石墨烯(Graphene)及其衍生物良好的生物相容性、较大的比表面积、优良的力学及电学性能,使其在生物传感、组织工程、抗菌器件、生物医药等领域表现出广阔的应用前景。其中,三维石墨烯基凝胶作为最具有代表性的一类宏观体超材料,因其具有超轻的密度、丰富的孔隙、良好的力学可压缩性及结构稳定性,成为搭载其他功能材料的理想载体。本文探索了三维石墨烯基复合材料的制备及其在骨组织工程生物支架和污水过滤抗菌器件上的应用。此外,为了满足临床生物材料抗菌需求,基于碳量子点(Carbon quantum dots,CQDs)在自然光下具有独特的上转换性能,进一步研究了碳量子点/氧化锌复合材料的制备及在临床抗菌托槽上的应用。具体研究内容包括:1)三维还原氧化石墨烯/羟基磷灰石复合水凝胶的制备与性能研究以氧化石墨烯(Graphene oxide)为前驱体,通过水热、冷冻干燥制备还原氧化石墨烯气凝胶(Reduced graphene oxide aerogel,rGOA)。将含有钙和磷的离子液通过真空抽滤的方法灌注进rGOA中,在碱性环境下原位沉积羟基磷灰石。结合有限元模拟进行微纳尺度结构设计,实现该复合材料力学性能的增强。实验研究表明,羟基磷灰石呈棒状、相互组成矿化球均匀分布在还原氧化石墨烯片表面,在液相环境中可表现出90%可恢复非线弹性压缩变形,该复合材料超弹性的原因主要来自还原氧化石墨烯微观结构的稳定性。相比于未矿化组,在90%应变下力学强度提升了350%以上。另外,细胞实验证明羟基磷灰石的添加可以有效降低材料的细胞毒性。2)三维还原氧化石墨烯/铜复合凝胶的制备与抗菌性能研究制备还原氧化石墨烯气凝胶,采用“自下而上”真空自注入工艺,将含有铜离子的前驱液灌注进rGOA中,再将样品置于40℃水浴条件下,制备三维还原氧化石墨烯/铜复合材料。该复合材料维持了原有rGOA微观结构的稳定和宏观三维形貌。实验表明,铜微米颗粒成功附着在还原氧化石墨烯片表面,该复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有较强的灭杀能力(抗菌率达到100%)。将材料装在PVC管中,以大肠杆菌菌液为实验污水测试器件的抗菌性能,结果表明该器件对水中的病原微生物具有良好的灭杀性能。其机理主要是因为还原氧化石墨烯片锋利的边缘对病原微生物产生了一定的切割作用,破坏细胞膜完整性。同时rGO-Cu减少了Cu颗粒的聚集,两者之间产生良好的协同效应,增强Cu颗粒的氧化能力,致使病原菌裂解死亡。3)碳量子点/氧化锌薄膜托槽的制备及自然光下抗菌性能研究以水热法制备碳量子点(Carbon quantum dots,CQDs),涂布在普通正畸不锈钢托槽表面,再通过磁控溅射法制备ZnO薄膜。研究表明,碳量子点与氧化锌以碳氧键形式相连,位于氧化锌薄膜与不锈钢托槽之间,该改性托槽在自然光下对常见病原微生物具有较强的灭杀能力(变形链球菌抗菌率为96.13%,金黄色葡萄球菌抗菌率为90.28%和大肠杆菌抗菌率为92.35%),此外,我们还探索了碳量子点/氧化锌薄膜托槽在自然光条件下抗菌性能增强的机制,这主要归因于CQDs独特的上转换特性。此外,CQDs可以促进电子-空穴对的分离,增加光电转换响应。