納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用*

王冬華

(渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，陜西渭南714000)

納米材料是在納米尺度內(nèi)調(diào)控物質(zhì)結(jié)構(gòu)制成的具有特異性能的材料［1］。納米材料通常具有以下特點(diǎn):(1)具有納米尺度的結(jié)構(gòu)單元，其特征維度尺寸在納米范圍內(nèi);(2)每一個納米單元之間有著強(qiáng)弱不同的相互作用;(3)具有較多的表面原子、很大的表面積、極高的表面能［2］。由于納米材料結(jié)構(gòu)上的特殊性，使其在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出多的表面活性中心、高的表面反應(yīng)活性、強(qiáng)烈的吸附能力、較高的催化能力、較低的毒性以及不易受體內(nèi)和細(xì)胞內(nèi)各種酶的降解等許多特殊的效果［3］。雖然，對于納米材料的研究才剛剛起步，但其發(fā)展速度極快，將納米材料與生物醫(yī)學(xué)融為一體，為生物醫(yī)學(xué)工程的進(jìn)一步研究發(fā)展提供了更加廣闊的空間和平臺。隨著納米科技的發(fā)展，納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中已有較多的潛在應(yīng)用價(jià)值，其中部分已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，甚至一些產(chǎn)品已開始進(jìn)入市場。

1 納米材料的分類及其在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

1.1 納米無機(jī)材料

1.1.1 納米陶瓷材料

納米陶瓷作為納米材料的一個重要分支，其所顯示出的特異性能解決了臨床醫(yī)學(xué)中傳統(tǒng)陶瓷的強(qiáng)度、韌性、力學(xué)相容性等都達(dá)不到要求的難題。納米陶瓷是由極小晶粒所形成的特殊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有效減少了氣孔，降低了缺陷，大幅度降低了穿晶斷裂的幾率，從而增強(qiáng)了陶瓷的韌性;同時(shí)細(xì)化晶粒極大增加了晶界數(shù)量，有利于晶粒間的滑移，從而使納米陶瓷呈現(xiàn)出優(yōu)異的超塑性能。

納米羥基磷灰石的力學(xué)性能相比于常規(guī)材料有了較大幅度地提高，使其在人工器官制造，如人工骨、人工關(guān)節(jié)、耳聽骨修復(fù)體等方面都體現(xiàn)出更大的應(yīng)用價(jià)值。廖其龍等以CaCO3和CaHPO4為原料，通過水熱反應(yīng)制得的含碳羥基磷灰石納米晶體因其晶粒尺寸和組分與人骨相似而成功地解決了普通羥基磷灰石材料在臨床中遇到的力學(xué)性能差的問題［4］。納米羥基磷灰石還表現(xiàn)出無毒、安全的生物活性和生物相容性，能很好地與骨骼結(jié)合在一起，且在有體液參與的情況下，部分會發(fā)生降解，降解產(chǎn)物Ca 和P 能夠被人體基質(zhì)吸收，重新結(jié)晶成核發(fā)揮骨傳導(dǎo)作用。

1.1.2 納米碳材料

納米碳材料是指由碳元素組成的，粒徑介于0.1nm ～100nm 的材料，主要包括納米碳纖維、碳納米管及類金剛石碳等。

納米碳纖維因其優(yōu)異的抗血栓性能，良好的生物相容性，目前被廣泛應(yīng)用于人工器官，如人工心臟瓣膜、人工齒根、人工血管等的制造。納米碳纖維因具有密度較低、比模量較高和比表面積較大等特點(diǎn)而使人造醫(yī)用材料在力學(xué)性能方面得到明顯改善。除此之外，納米碳纖維還具有高效吸附特性，能夠用來吸附特定成分或病毒，從而凈化血液。

碳納米管(CNTs)作為一種新型材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域正在崛起。CNTs 可用于癌細(xì)胞成像，有助于診斷，但是未經(jīng)修飾的CNTs 表面疏水性強(qiáng)，不溶于水溶液，而且對動物及細(xì)胞具有毒性，如用于腫瘤治療，必須對CNTs 進(jìn)行親水性及功能化修飾。基于CNTs 固有的理化性質(zhì)，功能化CNTs 具有生物相容性、低細(xì)胞毒性、細(xì)胞穿透性及靶向性，且有較長的血液循環(huán)時(shí)間，可通過代謝安全清除，這使得CNTs 有望用作抗癌藥物的納米載體CNTs 作為載體可載帶治療腫瘤的物質(zhì)，其可載帶的物質(zhì)包括多肽、蛋白質(zhì)、核酸及抗癌藥物等［5］。

類金剛石碳(DLC)是一種具有大量金剛石結(jié)構(gòu)碳－碳鍵的碳?xì)渚酆衔铩Ｔ诒砻孢M(jìn)行修飾能使其具有納米結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性，因而在心血管臨床醫(yī)學(xué)方面體現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。類金剛石碳能夠降低對纖維蛋白原的吸附、提高對白蛋白的吸附，與其他材料相比它更能夠大大的降低血小板的粘附程度、增強(qiáng)抗凝血性能、減少血管內(nèi)膜增生［6－7］。因此它能促進(jìn)材料表面生成具有活性的功能簇，不易誘發(fā)血液凝結(jié)現(xiàn)象，并且使植入體內(nèi)的人工材料能與人體基質(zhì)和平共處。

1.2 納米高分子材料

納米高分子材料又稱高分子超微粒，因具有較大的比表面積而表現(xiàn)出一些普通微米微粒所不具有的特性。高分子超微粒的表面效應(yīng)和體積效應(yīng)隨其微粒尺寸的減小而發(fā)生極大的變化，這兩大特性集中在納米高分子材料中，能夠提高高分子納米粒子的選擇性吸附能力、縮短超微粒子吸附平衡的時(shí)間、增加粒子的表面積及官能團(tuán)密度等［8］。這為納米高分子材料在免疫分析、智能藥物載體及介入性治療等方面的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。

良好的載體材料是免疫分析的關(guān)鍵。某些親水性納米高分子粒子由于能夠選擇性地吸收數(shù)量較少的非特異性蛋白，因此，作為一種新型的標(biāo)記物載體而被廣泛使用。在共價(jià)結(jié)合的基礎(chǔ)上，對選定載體上的分析目標(biāo)進(jìn)行免疫親和分子標(biāo)識，然后在恒溫下培育含有分析目標(biāo)的溶液與載體，利用顯微技術(shù)，通過檢測自由攜帶量的方法就能對分析目標(biāo)進(jìn)行定量分析，目前，此方法在蛋白質(zhì)、抗原等的定量分析中起了關(guān)鍵作用。

在智能藥物載體方面，納米高分子材料作為藥物載體保護(hù)藥物，進(jìn)入生物體內(nèi)后被微生物逐步分解，從而調(diào)控藥物的釋放速度。目前，聚合乳酸、乳酸－乙醇酸共聚物、聚丙烯酸酯類等納米高分子在生物體內(nèi)能進(jìn)行主鏈酯鍵水解反應(yīng)，并降解成無毒產(chǎn)物，因此作為藥物載體而使用。藥物經(jīng)過納米高分子載體運(yùn)送后，能夠有效降低核心藥物的損傷，而且還能很好地控制藥物釋放速度，從而提高藥物的治療效果［9］。

納米高分子材料在血液中能夠自由移動，因此也經(jīng)常用于疑難雜癥的介入性診斷和治療。如果將對人體無害的納米高分子微粒注入到人體內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)對病癥的檢查和治療。臨床研究表明，將載有地塞米松的乳酸－乙醇酸共聚物的納米微粒經(jīng)動脈注入人體基質(zhì)，可以防止動脈再狹窄，并得到有效的治療;載有抗增生藥物的乳酸－乙醇酸共聚物的納米粒子經(jīng)冠狀動脈注入人體基質(zhì)，則可降低冠狀動脈再狹窄的幾率。此外，還可以將載有抗生素或抗癌劑的納米高分子通過動脈給藥的方式送入某些特定器官中進(jìn)行治療，如攜帶藥物的納米球制成疫苗及乳液可以進(jìn)行皮下、肌肉內(nèi)注射及腸外、腸內(nèi)注射［8］。

納米粒子含有大量的自由表面，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附特性，并能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到吸附平衡。因此，在生物物質(zhì)的吸附分離過程中納米高分子粒子是一種難得的理想物質(zhì)。在醫(yī)療中，薄片狀的納米高分子材料可以作為過濾器應(yīng)用于血清的消毒。另外，納米高分子材料也可用于分離生物大分子，一方面，可以適當(dāng)?shù)馗淖儣l件，使生物大分子從納米粒子上解吸;另一方面，在納米高分子材料中引入羧基、磺酸基等官能團(tuán)，使其與蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)發(fā)生相互作用，使大分子沉降，從而達(dá)到分離的目的［10］。此外，帶正電的納米高分子粒子與帶負(fù)電的微生物、動植物細(xì)胞表面相接觸時(shí)，可以作為絮凝劑將吸附的細(xì)胞或細(xì)胞碎片從體系中清除出去。

1.3 納米復(fù)合材料

納米復(fù)合材料是一種材料為連續(xù)相，以納米尺寸的其它材料為分散相，通過適當(dāng)?shù)闹苽浞椒ㄐ纬梢幌嗪屑{米尺寸材料的復(fù)合體系。納米復(fù)合材料作為一種新型材料，在生物醫(yī)學(xué)方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在膠原蛋白中添加一定比例的甲殼素，可以形成一種具有納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其力學(xué)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，孔徑尺寸有所增大。該復(fù)合材料作為細(xì)胞生長的三維支架具有極大的優(yōu)勢［11］。以肽分子和兩親化合物進(jìn)行自組裝可得到一納米纖維，其與羥基磷灰石發(fā)生反應(yīng)后，能夠形成內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與自然骨中膠原蛋白羥基磷灰石晶粒的排列結(jié)構(gòu)一致的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，該材料在硬組織替換與修復(fù)方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值［12］。

2 納米材料在生物醫(yī)學(xué)方面的安全性問題

目前，科學(xué)界已經(jīng)研究了納米材料的安全性問題，研究范圍主要集中在納米氧化物、納米碳管等少數(shù)幾種物質(zhì)，取得了一些初步成果，某些負(fù)面影響也已被證實(shí)。納米TiO2有抗菌、抗紫外線、光催化等特性，通過對TiO2的一系列研究發(fā)現(xiàn):(1)無毒或低毒、化學(xué)組成相同的TiO2細(xì)顆粒，當(dāng)尺度再減小之后，有可能產(chǎn)生負(fù)面影響;(2)超微納米TiO2顆粒能嚴(yán)重導(dǎo)致呼吸道組織間的質(zhì)化，增加上皮組織的滲透性，并誘發(fā)一系列炎癥;(3)納米TiO2會導(dǎo)致細(xì)胞死亡［13］。納米碳材料廣泛應(yīng)用于組織工程藥物、腫瘤治療、抗病毒、抗菌等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，這大大增加了人體暴露碳納米材料的機(jī)會，因此，碳納米材料的生物安全性引起了廣發(fā)關(guān)注。葉兵等［14］研究了用碘的同位素標(biāo)記的酪氨酸－多壁碳納米管經(jīng)尾部靜脈注射后其在小動物體內(nèi)的暴露程度，結(jié)果表明，尾靜脈注射后的酪氨酸－多壁碳納米管主要集中在小動物呼吸道內(nèi)，含量并沒有隨時(shí)間的延長而降低;腎臟含量次之，并且隨著時(shí)間的延長含量呈直線下降;肝臟和脾臟中含量較少，但并沒有隨時(shí)間的延長而降低，說明酪氨酸－多壁碳納米管在呼吸道、肝臟和脾臟中都有一定的暴露。如果將人類的上皮角質(zhì)細(xì)胞暴露在碳納米管中長達(dá)十幾個小時(shí)，細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)和形態(tài)會發(fā)生相應(yīng)的變化，此外，還可以觀察自由基的形成、過氧化物的聚積、抗氧化物質(zhì)的枯竭以及細(xì)胞活力的喪失過程。目前，不同團(tuán)隊(duì)研究納米材料毒性時(shí)，所選體系、暴露條件等不同是研究納米毒性的一個障礙，所以建立標(biāo)準(zhǔn)的、通用的、可比較的實(shí)驗(yàn)技術(shù)是致力于研究納米材料毒性的前提條件。

3 展望

與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)相比，將先進(jìn)的納米生物技術(shù)引入生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，臨床醫(yī)學(xué)將呈現(xiàn)治療節(jié)奏更快、效率更高，診斷、檢查更準(zhǔn)確、更有效的令人欣喜的趨勢。然而，世界各國對納米材料的生物毒性研究才剛剛步入正軌，有關(guān)納米材料臨床安全性的報(bào)道還比較欠缺，研究還不全面，研究方法還不統(tǒng)一規(guī)范，還不能從已有的納米材料安全性數(shù)據(jù)尋求規(guī)律，所以其應(yīng)用，尤其是在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用還受到一定的限制。總體來說，納米材料與生物醫(yī)學(xué)的結(jié)合是一場偉大的新的變革，應(yīng)該加大納米材料研發(fā)方面的力度，吸引更多優(yōu)秀的科學(xué)家投入相關(guān)研究，從而造福子孫后代。

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