[科普中國(guó)]-納米生物材料

納米技術(shù)是指在0.1~100納米的尺度里，研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特性以及對(duì)物質(zhì)和材料進(jìn)行處理的技術(shù)被稱為納米技術(shù)。

納米材料與生物體在尺寸上有著密切的關(guān)系。例如，構(gòu)成生命要素之一的核糖核酸蛋白質(zhì)復(fù)合體的線度在15-20nm之間，生物體內(nèi)各種病毒的尺寸也在納米尺度范圍。納米生物醫(yī)用材料就是納米材料與生物醫(yī)用材料的交叉，將納米微粒與其他材料相復(fù)合制成各種各樣的復(fù)合材料。隨著研究的進(jìn)一步深入和技術(shù)的發(fā)展,納米材料開(kāi)始與許多學(xué)科相互滲透，顯示出巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，并且已經(jīng)在一些領(lǐng)域獲得了初步的應(yīng)用。在過(guò)去幾年中，生物納米材料的理論與實(shí)驗(yàn)研究已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，特別是核酸與蛋白質(zhì)的生化、生物物理、生物力學(xué)、熱力學(xué)與電磁學(xué)特征及其智能復(fù)合材料已成為生命科學(xué)與材料科學(xué)的交叉前沿。

1、 納米生物材料的特性與生物相容性1.1、納米材料的基本效應(yīng)表面效應(yīng)是指微粉的粒徑越小，其總表面積越大；表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大。如當(dāng)粒徑為10nm(總原子數(shù)為3×10)時(shí)，表面原子數(shù)/總原子數(shù)=0.20；而當(dāng)粒度減小到lnm(總原子數(shù)為30)時(shí)，這一比值急劇上升到0.991表面原子的晶場(chǎng)環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同，具有很大的活性；晶粒的微?；S著這種活性的表面原子增多，使其表面能也大大增加。

體積效應(yīng)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是物質(zhì)體積的縮小雖不會(huì)引起物質(zhì)物性基本參量的變化，但會(huì)使那些與體積有關(guān)的物性發(fā)生變化，如磁體的磁疇變小，半導(dǎo)體中電子的自由路程變短，等等；二是物質(zhì)一般具有由無(wú)限個(gè)原子組成的物質(zhì)屬性，而納米粒子則表現(xiàn)出有限個(gè)原子集合體的特性。

晶體周期性的邊界條件遭破壞，顆粒表面層附近原子密度減小，從而導(dǎo)致聲、光、電磁、熱力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。主要表現(xiàn)為四大特點(diǎn)：尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子比例大。可以分為特殊的光學(xué)性質(zhì)，熱學(xué)性質(zhì)，磁學(xué)性質(zhì)，力學(xué)性質(zhì)，電學(xué)性質(zhì)等。

1.2、納米材料的毒性隨著納米科技的迅速發(fā)展，納米材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，人類及動(dòng)植物與納米材料的接觸已經(jīng)不可避免。納米粒子尺寸小、比表面積大、表面態(tài)豐富、化學(xué)活性高，具有許多塊體及普通粉末所沒(méi)有的特殊性質(zhì)，許多在普通條件沒(méi)有生物毒性的物質(zhì)，在納米尺寸下卻表現(xiàn)出很強(qiáng)的生物毒性。因此納米材料的安全性研究備受各國(guó)政府和科學(xué)家們的關(guān)注。然而盡管納米材料的種類和應(yīng)用范圍都在迅速增加，人們對(duì)納米材料的生物安全性的深入研究卻還顯得十分缺乏。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外很多課題組研究了包括富勒烯、單壁碳納米管、多壁碳納米管、金、氧化鐵、氧化鋁、氧化鋅、二氧化鈦、二氧化硅、硫化鋅、硒化鋅等在內(nèi)的多種典型的碳基納米材料、金屬及其氧化物納米材料和半導(dǎo)體（絕緣體）納米材料的生物安全性。從納米生物安全性研究所涉及的納米粒子種類來(lái)看，常見(jiàn)的重要納米材料多數(shù)都有涉及。納米粒子生物毒性的表現(xiàn)方式主要有組織器官形態(tài)和功能的改變、生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、細(xì)胞形態(tài)改變、染色體損傷、細(xì)胞分裂異常、細(xì)胞死亡（凋亡）等。從已有的研究來(lái)看，納米粒子的毒性與其尺寸、形貌、表面修飾、濃度、制備方法及作用時(shí)間等均有密切關(guān)系，一般而言納米粒子的尺寸越小、濃度越高、作用時(shí)間越長(zhǎng)，則其毒性也越大。納米粒子的生物毒性也與細(xì)胞類型有關(guān)，同一種納米粒子對(duì)不同細(xì)胞的毒性強(qiáng)弱也不相同，此外還與生物或細(xì)胞染毒途徑和方式有關(guān)。納米粒子生物毒性的機(jī)理目前還不十分清楚，氧化損傷是納米材料引起毒性的可能途徑，細(xì)胞凋亡可能依賴線粒體途徑。在納米材料的生物安全性評(píng)價(jià)方面，目前還缺乏完善的評(píng)價(jià)方法及相應(yīng)的指標(biāo)體系。

目前納米材料的生物安全性研究總體來(lái)說(shuō)還處于起步階段，大部分工作主要集中在現(xiàn)象觀察和資料收集方面，對(duì)納米材料生物毒性的機(jī)理的深入研究還亟待加強(qiáng)。特別是對(duì)那些在生物調(diào)控、疾病診斷與治療、生物標(biāo)記等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景的納米材料，要想使其真正進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域，就必須對(duì)其生物安全性進(jìn)行全面深入的研究和評(píng)價(jià)，而這方面的工作尤其顯得薄弱。本文對(duì)目前納米材料生物安全性研究中存在的困難和問(wèn)題也進(jìn)行了分析，并對(duì)納米材料生物安全性研究的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1.3、生物相容性納米生物材料，具有生物兼容性、可生物降解、藥物緩釋和藥物靶向傳遞等良好特性已在藥物治療方面取得了很大成功。藥物納米載體具有高度靶向、藥物控制釋放、提高難溶藥物的溶解率和吸收率優(yōu)點(diǎn)，提高藥物療效和降低毒副作用。納米顆粒作為基因載體具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)：納米顆粒能包裹、濃縮、保護(hù)核苷酸，使其免遭核酸酶的降解；比表面積大，具有生物親和性，易于在其表面耦聯(lián)特異性的靶向分子，實(shí)現(xiàn)基因治療的特異性；在循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)時(shí)間較普通顆粒明顯延長(zhǎng)，在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)象普通顆粒那樣迅速地被吞噬細(xì)胞清除；讓核苷酸緩慢釋放，有效地延長(zhǎng)作用時(shí)間，并維持有效的產(chǎn)物濃度，提高轉(zhuǎn)染效率和轉(zhuǎn)染產(chǎn)物的生物利用度；代謝產(chǎn)物少、副作用小、無(wú)免疫排斥反應(yīng)等。

2、 常用的納米生物材料2.1、細(xì)胞分離用納米材料病毒尺寸一般約80～100nm，細(xì)菌為數(shù)百納米，而細(xì)胞則更大，因此利用納米復(fù)合粒子性能穩(wěn)定、不與膠體溶液反應(yīng)且易實(shí)現(xiàn)與細(xì)胞分離等特點(diǎn)，可將納米粒子應(yīng)用于診療中進(jìn)行細(xì)胞分離。該方法同傳統(tǒng)方法相比，具有操作簡(jiǎn)便、費(fèi)用低、快速、安全等特點(diǎn)。美國(guó)科學(xué)家用納米粒子已成功地將孕婦血樣中微量的胎兒細(xì)胞分離出來(lái)，從而簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地判斷出胎兒細(xì)胞中是否帶有遺傳缺陷。

2.2、細(xì)胞內(nèi)部染色用納米材料利用不同抗體對(duì)細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和力的顯著差異，選擇抗體種類，將納米金粒子與預(yù)先精制的抗體或單克隆抗體混合，制備成多種納米金/抗體復(fù)合物。借助復(fù)合粒子分別與細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復(fù)合物，在白光或單色光照射下呈現(xiàn)某種特征顏色(如10nm的金粒子在光學(xué)顯微鏡下呈紅色) ，從而給各種組合“貼上”了不同顏色的標(biāo)簽，因而為提高細(xì)胞內(nèi)組織的分辨率提供了一種急需的染色技術(shù)。

2.3、抗菌及創(chuàng)傷敷料用納米材料按抗菌機(jī)理，納米抗菌材料分為三類：一類是Ag系抗菌材料，其利用Ag 可使細(xì)胞膜上的蛋白失活，從而殺死細(xì)菌。在該類材料中加入鈦系納米材料和引入Zn 、Cu 等可有效地提高其的綜合性能； 第二類是ZnO、TiO2等光觸媒型納米抗菌材料，利用該類材料的光催化作用，與H2O 或OH反應(yīng)生成一種具有強(qiáng)氧化性的羥基以殺死病菌；第三類是納米蒙脫土等無(wú)機(jī)材料，因其內(nèi)部有特殊的結(jié)構(gòu)而帶有不飽和的負(fù)電荷，從而具有強(qiáng)烈的陽(yáng)離子交換能力，對(duì)病菌、細(xì)菌有強(qiáng)的吸附固定作用，從而起到抗菌作用。

2.4、組織工程中的納米生物材料材料支架在組織工程中起重要作用，因?yàn)橘N壁依賴型細(xì)胞只有在材料上貼附后，才能生長(zhǎng)和分化。模仿天然的細(xì)胞外基質(zhì)2膠原的結(jié)構(gòu)，制成的含納米纖維的生物可降解材料已開(kāi)始應(yīng)用于組織工程的體外及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，并將具有良好的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)研究開(kāi)發(fā)的納米級(jí)羥基磷灰石/ 膠原復(fù)合物在組成上模仿了天然骨基質(zhì)中無(wú)機(jī)和有機(jī)成分，其納米級(jí)的微結(jié)構(gòu)類似于天然骨基質(zhì)。體外及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，此種羥基磷灰石/膠原復(fù)合物是良好的骨修復(fù)納米生物材料。

2.5、生物活性材料隨著納米技術(shù)的發(fā)展，生物活性雜化材料在保持柔韌性的同時(shí)，彈性模量已接近硅酸硼玻璃，而且便于加入活性物質(zhì),因此是一種開(kāi)發(fā)生物材料的理想途徑。JonesSM 等用TEOS(正硅酸乙酯) 、甲基丙烯酰胺在偶氮類引發(fā)劑作用下，加入氯化鈉制備出含鈣鹽的納米SiO2聚合物復(fù)合材料,將其在人體液中放置1周后，可以觀察到其表面有羥基磷灰石層形成，因而具有較好的生物活性。應(yīng)用溶膠/ 凝膠技術(shù)制備納米復(fù)合材料，同時(shí)在體系中引入胺基、醛基、羥基等有機(jī)官能團(tuán)，使材料表面具有反應(yīng)活性，可望在生化物質(zhì)固定膜材料、生物膜反應(yīng)器等方面獲得較大應(yīng)用。

3、 納米生物材料的研究進(jìn)展隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料學(xué)和生物醫(yī)學(xué)結(jié)合越來(lái)越緊密，納米材料在生物應(yīng)用上已取得了很大的成就，并展現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭和巨大的發(fā)展?jié)摿?。但是我們還應(yīng)看到，很多方面發(fā)展還不完善，應(yīng)用還不安全有待進(jìn)一步研究。筆者認(rèn)為在21 世紀(jì)納米材料在生物醫(yī)學(xué)方面發(fā)展應(yīng)該加強(qiáng)和有巨大應(yīng)用潛力，將成為今后一段時(shí)間研究熱點(diǎn)的有：

(1) 生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)診斷用材料：不可否認(rèn)，現(xiàn)在納米材料在生物檢測(cè)診斷上已發(fā)生相當(dāng)大的發(fā)展和應(yīng)用，各種納米材料已經(jīng)在實(shí)踐中的應(yīng)用取得了良好的效果。但在各種醫(yī)學(xué)檢測(cè)中對(duì)各種各樣的功能性納米材料的要求還比較高。比如生物醫(yī)學(xué)工程和醫(yī)療設(shè)備器材兩者之間相輔相成，生物醫(yī)學(xué)工程是基礎(chǔ)，它的課題研究的深人會(huì)催生新的醫(yī)療設(shè)備器材出現(xiàn)，同時(shí)對(duì)臨床醫(yī)療設(shè)備器材的需求信息會(huì)產(chǎn)生新的研究方向，納米功能材料在這個(gè)方面將大有前途。又如分析與檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，勢(shì)必要求具有更先進(jìn)性能納米材料的出現(xiàn)。

(2) 藥物治療上使用的材料：藥物控釋納米材料將繼續(xù)成為納米醫(yī)用材料研究發(fā)展的重點(diǎn)。納米粒子不但具有能穿過(guò)組織間隙并被細(xì)胞吸收等特性，而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實(shí)現(xiàn)口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑等優(yōu)點(diǎn)，因而在藥物輸送方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

(3) 功能性生物材料：各種有著特定功能的材料將越來(lái)越多地應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)上去。未來(lái)幾年生物材料中納米陶瓷將在人造骨骼中發(fā)揮主導(dǎo)作用，有著各種特性的無(wú)機(jī)——有機(jī)復(fù)合納米材料也必將在介入治療、血液凈化方面大展身手。

(4) 生物安全性納米材料：目前在一些國(guó)家生物納米材料的安全性研究已經(jīng)被提上日程，但很多研究還不深入，取得效果也不明顯。在全球矚目安全問(wèn)題的同時(shí)，納米材料安全性研究必將成為下一熱點(diǎn)。生物降解綠色材料將是未來(lái)藥物的首選。關(guān)于生物技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，目前確實(shí)還有很多問(wèn)題沒(méi)有搞清楚，有待于繼續(xù)研究。

納米技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)的結(jié)合，為醫(yī)學(xué)界提供了全新的思路，納米材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用取得了顯著效果。但納米材料應(yīng)用還很有限，尤其是在生物醫(yī)學(xué)上面，目前大多數(shù)研究還處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，還需大量臨床試驗(yàn)予以證實(shí)，納米材料應(yīng)用的生物安全性有待進(jìn)一步提高。這就要求生物醫(yī)學(xué)研究者與納米材料的研究人員合作需進(jìn)一步加強(qiáng)，制造出更先進(jìn)的生物醫(yī)用納米材料。我們有理由相信，隨著納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用，臨床醫(yī)療將變得節(jié)奏更快、效率更高，診斷、檢查更準(zhǔn)確，治療更有效，人們的生命安全將得到更大的保障。

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