由于具有独特的物理化学性质和较好的生物相容性,碳纳米材料在生物医学等领域中引起了广泛的关注。近年来的研究发现,碳纳米材料在特定的生理或病理条件下,具有调节活性氧物种（ROS）水平的能力,可用于对不同疾病的缓解与治疗。然而,由于在调节氧化还原水平的过程中,碳纳米材料的活性较低,且机制不明确,使其在实际应用中受到了较大限制。在本论文中,我们通过系统地研究碳纳米材料表面的含氧官能团对其ROS调节活性的影响,设计并构建了一系列具有高ROS调节活性的富含特定含氧官能团的碳纳米材料,并将其应用于抗细菌感染和抗氧化治疗。除此以外,我们还开发了新型的响应型磁共振成像纳米探针,用于在活体中监测ROS水平。取得的成果概括如下:1、碳纳米管（CNTs）及其衍生物已经被用作可以模拟天然酶活性的非金属纳米材料（纳米酶）。然而,基于CNTs的纳米酶通常催化活性较低,因此限制了其进一步的生物医学应用。我们合成了一系列富含含氧官能团的氧化碳纳米管（o-CNTs）,作为高效的过氧化物酶模拟物。通过机理研究,我们证明了氧化碳纳米管表面的羰基是生物催化反应的活性中心,而其表面的羧基和羟基会作为竞争位点,抑制催化活性。通过屏蔽o-CNTs表面上的竞争位点,我们进一步制备了催化活性更高的2-溴-1-苯基乙酮修饰的o-CNTs（o-CNTs-BrPE）。纳米酶介导的细菌清除实验和活体层面的防治细菌感染实验都清楚的表明,o-CNTs-BrPE可以作为高效的过氧化物酶模拟物,在生理条件下增强ROS的生成,从而有效地保护组织免受细菌感染导致的水肿和炎症。2、在急性肾损伤期间,肾脏中过量产生的活性氧物种（ROS）被认为是导致肾衰竭的主要原因。当前可用于急性肾损伤治疗的抗氧化剂通常缺乏所需的抗氧化活性和肾靶向能力。受天然酚类抗氧化剂结构的启发,我们构建了具有高ROS清除能力和肾靶向能力的富含类酚基团的石墨烯量子点（h-GQDs）,用于急性肾损伤的抗氧化治疗。与天然多酚相似,h-GQDs上的类酚基团被证明是发挥抗氧化作用的活性中心。进一步的机理研究表明,h-GQDs的超高抗氧化活性不仅来源于其表面大量的类酚基团,还来源于相邻类酚基团之间的协同作用以及移除对抗氧化性能不利的羰基。在患有急性肾损伤的小鼠中,h-GQDs可以有效地保护肾脏免受氧化损伤,并且没有表现出明显的生物毒性。3、目前对脓毒症的诊断方法往往缺乏所需的速度和准确度,导致不能够及时而准确地对脓毒症做出诊断和干预。从脓毒症初期开始,患者体内就会产生过量的ROS。因此,过量生成的ROS可被用作预测性的指标,用于脓毒症的监测。我们开发了新型的响应型纳米探针（ROS CAs）作为磁共振成像造影剂,用于脓毒症的早期诊断与监测。这些纳米探针是由临床批准的超顺磁性氧化铁纳米粒子（SPION）,透明质酸（HA）,和二乙烯三胺五醋酸钆（Gd-DTPA）构成的。在ROSCAs的结构中,Gd-DTPA的T1WMRI信号会被SPION淬灭。一旦ROS CAs与ROS接触,Gd-DTPA将会从被ROS降解的ROSCAs上释放,使得淬灭的T1WMRI信号得以恢复。ROS CAs针对ROS的敏感性极高,能够对患有早期脓毒症的小鼠进行全身性的ROS成像。重要的是,我们可以通过ROS CAs监测全身性的ROS水平,快速对脓毒症的严重程度进行有效评估。