefähr 4.000 K erhitzt.Im Verlauf dieses Verfahrens und des Lichtbogens verfestigt sich etwa die Hälfte des verdampften Kohlenstoffs an der Kathodenspitze (negative Elektrode) und es bildet sich eine Ablagerung mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min, die als „zylindrische harte Ablagerung oder zigarrenartige Struktur“ bezeichnet wird, während die Anode (positive Elektrode) verbraucht wird. Der verbleibende Kohlenstoff (eine harte graue Hülle) lagert sich an der Peripherie ab und kondensiert in „Kammerruß“ in der Nähe der Kammerwände und „Kathodenruß“ an der Kathode., Der innere Kern, Kathodenruß und Kammerruß, die dunkel und weich sind, ergeben entweder einwandige oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren und verschachtelte polyedrische Graphenpartikel. Durch die Verwendung der Rasterelektronenmikroskopie (REM) lassen sich bei der Untersuchung der Kathodenablagerung zwei unterschiedliche Texturen und Morphologien beobachten: Die dunklen und weichen inneren Kernablagerungen bestehen aus bündelartigen Strukturen, die zufällig angeordnete Nanoröhren enthalten, und die graue äußere Hülle, die aus gekrümmten und festen Graphemschichten besteht.,
In der Lichtbogenentladungsabscheidung und-synthese von CNTs gibt es zwei hauptsächliche verschiedene Wege: Synthese unter Verwendung verschiedener Katalysatorvorläufer und ohne Verwendung von Katalysatorvorläufern. Im Allgemeinen könnte die Synthese von MWNTs ohne Verwendung von Katalysatorvorläufern erfolgen, aber die Synthese von einwandigen Nanoröhren (SWNTs) verwendet verschiedene Katalysatorvorläufer und verwendet zur Expansion in der Lichtbogenentladung eine komplexe Anode, die als Zusammensetzung aus Graphit und einem Metall hergestellt wird, beispielsweise Gd, Co, Ni, Fe , Ag, Pt, Pd usw., oder Mischungen von Co, Ni und Fe, die andere Elemente wie Co-Pt, Co-Ru , Ni-Y, Fe-Ni, Co-Ni, Co-Cu, Ni-Cu, Fe-No, Ni-Ti, Ni-Y, etc. Studien haben gezeigt, dass Ni-Y-Graphitgemische hohe Ausbeuten (<90%) von SWNTs (durchschnittlicher Durchmesser von 1,4 nm) erzeugen können , und heutzutage wird diese Mischung weltweit zur Erzeugung von SWNTs mit hoher Ausbeute verwendet. Der Hauptvorteil der Lichtbogenentladungstechnik ist Fähigkeit und Potenzial für die Herstellung einer großen Menge von Nanoröhren. Der Hauptnachteil dieser Methode ist jedoch die relativ geringe Kontrolle über die Ausrichtung (d.h.,, Chiralität) der erzeugten Nanoröhren, was für ihre Charakterisierung und Rolle wichtig ist. Zusätzlich ist wegen des metallischen Katalysators, der für die Reaktion benötigt wird, Reinigung der erhaltenen Produkte wesentlich.
Laserablationsverfahren
Unter Verwendung einer Hochleistungslaserverdampfung (YAG-Typ) wird ein Quarzrohr, das einen Block aus reinem Graphit enthält, in einem Ofen bei 1.200 ± C in einer Ar-Atmosphäre erhitzt . Das Ziel der Verwendung von Laser ist das Verdampfen des Graphits innerhalb des Quarzes., Wie über die Synthese von SWNT mittels Lichtbogenentladungsverfahren beschrieben, ist zur Erzeugung von SWNTs unter Verwendung der Lasertechnik das Hinzufügen von Metallpartikeln als Katalysatoren zu den Graphitzielen notwendig. Studien haben gezeigt, dass der Durchmesser der Nanoröhren von der Laserleistung abhängt. Wenn die Laserpulsleistung erhöht wird, wurde der Durchmesser der Rohre dünner . Andere Studien haben gezeigt, dass ultraschnelle (Subpikosekunden -) Laserpulse potentiell sind und große Mengen an SWNTs erzeugen können . Die Autoren enthüllten, dass es jetzt vielversprechend ist, bis zu 1 zu schaffen.,5 g/h Nanoröhrchenmaterial unter Verwendung der Lasertechnik.
Viele Parameter können die Eigenschaften von CNTs beeinflussen, die durch das Laserablationsverfahren synthetisiert werden, wie z. B. die strukturelle und chemische Zusammensetzung des Zielmaterials, die Lasereigenschaften (Spitzenleistung, cw gegen Puls, Energiefluss, Schwingungswellenlänge und Wiederholungsrate), Durchfluss und Druck des Puffergases, der Kammerdruck und die chemische Zusammensetzung, der Abstand zwischen dem Ziel und den Substraten und die Umgebungstemperatur. Diese Methode hat ein Potenzial für die Herstellung von SWNTs mit hoher Reinheit und hoher Qualität., Die Prinzipien und Mechanismen der Laserablationsmethode ähneln der Lichtbogenentladungstechnik, aber bei diesem Verfahren wird die benötigte Energie durch einen Laser bereitgestellt, der auf ein reines Graphitpellet trifft, das Katalysatormaterialien (häufig Kobalt oder Nickel) enthält.
Die Hauptvorteile dieser Technik bestehen in einer relativ hohen Ausbeute und relativ geringen metallischen Verunreinigungen, da die beteiligten metallischen Atome dazu neigen, vom Ende des Rohres zu verdampfen, sobald es geschlossen ist., Andererseits besteht der Hauptnachteil darin, dass die erhaltenen Nanoröhren aus dieser Technik nicht notwendigerweise gleichmäßig gerade sind, sondern stattdessen eine gewisse Verzweigung enthalten.
Leider ist das Laserablationsverfahren wirtschaftlich nicht vorteilhaft, da das Verfahren hochreine Graphitstäbe umfasst, die erforderlichen Laserleistungen groß sind (in einigen Fällen sind zwei Laserstrahlen erforderlich) und die Menge an Nanoröhren, die pro Tag synthetisiert werden können, nicht so hoch ist wie die Lichtbogenentladungstechnik.,
Chemische Dampfabscheidung
Eine der Standardmethoden zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren ist die chemische Dampfabscheidung oder CVD. Es gibt viele verschiedene Arten von CVD wie katalytische chemische Dampfabscheidung (CCVD)-entweder thermisches oder plasmaverstärktes (PE) sauerstoffunterstütztes CVD , wasserunterstütztes CVD , Mikrowellenplasma (MPECVD), Hochfrequenz-CVD (RF-CVD) oder Heißfilament (HFCVD). Aber katalytische chemische Dampfabscheidung (CCVD) ist derzeit die Standardtechnik für die Synthese von Kohlenstoffnanoröhren.,
Diese Technik ermöglicht es CNTs, sich auf verschiedene Materialien auszudehnen, und beinhaltet den chemischen Abbau eines Kohlenwasserstoffs auf einem Substrat. Der Hauptprozess der wachsenden Kohlenstoff-Nanoröhren in diesem Verfahren als gleiche wie Lichtbogenentladungsverfahren ist auch spannende Kohlenstoffatome, die in Kontakt mit metallischen Katalysatorpartikeln sind.
Rohre werden in jeder Hinsicht in Silizium gebohrt und auch unten mit Eisennanopartikeln implantiert. Danach wird ein Kohlenwasserstoff wie Acetylen erhitzt und auf das Substrat zersetzt., Da der Kohlenstoff in der Lage ist, Kontakt mit den in die Löcher implantierten Metallpartikeln herzustellen, werden Nanoröhren erzeugt, die eine „Schablone“ aus der Form des Tunnels bilden. Mit Verwendung dieser Eigenschaften können die Kohlenstoff-Nanoröhren sehr gut ausgerichtet und sehr lang wachsen, im Winkel des Tunnels. Bei der CVD-Verarbeitung bereitet eine Schicht aus Metallkatalysatorpartikeln ein Substrat bei ungefähr 700°C vor und verarbeitet es .Am häufigsten sind Metallkatalysatorpartikel Nickel, Kobalt, Eisen oder eine Kombination., Ziel der Verwendung der Metallnanopartikel in Kombination mit einem Katalysatorträger wie MgO oder Al2O3 ist es, die Oberfläche für ein höheres Nebenprodukt der katalytischen Reaktion des reinen Kohlenstoffs mit den Metallpartikeln zu entwickeln. Im ersten Schritt der Nanoröhrchenexpansion betankten zwei Arten von Gasen den Reaktor (der am weitesten verbreitete Reaktor ist Wirbelschichtreaktor): ein kohlenstoffhaltiges Gas (wie Ethylen, Acetylen, Methan oder Ethanol) und ein Prozessgas (wie Stickstoff, Wasserstoff oder Ammoniak)., An der Oberfläche des Katalysatorpartikels wird das kohlenstoffhaltige Gas auseinander gebrochen und so wurde der Kohlenstoff an den Rändern des Nanopartikels sichtbar, wo die Nanoröhren produzieren können. Dieser Mechanismus wird noch diskutiert . Studien haben gezeigt, dass die konventionell akzeptierten Modelle Basiswachstum und Spitzenwachstum sind . Abhängig von der Adhäsion und Anhaftung zwischen dem Substrat und dem Katalysatorpartikel können die Katalysatorpartikel während des Wachstums und der Expansion an der Nanoröhrenbasis oder Nanoröhre verbleiben .,
Im Vergleich zur Laserablation ist CCVD ein wirtschaftlich praktisches Verfahren für die großflächige und recht reine CNT-Produktion, und so sind der wichtige Vorteil von CVD hochreines Rohmaterial und eine einfache Steuerung des Reaktionsverlaufs .
Nanoröhrchenreinigung
Je nach Technik der Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Synthese gibt es viele verschiedene Methoden und Verfahren zur Reinigung., Alle Reinigungsverfahren haben die folgenden Hauptschritte: Löschung großer Graphitpartikel und-aggregate mit Filtration, Auflösung in geeigneten Lösungsmitteln zur Beseitigung von Katalysatorpartikeln (konzentrierte Säuren als Lösungsmittel) und Fullerenen (Verwendung organischer Lösungsmittel) sowie Mikrofiltrationen und Chromatographie zur Größentrennung und Entfernung der amorphen Kohlenstoffcluster . Die Reinigung von MWNTs, die durch Lichtbogenentladungstechniken hergestellt werden, kann unter Verwendung von Oxidationstechniken erfolgen, die MWNTs von polyedrischen graphitähnlichen Partikeln trennen können .,
Die Hauptnachteile dieses Verfahrens sind geringe Reinheit, hohe Zerstörungsrate von Ausgangsmaterialien (95%), sowie eine hohe Reaktivität der verbleibenden Nanoröhren am Ende des Prozesses aufgrund der Existenz von baumelnden Bindungen (eine unbefriedigende Wertigkeit) und zur Beseitigung solcher baumelnden Bindungen ist notwendig, Hochtemperaturglühen (2.800 ± C) zu verwenden.
Die zerstörungsfreien Verfahren zur Trennung von CNTs kombinieren gut dispergierte kolloidale Suspensionen von Rohren / Partikeln mit Materialien, die eine Aggregation wie Tenside, Polymere oder andere kolloidale Partikel verhindern ., Die andere Methode als Ziel der Größenausschluss-Nanoröhren verwendet Größenausschlusschromatographie und poröse Filter sowie ultraschallunterstützte Mikrofiltration, die SWNTs von amorphem Kohlenstoff und katalytischen Partikeln reinigt .
Studien haben gezeigt, dass das Sieden von SWNTs in Salpetersäure-oder Flusssäure-wässrigen Lösungen zur Reinigung von SWNTs und zur Entfernung amorpher Kohlenstoff-und Metallpartikel als effiziente und einfache Technik.,
Für die Reinigung von Kohlenstofftubuli bevorzugt der Wissenschaftler die Sondierung von Nanoröhren in verschiedenen Medien und danach die thermische Oxidation von SWNT-Material (bei 470°C) sowie Salzsäurebehandlungen . Eine andere Möglichkeit zur Oxidation unzufriedener kohlenstoffhaltiger Partikel ist die Verwendung von Goldclustern (OD 20 nm) zusammen mit der thermischen Oxidation von SWNTs bei 350°C.
Huang et al., einführung einer neuen Methode zur Trennung von halbleitenden und metallischen SWNTs unter Verwendung der Größenausschlusschromatographie (SEC) von DNA-dispergierten Kohlenstoffnanoröhren (DNA-SWNT), die die höchste Auflösungslängensortierung aufweisen . Die Dichte-Gradienten-Ultrazentrifugation wurde für die Trennung von SWNT basierend auf Durchmesser verwendet . Die Kombination von Ionenaustauschchromatographie (IEC) und DNA-SWNT (IEC-DNA-SWNT) wurde auch zur Reinigung einzelner Chiralitäten verwendet. In diesem Prozess können spezifische kurze DNA-Oligomere verwendet werden, um einzelne SWNT-Chiralitäten zu trennen., Wissenschaftler haben Fluorierungs-und Bromierungsprozesse sowie Säurebehandlungen von MWNT-und SWNT-Material verwendet, um die Materialien in bestimmten organischen Lösungsmitteln gleichmäßig zu reinigen, zu schneiden und aufzuhängen .
Wie oben diskutiert, je nach Art der Nanoröhrchen-Synthese, gibt es viele verschiedene Methoden zur Reinigung von Kohlenstoff-Nanoröhren, und daher, Existenz von Methoden, die einstufige Prozesse und unberührt auf Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhren-Produkte sind wesentlich für die Herstellung von sauberen Nanoröhren und sollte in der Zukunft ausgerichtet werden.,
Biomedizinische Anwendungen
Die Eigenschaften von Nanoröhren sind sicherlich erstaunlich; In den letzten Jahren haben viele Studien mögliche Anwendungen von CNTs vorgeschlagen und unzählige Anwendungen gezeigt, die vielversprechend sein könnten, wenn diese neu bestimmten Materialien mit typischen Produkten kombiniert werden . Herstellung von Nanorods unter Verwendung von CNTs als Reaktionsvorlagen .
Anwendungen für Nanoröhren umfassen viele Bereiche und Disziplinen wie Medizin, Nanotechnologie, Fertigung, Bauwesen, Elektronik usw., Die folgende Anwendung kann festgestellt werden: hochfeste Verbundwerkstoffe , Aktoren , Energiespeicher-und Energieumwandlungsgeräte , Nanoschränke und Sensoren , Wasserstoffspeichermedien , elektronische Geräte und Katalyse . Die folgenden Abschnitte beschreiben jedoch ausschließlich bestehende Anwendungen von CNTs in der biomedizinischen Industrie. Vor der Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren in biologischen und biomedizinischen Umgebungen müssen drei Barrieren überwunden werden: Funktionalisierung, Pharmakologie und Toxizität von CNTs., Einer der Hauptnachteile von Kohlenstoffnanoröhren ist die mangelnde Löslichkeit in wässrigen Medien, und um dieses Problem zu überwinden, haben Wissenschaftler die Oberfläche von CNTs modifiziert, d. H. Fiktionalisierung mit verschiedenen hydrophilen Molekülen und Chemikalien, die die Wasserlöslichkeit und Biokompatibilität von CNT verbessern .
Eine weitere Barriere mit Kohlenstoffnanoröhren ist die biologische Verteilung und Pharmakokinetik von Nanopartikeln, die durch viele physikochemische Eigenschaften wie Form, Größe, chemische Zusammensetzung, Aggregation, Löslichkeitsoberfläche und Fiktionalisierung beeinflusst werden., Studien haben gezeigt, dass wasserlösliche CNTs mit den Körperflüssigkeiten biokompatibel sind und keine toxischen Nebenwirkungen oder Mortalität aufweisen.
Eine weitere wichtige Barriere ist die Toxizität von CNTs. Im Allgemeinen kann die Kombination der hohen Oberfläche und der intrinsischen Toxizität der Oberfläche für die schädlichen Wirkungen von Nanopartikeln verantwortlich sein.
Die Toxizität von CNTs kann durch die Größe von Nanoröhren beeinflusst werden., Die Partikel unter 100 nm haben potenzielle schädliche Eigenschaften wie mehr potenzielle Toxizität für die Lunge, Flucht aus der normalen phagozytischen Abwehrkräfte, Modifikation der Proteinstruktur, Aktivierung von entzündlichen und immunologischen Reaktionen und mögliche Umverteilung von ihrem Ablagerungsort.
Künstliche Implantate
Nanomaterialien zeigen aufgrund ihrer attraktiven chemischen und physikalischen Eigenschaften Wahrscheinlichkeit und Versprechen in der regenerativen Medizin ., Im Allgemeinen ist es vielversprechend, Implantate mit dem Postadministrationsschmerz abzulehnen, und um diese Abstoßung zu vermeiden, war die Anhaftung von Nanoröhren mit Proteinen und Aminosäuren vielversprechend. Kohlenstoffnanoröhren, sowohl Einzel-als auch Multi-WNT, können als Implantate in Form von künstlichen Gelenken und anderen Implantaten ohne Abstoßungsreaktion eingesetzt werden. Darüber hinaus können CNTs aufgrund einzigartiger Eigenschaften wie hoher Zugfestigkeit als Knochenersatz und Implantate fungieren, wenn sie mit Kalzium gefüllt und in der Knochenstruktur geformt/angeordnet sind .,
Es wurde untersucht, wie sich die zelluläre Adhäsion und Proliferation mit SWCNT-und MWCNT-Verbundwerkstoffen verstärken kann, und daher wurden diese Nanoröhren in natürliche und synthetische Materialien integriert, um Nanokomposite zu erzeugen. Einige Nanoröhrchenanwendungen als künstliche Implantate sind in Tabelle 4 zusammengefasst.,
Tissue engineering
Ziel des Tissue Engineering ist es, beschädigtes oder erkranktes Gewebe durch biologische Alternate zu ersetzen, die eine normale und ursprüngliche Funktion reparieren und erhalten können. Wesentliche Fortschritte in den Bereichen Materialwissenschaft und Technik haben den vielversprechenden Fortschritt der geweberegenerativen Medizin und Technik unterstützt., Kohlenstoffnanoröhren können für das Tissue Engineering in vier Bereichen verwendet werden: Erfassung des Zellverhaltens, Zellverfolgung und-kennzeichnung, Verbesserung der Gewebematrizen und Erweiterung des Zellverhaltens . Zellverfolgung und-kennzeichnung ist die Fähigkeit, implantierte Zellen zu verfolgen und die Verbesserung der Gewebebildung in vivo und nichtinvasiv zu beobachten. Die Kennzeichnung implantierter Zellen erleichtert nicht nur die Beurteilung der Lebensfähigkeit des entwickelten Gewebes, sondern unterstützt und erleichtert auch das Verständnis der biologischen Verteilung, Migration, Verlagerung und Bewegungswege transplantierter Zellen., Wegen des Zeitaufwands und der Herausforderung der Handhabung bei der Verwendung von traditionellen Methoden wie Durchflusszytometrie, nicht-invasive Methoden sind sehr beliebte Methoden. Es wird gezeigt, dass Kohlenstoffnanoröhren als bildgebende Kontrastmittel für Magnetresonanz -, optische und Radiotracer-Modalitäten machbar sind.
Eine weitere wichtige Anwendung von Kohlenstoffnanoröhren im Tissue Engineering ist ihr Potenzial zur Messung der Bioverteilung und kann auch mit Radiotracern für die Gammaszintigraphie modifiziert werden. Singh et al. gebunden SWNTs mit . In und an BALB/c-Mäuse verabreicht, um die Bioverteilung von Nanoröhren zu bewerten ., Das Design von besser entwickelten Geweben verbessert und erleichtert die bessere Überwachung der Zellphysiologie wie Enzym/Cofaktor-Wechselwirkungen, Protein-und Metabolit-Sekretion, zelluläres Verhalten und Ionentransport. Nanosensoren werden möglicherweise verwendet, um eine ständige Überwachung der Leistung der entwickelten Gewebe zur Verfügung zu stellen. Kohlenstoffnanoröhren weisen zahlreiche beliebte Merkmale auf, die sie zu idealen Elementen für Nanosensoren machen, einschließlich ihrer großen Oberfläche und Kapazität zur Immobilisierung von DNA oder anderen Proteinen sowie ihrer elektrischen Eigenschaften., Die Kohlenstoff-Nanoröhre verfügt über einzigartige elektronische Strukturen, die als Kohlenstoff-Nanoröhre elektrochemischen Sensor die Untersuchung von Redox-aktiven Proteinen und Aminosäuren einfacher macht so dass die Zellüberwachung in entwickelten Geweben. In einer Studie wurden MWNTs mit Platinmikropartikeln konjugiert und konnten Thiole einschließlich Aminosäuren wie Glutathion und L-Cystein bei Ratten erkennen .
Die Matrix der Zellen spielt eine wichtige Rolle im Tissue Engineering., Während akzeptierte synthetische Polymere, zum Beispiel PLGA und PLA, für das Tissue Engineering verwendet wurden, fehlt ihnen die erforderliche mechanische Festigkeit und kann nicht einfach im Widerspruch zu Kohlenstoffnanoröhren funktionalisiert werden, die freiwillig funktionalisiert werden können. Somit haben Kohlenstoffnanoröhren Potenzial für den Einsatz als Gewebegerüste und können die erforderliche strukturelle Verstärkung bieten, aber der Hauptnachteil von Kohlenstoffnanoröhren ist, dass sie nicht biologisch abbaubar sind., Kombination von Polymer durch Auflösen eines gewünschten Anteils von Kohlenstoffnanoröhren in ein Polymer wurden signifikante Verbesserungen der mechanischen Festigkeit des Verbunds nachgewiesen. MWNTs in Kombination mit Chitosan zeigten signifikante Fortschritte in den mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu nur Chitosan . Das SWNT Blended Collagen verbessert das Wachstum der glatten Muskelzellen .
Krebszellenidentifikation
Nanogeräte werden geschaffen, die das Potenzial haben, Krebsbehandlung, – erkennung und-diagnose zu entwickeln., Nanostrukturen können so klein sein (weniger als 100 nm), dass der Körper sie möglicherweise zu schnell löscht, damit sie bei der Bildgebung oder Erkennung effizient sind, und so in Zellen und die Organellen in ihnen eindringen können, um mit DNA und Proteinen zu interagieren. Castillo et al., durch Verwendung einer Peptidnanoröhrchen-Folsäure-modifizierten Graphenelektrode, Verbesserung der Erkennung von menschlichen Gebärmutterhalskrebszellen, die Folatrezeptoren überexprimieren .,
Da eine große Anzahl von Krebserkrankungen in ihrem frühen Stadium asymptomatisch ist und bei den meisten neoplastischen Erkrankungen im Frühstadium deutliche morphologische Veränderungen fehlen, erhalten herkömmliche klinische Krebsbildgebungsverfahren, z. B. Röntgen, CT und MRT, keine ausreichende räumliche Auflösung für die Erkennung der Krankheit im Frühstadium. Die bildgebenden Untersuchungen mit SWCNTs haben in den letzten Jahren gediehen. Hong et al., ausgewertet die molekulare bildgebung mit SWNTs und ausgewertet die kombiniert Gd3 + – funktionalisiert SWCNTs, wenn angewendet MRI, und hohe auflösung und gute tissue penetration wurden erreicht.
Die Kombination von mit SWCNTs markierten Radioisotopen mit radionuklidbasierten Bildgebungstechniken (PET und SPECT) kann die Penetration, Empfindlichkeit und mittlere Auflösung des Gewebes verbessern.,
Es gibt viele charakteristische Proteinbiomarker, die in Krebszellen häufig überexprimiert werden, und sie bieten ein offenes Tor für die Früherkennung, Prognose, Aufrechterhaltung der Überwachung nach kurativen Operationen, Überwachung der Therapie bei fortgeschrittenen Erkrankungen und Vorhersage der therapeutischen Reaktion., Viele wichtige Tumormarker wurden umfassend angewendet und bei der Diagnose von hepatozellulärem Karzinom, Darmkrebs, Bauchspeicheldrüsenkrebs, Prostatakrebs, epithelialem Ovarialtumor wie Kohlenhydratantigen 19-9 (CA19-9), Alpha-Fetoprotein (AFP), karzinoembryonalem Antigen (CEA), Karzinomantigen 125 (CA125), humanem Choriongonadotropin (hCG) und prostataspezifischem Antigen (PSA) verwendet. Einige der Krebsbiomarker, die durch CNT-basierte Nachweissysteme nachgewiesen werden, sind in Tabelle 5 zusammengefasst.,
Arzneimittelabgabe und Genabgabe durch CNTs
Bei der konventionellen Verabreichung von Chemotherapeutika gibt es viele Barrieren, wie z. B. mangelnde Selektivität, systemische Toxizität, schlechte Verteilung zwischen Zellen, begrenzte Löslichkeit, Unfähigkeit von medikamente zur Überwindung zellulärer Barrieren und Mangel an klinischen Verfahren zur Überwindung multiresistenten (MDR) Krebs ., Forscher haben eine breite Palette verschiedener Arten von Arzneimittelabgabesystemen eingeführt, um diese Probleme zu überwinden, z. B. Polymere, Silica-Nanopartikel, Quantenpunkte, Emulsionen, Dendrimer, Liposomen, molekulare Konjugate und Mizellen . Wie oben erwähnt, haben CNTs die einzigartigen Eigenschaften wie die ultrahohe Oberfläche, die sie als vielversprechendes Potenzial für die Abgabe von Arzneimitteln, Peptiden und Nukleinsäuren machen (Tabelle 6)., Das spezifische Medikament oder Gen kann in Wände und Spitzen von CNTs integriert werden und krebsspezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche erkennen, mit diesen Mitteln können CNTs die Säugetierzellmembran durch Endozytose oder andere Mechanismen überqueren und therapeutische Medikamente oder Gene sicherer und effizienter in den Zellen tragen, die zuvor unzugänglich waren . In jüngerer Zeit haben Forscher ein neuartiges und effizienteres SWNT-basiertes Tumor-Targeting Drug Delivery System (DDS) entwickelt, das aus Tumor-Targeting-Liganden, Krebsmedikamenten und funktionalisierten SWNTs besteht., Wenn dieses System mit Krebszellen interagiert, kann es eine rezeptorvermittelte Endozytose induzieren, indem es krebsspezifische Rezeptoren auf der Oberfläche von Krebszellen erkennt und so Chemotherapeutika effizient und spezifisch freisetzt.