氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，氧化石墨烯具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。
因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量，成为性能优异的新型碳纳米材料。氧化石墨烯复合材料包括聚合物类复合材料以及无机物类复合材料，且都具有广泛的应用领域。氧化石墨烯还具有良好的水溶液稳定性，对中药中难溶性的活性成分以及化学合成药物在发挥药效上起到至关重要的作用。氧化石墨烯已在生物传感、成像、癌症治疗和药物输送、抗菌、疫苗增强剂等领域成为研究热点。
氧化石墨烯作为药物、基因递送载体材料
几年来，氧化石墨烯纳米材料在药物装载、基因传递等生物医学领域的应用发展迅速，由于它的高表面积以及独特的物理化学性质使其具有较高装载能力，还可在药物控释体统方面发挥重要作用。
免疫增强剂
纳米级材料的化学成分、物理特性、生化修饰等都决定了其作为生物材料具有较为广阔的应用前景。此外，已有研究证明免疫器官是纳米颗粒在全身分布的主要部位。以氧化石墨烯为基础的纳米材料可以调节免疫细胞在培养过程中的功能，并诱导小鼠肺部炎症。近年来一些研究表明氧化石墨烯显示出了较强的免疫增强效果。因此，氧化石墨烯与免疫系统之间的相互作用受到广泛关注。
光动力治疗及生物成像
光动力疗法是成为肿瘤治疗的一项常规手段。截至目前，这一疗法已成功地用于治疗多项恶性肿瘤。光动力疗法的治疗基础是光动力作用，它需要具备３个基本要素：光敏剂、激发光与分子氧。光动力疗法治疗肿瘤的基本原理是系统或局部给予的光敏剂在各组织中的半衰期不同，一段时间后肿瘤组织中光敏剂浓度明显高于正常组织，形成光敏剂在肿瘤组织的选择性滞留，在特定波长激发光的作用下，同时在分子氧存在的情况下，产生单线态氧及其它活性氧类物质，导致肿瘤细胞坏死和凋亡。
氧化石墨烯以独特的机械、电子、光学性质使其在生物技术、生物医学工程、纳米医学、肿瘤治疗、组织工程、药物释放、生物成像和生物分子传感等方面都发挥了巨大的作用。与其它球形或平面形纳米材料相比，氧化石墨烯比表面积大、强度高、易修改、并且具有良好的生物相容性。氧化石墨烯及其烯衍生物的尺寸、表面电荷、层数、横向尺寸和表面化学等参数都会对生物系统产生相应的影响，因此氧化石墨烯的生物安全问题使其在临床应用上造成了一定的限制，包括它们的细胞毒性、体内毒性，遗传毒性及在某些器官（如肺和肝脏）中的生物蓄积性都有待进一步研究。随着材料科学的发展，我们必将运用毒性低、生物相容性更好的材料来修饰氧化石墨烯，从而制备出性质稳定、结构明确、安全无毒的氧化石墨烯，使其作为安全有效的医用材料进入更为广阔的临床研究之中。