原始的石墨烯结构完整，在水溶液中溶解度低，凝聚或堆叠倾向高，与其他小分子和聚合物之间的相互作用较弱，因而限制了其在生物医学领域的应用。因此在实际的应用中需要对石墨烯进行化学修饰以调节石墨烯的性质。与此同时，关于石墨烯毒性讨论的热度一直居高不下，石墨烯的毒性与其表面的功能化密切相关，石墨烯衍生物可通过功能化修饰，降低石墨烯的细胞毒性，提升其生物相容性。
目前，功能化修饰石墨烯的方法主要有两种——共价修饰法和非共价修饰法。常见的共价修饰法具体如下。首先用硝酸、硫酸、高锰酸钾等处理石墨烯，在石墨烯基材料上引入氧化官能团，包括分布在石墨烯主平面上的羟基、环氧基和分布在石墨烯片层边缘的羧基、羰基、苯酚、内酯，并利用这些活性基团与其他化学分子反应，从而对石墨烯表面进行功能化修饰。处理得到的氧化石墨烯可以与一系列高水溶性和高生物相容性的聚合物通过共价连接的方式复合，包括聚乙二醇[Poly （ethylene glycol），PEG]、聚乙烯醇[Poly（vinyl alcohol），PVA]、聚乙烯亚胺[Poly （ethylene imine)，PEI]、聚（N-异丙基丙烯酰胺）[Poly（N-isopropylacrylamide），PNIPAM]、聚癸二酸酐（Polysebacic Polyanhydride，PSPA）、壳聚糖、两亲共聚物、氨基基团和磺酸基团等[29]，但这种方法通常会部分破坏石墨烯的共轭结构。利用这种修饰方法，Veca等用聚乙烯醇和氧化石墨烯进行酯化反应，获得了聚乙烯醇功能化的石墨烯基材料[30]，该功能化石墨烯基材料在水及其他极性溶剂中均表现出良好的溶解性；Shan等通过共价功能化修饰将聚L-赖氨酸修饰在石墨烯表面，得到水溶性好、生物相容性极佳的石墨烯复合物[31]，聚L-赖氨酸上的众多氨基基团使得该石墨烯复合材料能够与多种生物活性分子进行化学反应，为该石墨烯复合物进一步的生物应用（如生物标记、生物传感等）提供了更多可能。
非共价修饰法通过π-π相互作用、范德瓦耳斯力、疏水作用和氢键对石墨烯表面进行物理吸附和聚合物包裹等，从而提高石墨烯的分散性。石墨烯基材料可以与表面活性剂或两亲分子等化合物非共价结合，提高疏水物质在生理溶液中的溶解度[29]，例如吐温、泊洛沙姆F127等。除此之外，蛋白质、核酸等也均被报道过成功与石墨烯复合[32]。由于非共价修饰操作简单，且最大限度地保留了石墨烯原有的原子和电子结构，目前已成为最常规的功能性修饰方法。通过非共价修饰法，Chen等利用π-π堆叠以及氢键将石墨烯与含多芳香环的大分子组装在一起，成功在石墨烯表面高效地修饰上抗肿瘤药物阿霉素（Doxorubicin，DOX）[33]，研究表明该功能化石墨烯药物负载量远高于其他药物载体，且可通过调节pH来改变药物与石墨烯之间的氢键强度，以实现负载药物的可控释放。此外，Patil等利用单链DNA跟石墨烯片层的相互作用，制备了DNA修饰的石墨烯片层堆叠结构，DNA修饰大大提高了石墨烯片层在水中的溶解度，利用静电作用，实现了细胞色素在DNA修饰的石墨烯片层结构中的插入[34]，展现了石墨烯基材料在诸如基因药物靶向治疗等诸多生物医学领域中的应用前景。
图1-5描述了聚乙二醇、壳聚糖等部分化合物与石墨烯基材料的复合方式[35]。(www.xing528.com)
图1-5 功能化修饰石墨烯实例[35]
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