閆勇江

摘要：納米材料作為一種高新技術材料，其物理性質明顯不同于常規(guī)材料，具有優(yōu)良的性能和新奇的特性，在體育器材、田徑跑道、體育場館、運動補劑、運動服裝、運動草坪等體育工程中有著廣泛的應用。然而納米材料進入機體會影響肝腎組織、細胞、腦組織、肺組織，存在生物安全隱患，所以在體育工程中應用納米材料的同時，需要對其生物安全性進行研究，以免危及人體健康。本文針對納米材料在體育工程中的應用及其生物安全性研究展開分析。

關鍵詞：納米材料;體育工程;應用;生物安全性

中圖分類號：TQ050.4"25

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2019）06-0057-03

納米材料是指在在三維空間中至少有一維處于納米量級尺寸（0.1nm～100nm）或由其作為基本單元構成的材料，與常規(guī)材料的特性和功能有明顯的區(qū)別，具有廣闊的應用和發(fā)展空間。近年來，競技體育中開始廣泛應用形式不同的納米材料，在很大程度上提高了體育的競技水平，推動體育事業(yè)朝著人性化、科學化的方向發(fā)展。

1納米材料在體育工程中的具體應用

1.1體育器材

第一，球拍。納米技術在乒乓球拍、羽毛球拍、網球拍等球拍中的應用較廣，不僅能增加球拍的手感、耐用度和彈性，還能減輕其重量。例如：“愛阿樓吉野魯”系列硬式網球拍的強度達自重的4000倍，質量約達空氣的3倍;Wilson NCode網球拍通過納米SiO₂的使用，能確保材料結構的均勻、結實、完善;雙芯牌網球主要是在網球核表面涂覆丁基納米復合材料，通過氣體阻隔層來減緩空氣侵入球核殼的速度，降低球內氣壓，促延長網球使用壽命。第二，撐竿。撐竿是撐桿跳高的主要器材，其經歷了木竿-竹竿-金屬竿-玻璃纖維竿-碳纖維的發(fā)展歷程。如伊辛巴耶娃在北京奧運會上使用的撐竿就是碳纖維撐竿，竿尾和竿頭都是碳纖維材料，彎曲度能接近90°，竿體輕盈且能快速反彈。隨著科學技術的不斷發(fā)展，在撐竿結構的設計過程中，根據受力和弧度來設計結構部位的強度，有利于實現撐竿的“個性化”發(fā)展，而納米技術的應用是最為關鍵的環(huán)節(jié)。第三，船艇。將納米減阻涂層材料用于船艇，能降低船艇運動的流體阻力，不會影響到船艇的重量、顏色和水質。該減阻劑是利用疏水光固化含氟蠟，采用特殊工藝來處理和修飾納米粒子，使其在基質蠟中的分散相對均勻，然后通過機械或人工擦涂的方式，將其涂抹在船艇底部來形成超薄膜，這樣既不會使船艇表面重量得以增加，也能發(fā)揮出改性材料的作用，如防水粘附、疏水、防污、拋光等作用。

1.2田徑跑道

對于納米跑道而言，其主要是將適量的納米粉體加入到傳統(tǒng)塑膠跑道材料中，借助相關手段來生產制作納米聚氨酯，進而創(chuàng)造出性能明顯優(yōu)于普通塑膠跑道的納米跑道?？梢哉f，納米跑道既具有普通塑膠跑道的優(yōu)點，如經久耐用、抗老化、強度高、硬度適宜、耐磨、彈性好等，也具有自身獨特的優(yōu)勢，如斷裂伸長率和抗張強度高、防霉性好、阻燃、壓縮復原性和回彈值優(yōu)良，能延長使用壽命，提高運動員的體育成績。

1.3體育場館

作為體育活動的重要物質基礎，體育場館是指進行身體鍛煉、運動競賽、運動訓練的專業(yè)性場所。我國體育場館建設過程中，很多都是采用納米材料，如玻璃、墻面、吸音板、地面等，鋪設墻面和石材地面時所用的納米膜面積達15000m+2。以國家體育館為例，將納米TiO₂防護液用于玻璃天頂，能實現防雨的目的，利用雨水清洗掉玻璃表面的灰塵，保證玻璃的干凈、清潔。通常納米外墻涂料和納米內墻投料是體育場館墻面最常用的納米涂料，其中前者主要是以納米材料二元協同的荷葉雙梳機理為依據，充分利用其硬度高、表面張力低、韌性大、黏附能力強等特點，以此加強外墻的性能，如抗紫外線、自潔、保色保光、抗臟物抗粉塵粘附等。又如我國在1968年建設的首都體育館，將納米材料加入到防水吸音板中，保證吸音板不變形的同時，還能防油和防水。另外，將隱形納米膜鋪設在石材地面的表面，鋪設厚度控制為幾十納米，通過隱形納米膜與石材內壁產生的反應而形成薄膜，利用薄膜的表面張力來輕易且快速清洗石材，有利于增強石材的質感，減緩石材內部遭受濕氣或液態(tài)水的滲透，促進石材使用性能和使用壽命的提高。

1.4運動補劑

對于運動補劑而言，其多是選用口服攝人的形式，但在口服過程中，運動補劑會受體內生物代謝的首過效益的影響，無法發(fā)揮出應用的效果，如蛋白質、多肽等。然而納米材料的應用能很好地避免首過效益的影響，利用靶向給藥的方式來發(fā)揮出運動補劑的作用。例如：輔酶010屬于生物抗氧化劑，當人體運動過后服用輔酶010，能及時清除過氧自由基，使血清中MDA含量得以降低，促進血清中SOD活力的提高，及時消除或延緩運動后的疲勞。相關研究顯示，將納米脂質體作為輸送系統(tǒng)，能提高肝臟中輔酶010的蓄積量，使肝臟被動靶向性有所增加，所以含有輔酶010納米脂質體的運動型飲料能使體內的血乳酸含量有所降低，抑制蛋白質分解，維持肝糖原水平，達到良好的抗疲勞效果。

1.5運動服裝

納米材料具有自身獨特的特性，尤其是高比表面積，能在紡織物表面吸附納米顆粒，且不會對紡織品的手感、透氣性造成影響。如納米防水布料的制作材料主要是聚酯纖維，將直徑達40nm的針狀硅絲涂在布料上，以免雨水接觸聚酯纖維而滲透到布料中。相較于普通運動衣，納米運動衣在質感上并無差別，且夏天能防霉、抗菌，冬天能保暖、拒水、耐洗滌、透氣，有利于避免水上運動員出現病毒性心肌炎和感冒等癥狀。又如納米功能鞋的主要元素就是納米材料，即將氧化鋅與氧化鈦進行融合，利用特定的基材，如氟碳表面活性劑等，在一定條件下原位復合這些材料，以此形成納米結構薄膜，具有抗菌、透氣和防水的功能。

1.6運動草坪

在現代體育運動快速發(fā)展的背景下，天然草坪逐漸被人造草坪所取代，但若運動對抗的強度較高時，人才草坪中草坪纖維的缺陷往往會顯現出來，如柔韌性差、強度低等，繼而影響到運動對抗的效果。為了彌補人造草坪的缺陷，相關研究者通過超分散劑B和硅烷偶聯劑A，采用干法表面處理的方式來處理納米CaC03，然后根據熔融紡絲的手段制作納米CaCO₃改性的聚乙烯運動草坪纖維。相較于未填充納米CaCO₃的運動草坪纖維，改性草坪纖維的特征更為突出，如線性密度低、纖維性能好等，并且干熱收縮率可降低5.2%，斷裂伸長率可增加22.8%;同時纖維結晶度會隨CaCO₃填充量的增加而不斷上升。這些表明納米CaCO₃的單絲纖維具有優(yōu)良的力學性能，如干熱收縮、斷裂伸長率、拉斷力等，明顯超過同類主流產品的性能，在運動草坪中的應用前景十分廣闊。

2 納米材料的生物安全性研究分析

當前納米金屬、納米氧化物（SiO₂、TiO₂）、碳納米材料等納米材料在體育工程中的應用十分廣泛，但納米材料的生物安全性問題也不容忽視，需要加強對其生物性研究。通常引發(fā)生物安全性問題的原因包括：①從流行病學的角度來看，人體呼吸體系中會沉積很多空氣中的超細顆粒物，這些顆粒物易轉移到肺組織以外的器官中，甚至穿過血眼屏障和血腦屏障而蓄積，且粒徑越小，巨噬細胞越難以清除。②材料粒徑小至納米量級時，其性能往往會出現突變，如穩(wěn)定物質能變得可燃（鋁）、惰性材料能變?yōu)榇呋瘎ㄣK）。③納米粒子的沉降速度比微米粒子的沉降速度要小很多，約為微米粒子的1/1000，受重力和擴散力的影響，納米粒子易懸浮于溶液和大氣中。④對于納米粒子而言，其尺寸極其微小，比表面積和表面原子活性極高，不穩(wěn)定特征顯著，極易融合其他的原子，相互團聚能力和吸附性更強?？梢哉f，納米粒子能通過給藥、注射、皮膚接觸、呼吸系統(tǒng)等進入到動物或人的體內，并在體內轉移和積累而產生生物效應，傷害到肝腎組織、細胞、腦組織、肺組織等。

通常納米材料對細胞會造成多方面的影響，如降低細胞黏附力、誘導炎性因子釋放、誘導細胞凋亡、誘導氧化應激、干擾細胞周期等。相關研究顯示，Fe₃O₄和SiO₂納米顆?？赏ㄟ^直接穿破細胞膜、內吞等方式侵入細胞，即：納米顆粒向細胞膜外表面貼近和黏附，使膜朝內凹陷，破壞膜的完整性后侵入細胞，細胞膜被侵入后會恢復為原本完整的狀態(tài)。TiO₂納米顆粒會通過內吞的形式侵入細胞，即解聚和分散的電子致密顆粒與凹陷的細胞膜與相互貼近，或者是被吞入胞漿而形成囊泡，增加胞漿內的溶酶體。納米顆粒引起毒性和炎癥的關鍵因素就是ROS的產生，若納米顆粒進入到細胞中，往往會先達到線粒體，繼而產生大量的ROS，嚴重影響到機體的抗氧化劑防御機制。

相關研究證實了納米材料的組織或細胞毒性。納米材料通過嗅覺神經突觸，進入到嗅球后移至大腦，對大腦中的單胺類神經遞質代謝造成影響，造成神經細胞黏附分子mRNA水平、膠質纖維酸性蛋白的升高，繼而損傷腦組織病理學而產生神經毒性。灌胃染毒約一個月后，會使天門冬氨酸氨基轉移酶活性、堿性磷酸酶活性增強，染毒肝細胞出現脂肪變性，可見匯管區(qū)炎細胞浸潤。多壁碳納米管會引起肺部的纖維化和炎癥，且相關細胞毒性經過酸化會增大;單壁碳納米管會抑制細胞的繁殖，使細胞黏附能力有所降低。當吸入納米SiO₂后會引起肺部炎癥反應，房室傳導受阻、心肌出現缺血性損傷，血粘度和纖維蛋白原濃度升高;使用含有少量雜質的SWCNTs時，肺功能有所降低，產生肺纖維化，引起急性炎癥。此外，對不同粒徑、不同類型的、金屬氧化物顆粒或納米金屬進行研究，可以發(fā)現：試驗樣品的濃度超過100ug/ml時，干細胞會出現形態(tài)異常改變或萎縮的情況，而在濃度相同的情況下，劑量無毒性表現且低于10ug/ml時，不同類型的納米顆粒有不同的毒性。

3 結語

綜上所述，納米材料作為一種新型的材料，被廣泛應用于體育器材、體育場館、運動服裝、運動草坪等體育工程中，在很大程度上促進了體育競技水平的提升，為體育事業(yè)的長遠發(fā)展提供了強有力的支持。但納米材料因主客觀因素的影響，在生物安全性方面的影響不容忽視，這就需要納米技術研究者和體育工作者要注重納米材料帶來的積極效應，加強研究其生物安全性和對環(huán)境造成的影響。