碳在元素周期表中位于非金属性最强的卤素元素和金属性最强的碱金属之间，碳原子有四个价电子，在化学反应中既不容易失去电子，也不容易得到电子，因而形成特有的共价键。

碳有金刚石、石墨、无定形碳、富勒烯以及纳米碳管五种同素异型体。

碳是组成有机物质的主要元素之一，更是构成人体的重要元素，人类很早以前就发现碳材料的生物相容性。

自从1963年Gott在研究人工血管过程中发现碳元素具有极好的抗血栓性以来，炭材料已在心脏瓣膜、齿根、骨骼、关节、血管、韧带和肌腱等诸多人工材料方面获得应用和发展。

其中炭/炭复合材料、纳米碳管、碳纤维、石墨等碳素材料在生物医学领域得到了广泛的研究和应用。

创伤、骨病变等因素造成骨缺损是威胁着人类健康的严重问题，人工骨材料在生物材料中占有重要地位。

目前，在骨替代材料中，虽然组织工程的发展为人体组织器官的修复展示了美好前景，但尚处于基础研究阶段。

克隆技术的发展虽可为人体组织、器官移植开拓新的供体来源，但需要解决许多技术和伦理道德问题。

自体和异体组织器官仍是人体最主要的组织器官修复和替换手段，但是自体组织移植供源受到限制，异体组织器官移植存在疾病、遗传以及免疫性问题。

目前人工骨骼生物材料中，陶瓷、金属、高分子材料仍占主导地位，但是这些材料用作人工骨骼又存在一些难以解决的问题。

如在生理环境中有机高分子易于降解为单体，金属离子的释放影响着组织的生物功能，陶瓷材料脆性太大、耐疲劳性能差，影响着种植体的长期效果。

因此，寻求新型的人工骨材料是生物材料研究领域的热点。炭/炭复合材料不仅具有复合材料优良的力学性能，而且也具有炭材料的特殊性能。

如：强度和刚度高，耐腐蚀，尺寸稳定性高，优异的化学惰性，断裂韧性，热稳定性，耐核辐射，耐疲劳，抗热震，低热膨胀系数以及良好的生物相容性等。

炭/炭复合材料最初主要用在航空航天领域，但是因为炭材料优异的生物相容性、化学惰性，也成为生物材料研究的焦点。

在该材料中，由于碳纤维的增韧作用，使其克服了单一陶瓷材料的脆性，耐疲劳性差的缺点，同时它又具有复合材料可设计性的特点。

所以在其被用作生物材料时可以根据实际使用要求来设计材料的规格、尺寸、力学性能和密度，从而使其能够完美地和本体材料相匹配。

研究表明炭/炭复合材料不但具有优良的生物相容性，而且在生物力学上，它能适应许多具体使用的要求，承受一定载荷。

与其它的生物材料相比，炭材料的弹性模量与骨匹配良好，其弯曲模量在5-30GPa之间，与人体骨骼(1-30GPa)十分接近，且对疲劳加载不敏感。

所以采用炭/炭复合材料作为骨替代与骨修复材料，可以避免由于力学性能不相容而引起的关节磨损和软组织损伤，在人工骨骼领域具有较好的应用前景。

未经处理的炭材料表面是疏水性的，为生物惰性材料。

对于人工骨材料而言，材料除了需要具有组织相容性和力学相容性外，还需要生物活性，以便在体内诱导成骨细胞生长，加速新骨形成。

赋予生物惰性的炭/炭复合材料以生物活性，是目前该领域主要研究方向。基体改性和表面涂层是炭/炭复合材料生物活性改性研究的两种主要途径。

基体改性是利用炭/炭复合材料的多孔特性，通过在开孔孔隙中或碳基体中填充生物活性物质，或者在原材料中掺入生物活性物质，并在随原材料转变为炭材料后，镶嵌在碳基体中。

这种方法的缺点是，受纤维预制体结构、孔隙方式和尺寸的限制，生物活性材料仅能在沥青碳基及玻璃碳基中存在。

生物活性涂层是赋予该种材料生物活性的主要途径。羟基磷灰石的组成、结构与骨中无机盐相近，具有诱导骨再生功能及骨性结合能力。

尽管炭/炭复合材料在临床医学中应用还不多，但其优越的生物和力学相容性注定它在生物医学领域具有良好的应用前景。

目前，国内外的研究主要集中在涂层制备工艺和涂层的结合性能，而对涂层的生物活性等临床研究未作深入报道，基础理论以及临床应用方面仍存在较大差距，所以炭/炭复合材料要广泛地应用到临床还有许多问题亟需解决：

(1)人工骨材料用的炭/炭复合材料的微观组织结构的设计控制，不同微观组织结构对炭/炭复合材料生物活性、力学性能的影响；

(2)需要从生物力学的角度来设计、制备炭/炭复合材料，不同植入部位力学性能的要求，增强材料纤维预制体的编制方式和力学设计；

(3)低成本、高性能的生物活性涂层的制备，涂层生物性能的临床评价标准。

碳纤维具有低密度、高比模量、比强度、高导电性、高比表面积以及良好的生物相容性等特点，在生物医学领域中有广泛的应用前景。

碳纤维可使人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱在强度、硬度和韧性等多方面的性能显著提高，此外，利用活性炭材料的高效吸附特性，还可以将它用于血液的净化，清除某些特定的病毒和成份。

活性碳纤维布具有大的毛细管活性和比表面积，其次碳纤维布本身无毒，也不会产生色素，不会发生肉芽粘连。

所以可用于医疗的吸附材料，能有效的吸收微生物和化学物质，可用于治疗伤口，营养性溃疡、肉芽萎缩伤口和手术后并发伤口。

此外，碳纤维布的吸湿性能有效的防止了毒素、细菌和微生物等渗入淋巴和血液，大大缩短治愈时间。

碳纤维网具有强度高、组织相容性好、不易老化等优点，还能诱发产生高质量的新生组织并沿纤维束生长，碳纤维网常常用于腹壁缺损的修补。

碳纤维在修复韧带和肌腱时，既可以提供必要的强度，也可以作为生物源供宿主组织转化为新生的韧带和肌腱，可以牢固地愈合。

因为碳纤维直径只有几个微米，所以碳纤维电极可以靠近单个细胞，记录单个神经细胞活动的电信息，所以可以利用一根或一小束碳纤维作为导电元件来记录神经细胞信息的微电极。

纳米科技是21世纪的主导技术之一，对传统的生物医学产生了深远的影响。由碳元素组成的纳米材料称为纳米炭材料，主要包括纳米碳管、纳米碳纤维和类金刚石碳膜。

特别是纳米碳管在生物医学领域的应用和探索研究已经成为纳米科技的一个重要分支。

随着人们对纳米碳管的结构与性能的深入认识和了解，纳米碳管在人工器官与组织工程、药物运载、疾病诊断、生物医学仪器研制等方面得到了广泛的应用。

1.纳米碳管

纳米碳管是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级管，管径一般在几纳米到几十纳米之间，长度可达数微米至数毫米。

这种独特的结构赋予了纳米碳管优异的磁学、热学以及力学性能。近年来，纳米碳管在生物医学领域的研究已经吸引了越来越多的关注。

国内外学者利用纳米碳管奇特的结构特点和特殊的性能已经在生物传感器，生物材料制备，组织再生与修复，神经细胞的生长等方面作了大量的工作。

利用纳米碳管独特的孔状结构，将药物储存在纳米碳管中，并通过一定的机制激发药物的释放。

日本学者制备出了具有生物体中DNA和RNA结构的螺旋状纳米炭材料。

以纳米碳管为主要成份制造出的人造肌肉纤维，其伸缩性和灵敏度超过迄今的任何人造材料，这种人造肌肉纤维不仅适用于生物体的移植和修复手术，还可作为未来机器人的运动构件。

在此基础上，以目标蛋白的配体对纳米碳管进行进一步的修饰，则可以实现纳米碳管对目标蛋白的特异性结合。

经亲水性聚乙二醇修饰的单壁纳米碳管，可以在水溶液中与牛血清白蛋白(Bovineserumalbumin,BSA)进行交换反应，形成单壁纳米碳管与BSA的结合物，经全蛋白分析证明，附着于纳米碳管上的绝大部分(86%±2%)BSA仍然具有生物活性。

此外，以4-hydroxynonenal(4-HNE)功能化的多壁纳米碳管与4-HNE的抗体也可以发生特异性结合。

经修饰的纳米碳管探针可以在分子水平完成对样品中物质的探测和识别。

在多壁纳米碳管的另一端修饰上可以识别一些特种原子的基团，就使扫描隧道显微镜能够识别实际的分子，如果装上一个针尖阵列，就可能对整个表面的分子进行识别，可用于研究生物薄膜和细胞结构。

由于纳米碳管具有独特的电学和机械性能，人们开始尝试将经过表面修饰的纳米碳管作为组织工程支架为细胞生长及组织再生提供诱导和支持。

通过化学修饰方法使多壁纳米碳管表面分别带有正、负电荷，作为小鼠海马神经元细胞的培养基质。

纳米碳管不但能提高基体材料的力学性能，同时还可以改进基体材料的细胞相容性。

例如，多壁纳米碳管/聚氨酯复合材料对小鼠嗜铬细胞瘤细胞、小鼠星形细胞、人成骨细胞和小鼠成纤维细胞的作用。

研究结果表明，随着复合物中纳米碳管含量的增加，神经元细胞和成骨细胞在复合材料上的黏附与生长也越来越活跃。

所以无论对于神经组织还是骨组织而言，使用纳米碳管含量较高的复合材料，均能促进组织再生。

在用生物传感器来研究蛋白质的氧化还原反应时，对所用电极的性能和尺寸都有极高的要求。

首次用单壁纳米碳管对电极进行表面修饰，使用该电极测定了酶蛋白的氧化还原状态。单壁纳米碳管作为"分子导线"，在该实验中显示了极佳的电导性能。

同时纳米碳管极微细的末端较原有电极能更深入蛋白分子的氧化还原中心，大大提高了探测的灵敏度。

2.类金刚石碳膜

类金刚石碳膜是由无定形碳和金刚石相混合组成的炭材料，其结构、物理化学性质接近于金刚石，是利用等离子体或离子束技术沉积在物体表面的具有纳米结构的薄膜。

类金刚石碳膜具有与金刚石相似的性能特点，是一种高硬度、低摩擦系数、高化学稳定性、高电阻率、高导热性、高红外透过率的新型膜材料。

由于具有优秀的生物相溶性，特别是血液相容性及无细胞毒性，所以成为生物医学材料领域研究的热点。

利用类金刚石碳膜良好的耐磨性和化学稳定性，把类金刚石碳膜沉积在人工关节表面，能增强人工关节的耐磨损性能。

金属质的人工材料表面沉积类金刚石碳膜后不仅极大地改善了与生物组织的相容性，而且使植入部件的抗磨性能也得到提高。

实验表明在钛合金或不锈钢制成的人工心脏瓣膜上沉积类金刚石碳膜，能同时满足机械性能、耐腐蚀性能和生物相容性要求，从而增加了这些部件的使用寿命。

类金刚石碳膜具有很好的生物相容性，它对蛋白质的吸附率高，对血小板的吸附率低，能促进材料表面生成具有活性的功能簇，从而减少血液的凝固，使生物组织和植入的人工材料和平相处。

类金刚石碳膜对纤维蛋白原的吸附程度低，而对白蛋白的吸附强，血小板的粘附数量少，抗凝血性能强。

因此，类金刚石碳膜可用于提高机械心瓣表面及心室辅助循环血泵表面的抗凝血性能，开发具有优异抗凝血性能的小口径人工血管等。

现代科技的发展日新月异，炭材料所展示出的优异性能预示着它在生物医学工程领域所具有的广泛和诱人的应用前景。

尽管研究者已对炭材料的制备、结构与性能进行了大量的研究，但在基础理论及应用开发等方面还有大量的工作尚待进行。

如纳米炭材料的生物安全性、纳米碳管的纯化、炭/炭复合材料的低成本制备等，需要我们积极在炭材料的临床医学、材料学、化学上进行广泛深入研究和探索。