納米氧化鋅在醫療領域的應用

常虬洋

摘 要：納米氧化鋅是一種新型的高性能精細無機產品。它具有良好的抗菌性、紫外線屏蔽性和生物相容性，在醫學領域具有良好的應用前景。本文在分析、歸納和總結前人研究成果的基礎上，探討了納米氧化鋅在醫學領域的應用現狀。針對存在的問題，展望了納米氧化鋅的應用前景。

關鍵詞：納米氧化鋅;抗菌;生物成像;藥物傳遞

中圖分類號：TB383 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）03-0179-01

0 引言

納米技術和納米材料如今已經應用到生活的各個方面，比如防曬化妝品中用到了納米二氧化鈦，納米氧化鋅可用于表面涂料產品應用在空間飛行器，而工業上也早已有應用納米材料的研究，如陶瓷和橡膠工業?，F如今，納米載藥體系、納米藥物的研究受到研究人員的日益關注，納米材料逐漸被應用到醫療領域。

納米氧化鋅是面向二十一世紀的一種新型高性能精細無機材料。其粒徑約為1～100nm。由于粒徑過于細微，納米氧化鋅的電子結構和晶體結構發生了變化，從而產生了宏觀物體所不具有的性質，如量子尺寸效應、表面效應、宏觀隧道效應等。本文以納米氧化鋅的結構和性質為切入點，通過總結和討論，不但了解了納米氧化鋅在醫學領域的實際應用，而且展望了納米氧化鋅未來在醫學領域的發展前景。

1 納米氧化鋅在醫療殺菌上的應用

納米氧化鋅可用于醫藥行業殺菌消毒。其機制可分為三個方面：

第一個方面是納米氧化鋅可以在水介質中連續釋放鋅離子，鋅離子會進入細胞膜，破壞細胞膜，在細胞內與蛋白質的某些基團反應時，破壞細菌和細胞中蛋白質的空間結構，導致細胞中的蛋白酶失活進而殺死細菌。破壞之后，鋅離子會從細菌中游離出來，重復殺菌過程。

第二個方面是納米氧化鋅可以與細菌表面的細胞壁相互作用，破壞細菌的細胞壁，導致內容物被釋放從而殺滅細菌。

第三個方面是在紫外線的照射下，納米氧化鋅會產生空穴電子對，電子和空穴分別從導帶和價帶遷移到氧化鋅顆粒表面，表面吸附的水或羥基被轉變成氫氧自由基，吸附的氧氣轉變成活性氧，氫氧自由基和活性氧具有極強的化學活性，能與大多數有機物發生反應從而殺死大多數細菌和病毒。由于納米氧化鋅粒徑過小，電子和空穴從導帶和價帶到達晶體表面的時間被大幅度降低，空穴和電子復合的幾率也降低，因此粒徑處于納米量級的氧化鋅抗菌性能更優。

有關試驗表明，當納米氧化鋅溶液的納米氧化鋅質量分數為1%時，5分鐘內對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率分別為98.86%和99.93%。[1]日本離人公司采用納米氧化鋅和二氧化硅混合脫臭劑制備的除臭纖維能吸收異味，凈化空氣。同時，由于它們具有殺菌和抗菌作用，在醫院中廣泛用于制作無菌敷料和繃帶。此外，結合納米氧化鋅的殺菌效果和其他方面的性能，可有多種用途。

1.1 用于手術服的制造

納米氧化鋅可吸收和散射紫外線，所以具有屏蔽紫外輻射的功能。由于納米氧化鋅屬于直接帶隙半導體，所以當接收到紫外輻射時，價帶中的電子可以吸收紫外輻射的能量并躍遷到導帶上，躍遷后會產生空穴電子對，與此同時紫外線也被吸收。另外，當紫外光的波長遠大于納米氧化鋅的粒徑時，納米粒子可以向各個方向散射中長波紫外線，從而降低紫外線在照射方向上的強度。而納米氧化鋅的粒徑范圍一般為1～100nm，紫外線的波長范圍100～400nm，所以，納米氧化鋅對長波紫外線（波長320～400nm）和中波紫外線（波長280～320nm）的屏蔽效果較好。與有機紫外吸收劑相比，納米氧化鋅更安全、穩定、可靠，用作紫外線屏蔽劑，可用于纖維材料。用于纖維屏蔽紫外輻射的納米氧化鋅粉末，尺寸一般小于530nm，以保證其在所用介質中的良好分散性。

日本蒼螺公司將氧化鋅粉與特殊截面的聚酯纖維混合，具有良好的抗菌和紫外線屏蔽效果，特別適用于護士服和手術服的制造。

1.2 在牙科上的應用

早期牙科治療中使用的復合樹脂強度不足，往往導致治療失敗，于是產生了性能更好的混合型復合樹脂。由于納米氧化鋅晶須結構完整，幾乎沒有內部缺陷，同時具有高強度、高模量的特點，加上其獨特的立體四角狀可以各向同性地改變材料的力學性能，所以將其加入到復合樹脂體系中，可顯著提高復合樹脂的力學性能。同時納米氧化鋅也因其本身所具有的抗菌特性所以可被應用到牙科樹脂上來替代傳統的烤瓷牙。

1.3 在骨科上的應用

目前，鈦合金已廣泛應用于骨科植入物，如鋼板、釘子、克氏針、外固定器螺釘等。但放置植入物是創傷性手術，容易造成感染。研究發現，在鈦片表面包覆納米氧化鋅，可以維持長期的體外抗菌活性。同時，體外細胞培養實驗表明，納米氧化鋅還能促進間充質干細胞和成骨細胞在鈦表面的粘附、增殖和分化，增強成骨相關蛋白的表達，從而達到促進成骨的目的。納米氧化鋅抗菌和促進骨形成的特點，在骨科領域具有廣闊的應用前景。然而，納米氧化鋅的臨床研究較少，目前只有體外和動物實驗例子，所以在骨科的應用還有待進一步研究。今后，有必要進一步明確納米氧化鋅在人體內的安全有效濃度，以確保其抗菌安全性和有效性。

2 用于生物成像

納米氧化鋅在室溫下是帶隙為3.2eV、激子束縛能為60meV的直接帶隙半導體，在室溫下容易實現高效率的受激發射，不同粒徑的納米氧化鋅在紫外光照射下可以激發不同的熒光。量子點具有優良的光學穩定性且熒光壽命長，可用于生物成像，而與傳統量子點相比，氧化鋅量子點具有良好的生物相容性和低毒性。納米氧化鋅表面的羥基連接不同的有機分子可改善其表面性質，或者雜糅其他元素形成一種復合氧化鋅量子點便可用于熒光成像。例如，用改良的溶膠-凝膠法合成的Co/La摻雜的氧化鋅量子點Yu可迅速標記人的胃癌細胞。

3 用于藥物傳遞

當環境pH大于5.5時，納米氧化鋅在介質中可以穩定存在，但當環境pH小于5.5時，納米氧化鋅則會快速溶解成鋅離子。人體正常組織的PH值約為7.4，而腫瘤和炎性組織的PH值低于正常組織，呈酸性，在這樣的環境下氧化鋅易分解。同時，納米氧化鋅具有較大的比表面積，富含羥基和鋅離子，其表面可直接吸附或通過表面修飾連接其他小分子抗癌藥物。因此，利用這兩個特性可制備藥物載體。

在氧化鋅表面加上聚乙二醇后連接具有靶向乳腺癌細胞功能的葉酸分子，負載抗癌藥物阿霉素，合成抗癌藥物載體，定向攻擊癌細胞。該載體進入癌細胞后，氧化鋅溶解，藥物得以釋放，癌細胞得以抑制。例如，Upadhyaya等[6]采用原位移植方法，將CMC（羧甲基纖維素）插入氧化鋅納米顆粒中，用疏水性抗癌藥物姜黃素包覆其表面，合成CMC納米復合材料，作用于猴胚胎腎癌細胞，結果表明，CMC納米復合材料具有良好的藥物緩釋效果。

4 結語

納米氧化鋅由于其獨特的結構在不同的條件下表現出不同的性質，還可與其他物質結合應用于不同領域。目前納米氧化鋅的制備技術已經得到了廣泛的研究，如何根據不同用途的需要，設計并制備特殊的納米氧化鋅，如何發現新型納米氧化鋅，并整合傳統領域，是促進納米氧化鋅應用的關鍵。在醫療領域應用過程中也存在一些相關問題亟待解決，如應用于制作紫外線屏蔽的工作服時對粒徑有一定要求，而且納米氧化鋅并不能屏蔽全波段的紫外線;應用于人體時，包括牙科、骨科、生物成像、藥物傳遞等方面，由于對納米氧化鋅的物理化學性質研究還不夠深入，所以其對人體的毒性和影響還沒有確切的研究結論，確定其安全和有效濃度范圍是當前需要解決的一大難題。

納米氧化鋅作為一種性能優異的新型功能材料，特別是在新工藝設備的帶動下，在生物醫學領域有著廣闊的應用前景，所以一方面要加強納米氧化鋅在醫療領域的深入研究，一方面要推動納米氧化鋅行業與相關行業的交流與應用。在現代醫療的基礎上開發具有自主知識產權的高性能納米氧化鋅，爭取在醫療領域取得進一步發展。

參考文獻

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