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        簡述納米材料及其在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

        2019-02-22 02:05:08陳姝言
        祖國 2019年1期
        關(guān)鍵詞:疾病診斷生物醫(yī)學(xué)納米材料

        陳姝言

        摘要:材料科學(xué)發(fā)展迅速,納米材料因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)得到廣泛的關(guān)注。納米材料能夠精確控制材料內(nèi)部的單個原子和分子,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用。本文簡述了幾種重要的納米材料,并且闡述了納米材料在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用,以期對今后的納米材料研究提供參考。

        關(guān)鍵詞:納米材料 疾病診斷 治療 生物醫(yī)學(xué)

        納米材料是材料的最小單位尺寸在0.1-100nm范圍內(nèi)的超微顆粒固體物質(zhì)。納米材料的特點(diǎn)是晶粒體積小,晶粒內(nèi)部的原子數(shù)少于晶面的原子,具有高濃度晶界的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng),與常規(guī)宏觀材料相比,納米材料表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、磁性等性能。目前,主要的納米材料有,碳納米材料、稀土納米材料、復(fù)合納米材料、半導(dǎo)體納米材料和貴金屬納米材料等。納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用,如利用納米材料的光信號和電信號進(jìn)行疾病標(biāo)志物的檢測,作為藥物載體使藥物更加高效地進(jìn)入生物體內(nèi)進(jìn)行靶向治療,降低傳統(tǒng)方法(如化療)對人體造成的傷害。納米材料具備的優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì),因此其在生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展中具有十分廣闊的應(yīng)用前景[1]。

        一、幾種重要的納米材料

        (一)碳納米材料

        碳納米材料主要包括碳納米管、富勒烯和石墨烯等,是一類以碳元素為主的重要材料。碳納米管具有獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu),利用這種特殊的結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑺幬锇苍谄鋬?nèi)部,然后在特定的位置進(jìn)行刺激下釋放其包覆的藥物,實(shí)現(xiàn)特定靶向給藥。富勒烯又稱C60,其外形與足球相似,是由五元環(huán)和六元環(huán)相互雜化組成,因此理化性質(zhì)獨(dú)特,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,如具有細(xì)胞的抗氧化活性、抗菌、抗病毒功能,以及可以作為藥物載體進(jìn)行腫瘤治療等。此外,富勒烯及其衍生物還具有催化方面的應(yīng)用,由于其結(jié)構(gòu)具有烯烴的性質(zhì),化學(xué)鍵易發(fā)生斷裂或形成,研究表明與活性炭相比,富勒烯催化的反應(yīng)具有更高的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率,催化能力高于其他同類型的碳材料。

        2004年,英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了石墨家族的重要成員-石墨烯,其結(jié)構(gòu)特殊,碳原子以六角形分布類似苯環(huán),多個碳原子六角形結(jié)構(gòu)構(gòu)成平面薄膜,其厚度只有一個碳原子,是最薄的納米材料,同時也最硬的納米材料[2]。石墨烯具有特殊的電子排布,表面含有羧基、羥基、環(huán)氧基等的官能團(tuán),具有豐富的化學(xué)性質(zhì),而且還具有吸附特性和限域效應(yīng),從發(fā)現(xiàn)開始就一直備受廣大科研工作者的關(guān)注,特別是兩位科學(xué)家因從石墨中首次成功提取出石墨烯,獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎。

        (二)稀土納米材料

        稀土納米材料是一類摻雜稀土元素構(gòu)成納米材料。由于稀土元素的原子結(jié)構(gòu)特殊,富含多個電子能級,因此化學(xué)性質(zhì)活潑可以與其他元素反應(yīng)形成多價態(tài)的化合物。稀土元素本身具備的光、電和磁的特性,在近代化學(xué)工業(yè)中被譽(yù)為“維生素”,而且從材料的角度也被稱為“新材料寶庫”。特別是將稀土材料的制備的維度調(diào)控到納米尺寸后,其特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁性等特點(diǎn)極大地提高了材料的功能,受到科研工作者的密切關(guān)注,在新材料開發(fā)中稀土納米材料發(fā)揮中重要的作用[3]。

        我國稀土資源豐富,目前在世界范圍內(nèi)中國占有80%的稀土資源,稀土產(chǎn)量高居世界第一。因此,我們國家在稀土資源開發(fā)與利用方面極具潛力,稀土納米材料在能源催化,環(huán)境保護(hù)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都重要的應(yīng)用。稀土納米材料具有獨(dú)特的發(fā)光性能,在外界光源的輻照下能夠發(fā)出各種可調(diào)的熒光,色彩鮮艷,轉(zhuǎn)換效率高,而且發(fā)光穩(wěn)定,對生物體毒性小,特別適用于生物體內(nèi)的醫(yī)學(xué)研究,為生物醫(yī)學(xué)的研究提供了寶貴的材料基礎(chǔ)。

        (三)納米復(fù)合材料

        復(fù)合材料是指由兩種及兩種以上材料構(gòu)成的具有納米尺寸的一類多相固體材料,一般來說一種材料為連續(xù)相,另一種以納米尺寸的材料作為分散相。復(fù)合材料中包含各種物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)不相同,但是其各個物質(zhì)之間能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢,彼此彌補(bǔ)單一形式下的缺陷和不足,產(chǎn)生單一材料原來不具備的新特性。如將甲殼素添加到膠原蛋白中去,可以形成一種新型的納米尺寸復(fù)合材料,這種新材料增加了力學(xué)強(qiáng)度和孔徑尺寸,能夠作為支架應(yīng)用到細(xì)胞生長研究中。再如在羥基磷灰石中加入兩親化合物修飾的肽分子,制備出具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料,在骨組織修復(fù)和替換方面有著極大的潛力。由于材料內(nèi)部各個成員之間能夠彼此“取長補(bǔ)短”,納米復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了材料的多元性功能設(shè)計(jì),為制備先進(jìn)的功能材料提供了設(shè)計(jì)思路。

        二、生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

        (一)成像診斷

        磁共振成像技術(shù)是目前臨床上廣泛使用的診斷方式,它能夠清晰地精確提供病人的生理和病理信息。磁共振成像的本質(zhì)是一種物理現(xiàn)象,早在1973年就開始有人使用核磁共振技術(shù)進(jìn)行臨床的疾病診斷,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,精確的磁共振成像診斷需要引入造影劑來增強(qiáng)檢測信號。磁性納米材料是磁共振成像中主要使用的造影劑,用以提供磁共振成像的對比度和清晰度。磁性納米材料一般由尺寸為3-10 nm的四氧化三鐵或者含有稀土元素Gd構(gòu)成,對人體無害且能較好的通過代謝排出體外。如對肝癌病人注射磁共振成像的造影劑,盡管納米造影劑能夠隨血液在全身循環(huán),但肝部的腫瘤部位能夠吸收納米造影劑,從而可以和正常組織區(qū)別開來,顯示出其特異性用于臨床的精確成像,這對疾病的早期診斷和早期治療具有十分重要的意義。

        (二)DNA納米技術(shù)

        脫氧核糖核酸,也稱DNA,是生物體主要的遺傳物質(zhì)。而DNA納米技術(shù)是指專門在100 nm尺度下用來研究DNA以及其他核酸分子自發(fā)地組成穩(wěn)定機(jī)構(gòu)技術(shù)。這是一種多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域,主要利用DNA(脫氧核糖核酸)尺寸為納米級別、剛性結(jié)構(gòu)和編碼性強(qiáng)的特點(diǎn)來構(gòu)造各種納米結(jié)構(gòu)。DNA納米技術(shù)中核酸鏈?zhǔn)侵饕臉?gòu)建成分,其尺寸在納米級別,如DNA的雙螺旋直徑為2nm。再根據(jù)堿基的互補(bǔ)配對就可以形成一個明確的自組裝結(jié)構(gòu),同時,這種結(jié)構(gòu)的DNA鏈可以通過核酸的設(shè)計(jì)進(jìn)行控制。DNA納米技術(shù)的發(fā)展刷新了人們對DNA這一生物大分子的認(rèn)識,它不僅能作為生命遺傳信息的載體,還能夠作為納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建工具。這種自主裝形成的獨(dú)特納米結(jié)構(gòu)適用于合成納米粒子和蛋白復(fù)合物,用以實(shí)現(xiàn)制備多功能型的檢測傳感器和設(shè)計(jì)小尺寸的藥物載體,對于人類了解生命過程,治療重大醫(yī)學(xué)疾病和維護(hù)生命健康有著重要的意義。

        (三)生物傳感

        生物傳感器主要是用于檢測生物酶、核酸、抗原、抗體和細(xì)菌等物質(zhì),近年來將功能化的納米材料作為生物傳感器,實(shí)現(xiàn)了在分子水平上進(jìn)行高靈敏度的檢測和物質(zhì)識別。同時,納米材料以其特殊的物理和化學(xué)性質(zhì),如能夠?qū)V泛應(yīng)用于生物傳感器中,其原理一般是通過引入對檢測目標(biāo)有刺激相應(yīng)的基團(tuán)產(chǎn)生相應(yīng)電信號或光信號。傳感器結(jié)合納米技術(shù)具有極大的優(yōu)勢,如使傳感器獲得特異性的光學(xué)或電學(xué)信號,提高檢測信號的強(qiáng)度,同時還能保證檢測信號的持久性。目前,納米材料的傳感器能夠特意識別重金屬、蛋白質(zhì)、抗原/抗體和細(xì)胞的各種酶,同時具有良好的檢測范圍和極低的檢測限。納米材料制備的生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)能夠檢測各種腫瘤標(biāo)志物,為疾病的確證提供了充足的證據(jù),也為傳感器的發(fā)展提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。

        (四)載藥治療

        納米材料的尺寸一般正常細(xì)胞要小很多,因此將納米材料作為藥物載體進(jìn)入到人體內(nèi)進(jìn)行藥物傳輸,可以進(jìn)行特定部位的控制藥物釋放的治療,如以磁性納米材料與藥物結(jié)合,作為藥物載體注入到病人體內(nèi),可以利用磁性將藥物富集到某一處病變部分,使藥物集中釋放,更加有效地在病變部位發(fā)揮治療作用。同時,也可以通過外界刺激緩慢釋放藥物,延長藥物在特定部位的作用時間,保證藥物有效的前提下,減少單次使用藥物的劑量從而避免某些藥物的毒副作用。納米載體除了轉(zhuǎn)載藥物,還可以有效保護(hù)藥物,防止在達(dá)到特定部位之前被體內(nèi)的酶降解。納米材料作為藥物載體,能夠?qū)崿F(xiàn)藥物的靶向控制釋放,對人類疾病的治療有著十分重要的意義,提供了有效的治療手段。

        三、結(jié)語

        綜上所述,從疾病的診斷,標(biāo)記物的檢測到特殊疾病的靶向治療,藥物的控制釋放,納米材料以其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)能夠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。然而,功能化納米材料的生物毒性問題依然是納米醫(yī)學(xué)發(fā)展過程中的一個障礙,今后的研究重點(diǎn)將集中在生物降解和無毒的納米藥物開發(fā)方向,隨著科技的不斷進(jìn)步,這些納米材料的功能會更加完善和智能,尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)槿祟惖慕】底龀龈喔蟮呢暙I(xiàn)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王冬華.納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].合成與材料老化與應(yīng)用,2015,(44):104-107.

        [2]張金超,楊康寧,張海松,梁興杰.碳納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].化學(xué)進(jìn)展,2013,(25):397-406.

        [3]葛雪瑩,袁荃.稀土上轉(zhuǎn)換納米材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報,2015,(61):10-20.

        [4]馮婷婷.納米熒光生物傳感器研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].生物化工,2017,(12):78-81.

        (作者單位:湖南省株洲市第二中學(xué))

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