納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

1、納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用大氣科學(xué)1102班連俊標(biāo)201012911216摘要：納米技術(shù)的興起，對(duì)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的變革產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。納米材料 具有許多傳統(tǒng)材料所不具備的獨(dú)特的理化性質(zhì)，因此在生物醫(yī)學(xué)、傳感器等重要 技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本文主要介紹納米診斷技術(shù)、再生醫(yī)學(xué)中的納米 材料、納米藥物載體、納米藥物、納米中藥及納米醫(yī)學(xué)材料安全性等方面的研 究。關(guān)鍵詞:納米醫(yī)學(xué)納米技術(shù)納米材料隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，納米材料學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的結(jié)合越來(lái)越緊密，納 米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已取得了很大進(jìn)展，并展現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭和 巨大的發(fā)展 潛力。當(dāng)然，納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)發(fā)展都還是處于起步階段 納

2、米材料在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用還尚不完善，還有待進(jìn)一步研究。一、 納米材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用納米材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用主要有納米藥物載體、納米藥物、腫瘤治療、 抗菌材料、生物傳感器等。（一）納米藥物納米藥物與傳統(tǒng)的分子藥物的根本區(qū)別在于它是顆粒藥物，而廣義的納米藥物 可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是納米藥物載體，即指溶解或分散有分子藥物的各種納米顆 粒，如納米球、納米囊、納米脂質(zhì)體等；第二類(lèi)是納米藥物，即指直接將原料 藥物加工成的納米顆粒，或利用嶄新的納米結(jié)構(gòu)或納米特性，發(fā)現(xiàn)基于新型 納米顆粒 的高效低毒 的治療或診斷藥物。前者是對(duì)傳統(tǒng)藥物的改良，而后者強(qiáng) 調(diào)的是把納米材料本身作為藥物。1.納米藥物載體是否能

3、實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和亞細(xì)胞層次上藥物的靶向傳遞和智能控制釋放，是降低藥物 毒副作用、提高治療效果的共性問(wèn)題。納米粒子介導(dǎo)的藥物輸送是納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，在藥物輸送方面具有許多優(yōu)越性。目前，用作藥物載體的材料 有金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒及生物活性納米顆粒等。理想的納米藥物載體應(yīng)具備以下性質(zhì)：毒性較低或沒(méi)有毒性；具有適宜的制 備及提純方法；具有合適的粒徑與形狀；具有較高的載藥量；具有較高的包封率; 對(duì)藥物具有良好的釋放特性；具有良好的生物相容性，可生物降解或可被機(jī)體排 出；具有較長(zhǎng)的體內(nèi)循環(huán)時(shí)間，并能在療效相關(guān)部位持久存在等。（1）抗腫瘤藥物載體腫瘤的納米靶向治療以納米粒為載體，將藥

4、物或制劑定向于腫瘤部位，可 以 大幅度提高藥物的生物利用率，提高療效，降低用藥量，減少毒副作用，已成 為國(guó)際腫瘤藥物研制中的熱點(diǎn)和前沿。惡性腫瘤周?chē)捌鋵?shí)質(zhì)有大量的新生毛細(xì)血管形成，這些血管通透性高，400600nm以下的納米顆粒可穿過(guò)血管到達(dá)腫瘤組織。惡性腫瘤的納米粒磁導(dǎo)靶 向熱療也是有效的方法，熱療本身可以破壞腫瘤細(xì)胞。將磁性納米粒子經(jīng)包裹或 修飾后選擇性地注射到腫瘤部位，然后施加交變磁場(chǎng)，納米粒子受到交變作用而 產(chǎn)熱，可提高放療和化療的效果?？谇活M面部腫瘤位置相對(duì)表淺，是最適合作磁 導(dǎo)靶向化療和磁導(dǎo)靶向熱療的部位。此外，由于納米脂質(zhì)體載體具有較好的藥物、基因和成影劑包封率，在腫瘤造 影成

5、像等方面顯示出較好的優(yōu)勢(shì)。（2）中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）藥物載體血腦屏障對(duì)于維持CNS的相對(duì)穩(wěn)定起著重要作用，但其毛細(xì)血管連接緊密， 大多數(shù)藥物很難通過(guò)血腦屏障進(jìn)入CNS。因此，如何使CNS藥物跨越血腦屏障 從血液進(jìn)入腦內(nèi)且發(fā)揮藥效是藥物傳遞系統(tǒng)需要解決的一個(gè)難題。納米粒子作為 藥物載體，為不能透過(guò)血腦屏障的CNS藥物入腦提供了新途徑。（3）其他載體胰島素（insulin，INS）的降糖療效明顯，但普通制劑的INS 口服給藥不易吸收， 且容易被胃蛋白酶、胰蛋白酶和腸激酶等降解，因此目前臨床上INS的常規(guī)給 藥途徑為注射給藥。大量的研究工作證實(shí)，口服納米囊可保護(hù)INS不被酶破壞， 提高INS的生物

6、利用度，減少用藥次數(shù)。用納米顆粒，包括納米膠束、納米脂質(zhì)體等作為基因轉(zhuǎn)移載體，已引起醫(yī)學(xué)界 廣泛重視。其原理是納米顆粒作為載體將 DNA、RNA、PNA（肽核苷酸）、 dsRNA（雙鏈RNA）等基因治療分子包裹其中，或者通過(guò)靜電引力或吸附將治療 分子固定在其表面形成復(fù)合物，在胞吞作用下納米顆粒進(jìn)入細(xì)胞，釋放基因治療 分子，發(fā)揮治療效能。2.納米藥物直接以納米顆粒作為藥物的應(yīng)用之一是抗菌藥物。納米抗菌藥物具有廣譜、親 水、環(huán)保、遇水后殺菌力更強(qiáng)、不會(huì)誘導(dǎo)細(xì)菌耐藥性等多種性能。通過(guò)表面化學(xué) 改性方法將抗菌劑接枝到電紡納米纖維表面，控制接枝反應(yīng)在納米纖維的表面進(jìn) 行，不影纖維膜的本體力學(xué)性能。此外，

7、納米纖維巨大的比表面被具有高密 抗 菌基團(tuán)的合物鏈覆蓋，并穩(wěn)定、牢固地以共價(jià)鍵結(jié)合，這不僅大大提高了抗菌效 率，小劑量即可產(chǎn)生強(qiáng)的抗菌作用，而且還具有長(zhǎng)效及重復(fù)使用的優(yōu)勢(shì)，可以有 效避免抗菌劑污染等問(wèn)題。相對(duì)于微米尺度，納米尺度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與機(jī)體內(nèi)細(xì)胞生長(zhǎng)的自然環(huán)境更為相 似。納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建有可能從分子和細(xì)胞水平上控制生物材料與細(xì)胞間的相 互作用，引發(fā)特異性細(xì)胞反應(yīng)，對(duì)于組織再生與修復(fù)具有潛在的應(yīng)用前景和重要 意義。腫瘤治療在腫瘤治療方面，基因治療的關(guān)鍵是基因?qū)胂到y(tǒng)、基因表達(dá)的可控性以及更 多更好的治療基因。常規(guī)使用的病毒載體常伴 隨著對(duì)宿主產(chǎn)生免疫、炎癥反應(yīng) 和引起疾病等負(fù)面影響。采用納

8、米材料作為基因傳遞系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢(shì)，如聚丙交酯一乙交酯(PLGA)、 聚乳酸(PLA)、聚乙二醇(PEG)，由于具有良好的生物安全性，可方便有效地實(shí) 現(xiàn)基因靶向性及高效表達(dá)和緩釋?zhuān){米材料成為制備高效、靶向基因治療載體 系統(tǒng)的良好介質(zhì)。具有熱塑性及可溶性的生物可降解高分子材料如聚乳酸、聚乙 醇酸、尤其是乳酸一羥基乙酸共聚物(PL-GA)，因其良好的生物兼容性、生物 可降解性及機(jī)械強(qiáng)度得到了很大的發(fā)展。PLGA已被食品和藥物管理局(FDA) 批準(zhǔn)用于藥物輸送系統(tǒng)，它不僅安全性高，而且可以大大改進(jìn)腫瘤藥物輸送方法， 延長(zhǎng)藥物釋放時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了藥物的可控釋放。用PL-GA包裹攜帶小分子干擾 核糖核酸

9、(Ribonucleic acid，RNA)治療患有尤文肉瘤的實(shí)驗(yàn)鼠，能夠抑制生長(zhǎng)基 因，從而控制癌細(xì)胞的擴(kuò)散。抗菌材料抗菌材料是指具有抗菌或殺菌功能的材料，其主要機(jī)理為：干擾細(xì)胞壁的合成、 損傷細(xì)胞膜、抑制蛋白質(zhì)的合成和干擾核酸的合成等4點(diǎn)。目前，抗菌材料使用 的方法主要是通過(guò)添加抗菌劑或化學(xué)改性的方法使材料具有抗菌的效果。在抗菌實(shí)驗(yàn)的研究中，含硝酸銀或二氧化鈦的復(fù)合納米纖維對(duì)金黃色葡萄球菌 和大腸桿菌的抗菌效果明顯高于聚乙烯醇?xì)ぞ厶菑?fù)合纖維。在硝酸銀濃度達(dá)到最 大值時(shí)，復(fù)合納米纖維對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌效率分別為99%和 98%；在二氧化鈦濃度達(dá)到最大值時(shí)，復(fù)合納米纖維對(duì)金黃色葡

10、萄球菌和大腸桿 菌的抗菌效率分別為90%和85%。表面含季銨鹽陽(yáng)離子的聚合物納米纖維，采用平板涂布法測(cè)試納米纖維膜對(duì)革 蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性細(xì)菌大腸桿菌的抗菌效果，結(jié)果表 明，納米纖維膜對(duì)這2種細(xì)菌均顯示出優(yōu)異的抗菌效果，4h的抑菌率超過(guò) 99. 999%。特別是在溶液濃度為10%的改性聚乳酸纖維中，觀察到破裂的革蘭 氏陰性細(xì)菌大腸桿菌細(xì)胞碎片，驗(yàn)證了季銨鹽陽(yáng)離子抗菌劑的“接觸 死亡”和 “溶菌”機(jī)理。通過(guò)表面化學(xué)改性方法將抗菌劑接枝到電紡納米纖維表面，控制接枝反應(yīng)在納 米纖維的表面進(jìn)行，不影響纖維膜的本體力學(xué)性 能。此外，納米纖維巨大的比 表面被具有高密度抗菌基團(tuán)的聚合物鏈

11、覆蓋，并穩(wěn)定、牢固地以共價(jià)鍵結(jié)合，這 不僅大大提高了抗菌效率，小劑量即可產(chǎn)生強(qiáng)的抗菌作用，而且還具有長(zhǎng)效及重 復(fù)使用的優(yōu)勢(shì)，可以有效避免抗菌劑污染等問(wèn)題。生物傳感器生物傳感器是信息科學(xué)、生物技術(shù)和生物控制論等多學(xué)科交叉融合而形成的新 興高科技領(lǐng)域。隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)、納米技術(shù)不斷整合入傳感器技術(shù)領(lǐng) 域，生物傳感器越來(lái)越趨向于微型化。在納米技術(shù)中，納米器件的研究水平和 應(yīng)用程度標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家納米科技的總體水平，而納米傳感器又是納米器件研究 中的一個(gè)最重要的方向。由中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所唐芳瓊研究員帶領(lǐng)的納米材料可控制備與應(yīng)用 研究組，在納米增強(qiáng)的酶生物傳感器研究方面取得了重要進(jìn)展。此研究成

12、果是采 用四氧化三鐵納米顆粒構(gòu)建高靈敏度葡萄糖生物傳感器。研究表明，該生物傳感 器具有良好的抗干擾性，在實(shí)際血清的檢測(cè)中表現(xiàn)出很好的檢測(cè)效果，與現(xiàn)有臨 床方法檢測(cè)結(jié)果相比，標(biāo)準(zhǔn)偏差均在3%以?xún)?nèi)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。二、 納米材料應(yīng)用可能存在的問(wèn)題目前，納米材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是，納米材料也因其獨(dú)特的 小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和巨大比表面積等而具有特殊的物理、化學(xué)性質(zhì)，它在進(jìn) 入生命體后與生命體相互作用所產(chǎn)生的化學(xué)特性、生物活性，與化學(xué)成分相同的 常規(guī)物質(zhì)有很大的不同，這有可能給人類(lèi)健康帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害，并成為許多重大疾 病的誘因，因此也會(huì)大大限制其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。（一）對(duì)肺部的損傷納

13、米材料作為藥物輸送載體時(shí)，納米顆?？赡軙?huì)在器官內(nèi)部轉(zhuǎn)移。研究表明， 納米顆粒在肺部的吸收、轉(zhuǎn)移、分布，可能引起嚴(yán)重的肺部炎癥、上皮細(xì)胞增 生、肺部纖維化及肺部腫瘤，甚至死亡。Shvedova等人給實(shí)驗(yàn)鼠使用含少量雜 質(zhì)的單壁碳納米管（SWCNTs），觀察到在1040g/kg劑量時(shí)，小鼠隨著肺功 能的降低，出現(xiàn)了肺纖維化、急性炎癥等反應(yīng)。病理學(xué)觀察表明，納米TiO：可 以引起炎癥、肺細(xì)胞增生等病理改變。（二）可破壞腦細(xì)胞Thrall等人險(xiǎn)研究證實(shí)，TiO納米粒子進(jìn)入小鼠的小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞（即保護(hù)腦部 免受外來(lái)有害物刺激的特殊細(xì)胞），會(huì)引發(fā)迅速而持久的防衛(wèi)反應(yīng)。雖然小神經(jīng) 膠質(zhì)細(xì)胞制造活性氧分子可作

14、為防衛(wèi)機(jī)理，但長(zhǎng)時(shí)問(wèn)釋出活性氧分子會(huì)損害腦 部，情況就好像某些神經(jīng)退化性疾?。òㄅ两疬d癥和老年癡呆癥）導(dǎo)致神經(jīng)受 損一樣。研究發(fā)現(xiàn)，幼年大嘴黑鱸魚(yú)在接觸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5X10-6的納米級(jí)無(wú) 涂層富勒烯（）水溶懸膠體48h后，出現(xiàn)大腦脂質(zhì)過(guò)氧化損傷；同時(shí)，腮中的 還原型谷胱甘肽含量降低。這與C。具有氧化還原活性和親脂性有關(guān)，說(shuō)明一 定濃度的C?？赡軐?duì)水生魚(yú)類(lèi)大腦造成損傷。（三）影響DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄利用SiO納米粒子對(duì)人體上皮細(xì)胞進(jìn)行 的體外研究證實(shí)，小于70nm的粒子 可進(jìn)入細(xì)胞核；研究亦發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核內(nèi)積聚蛋白質(zhì)，并且有跡象顯示DNA的復(fù) 制和轉(zhuǎn)錄過(guò)程受到影響。SiO,雖然用作食物添加劑和食

15、物包裝材料，但SiO, 連同其他食物物質(zhì)經(jīng)胃腸道進(jìn)入人體會(huì)否在體內(nèi)產(chǎn)生類(lèi)似的影響，這一點(diǎn)尚不明 確陘。雖然多項(xiàng)體外研究證實(shí)某些納米材料具有潛在毒性，但是這些研究本身有 局限性，因此未能充分反映食品添加劑中納米材料的毒性。典型問(wèn)題包括使用與 生理非相關(guān)的劑量、粒子群聚、細(xì)胞直接接觸納米材料，以及納米材料與其他食 物成分之間的相互作用。但英國(guó)上議院科學(xué)及技術(shù)特別委員會(huì)進(jìn)行的研究結(jié)果顯 示，沒(méi)有事例證明人體食人納米食物有損健康。納米材料的安全性評(píng)估是一個(gè)全球性關(guān)注的問(wèn)題，美國(guó)、歐盟、日本紛紛斥巨 資展開(kāi)納米材料的安全性研究，我國(guó)也已將其列入國(guó)家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究規(guī) 劃項(xiàng)目。納米技術(shù)涉及很多學(xué)科，

16、如電子、生物、物理、化學(xué)等等。因此，對(duì)醫(yī) 用納米材料安全性的評(píng)估不是單一的某個(gè)學(xué)科可以完成的，而是需要臨床醫(yī)學(xué)、 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、毒理學(xué)、物理學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科的融合， 充分利用各種先進(jìn)的分析技術(shù)，開(kāi)展多學(xué)科的綜合研究。三、納米技術(shù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用的展望雖然納米醫(yī)學(xué)剛剛問(wèn)世，但其發(fā)展的巨大潛力已經(jīng)展示在我們面前。21世紀(jì) 是納米科技的世紀(jì)，人們將以全新的角度和視野看待生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題，在納米水平 上可以更加深入地研究各種組織的結(jié)構(gòu)和功能，并充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。納米醫(yī)學(xué) 技術(shù)的發(fā)展必將為基礎(chǔ)與臨床研究帶來(lái)新的機(jī)遇，為現(xiàn)階段尚不能解決的問(wèn)題帶 來(lái)新的思路和方法。納米技術(shù)在促進(jìn)醫(yī)藥、工業(yè)發(fā)展的同時(shí)，對(duì)

17、人類(lèi)健康和環(huán)境衛(wèi)生也同樣構(gòu)成潛 在的威脅。相同化學(xué)組成的納米材料與其他材料相比具有許多不同的物理、化 學(xué)和生物學(xué)特性，其潛在毒性、次級(jí)效應(yīng)、生物降解能力也存在質(zhì)疑。如何評(píng)價(jià) 納米醫(yī)藥的安全性和毒性，如何優(yōu)化納米技術(shù)使這些醫(yī)藥材料適合于人體生 物系統(tǒng)，以及如何避免或降低可能出現(xiàn)的毒副反應(yīng)，成為擺在人們面前的一個(gè) 重要問(wèn)題。但在醫(yī)學(xué)方面，尚難找到只有治療作用而沒(méi)有不良反應(yīng)的物質(zhì)，問(wèn) 題的關(guān)鍵是怎樣利用物質(zhì)的性質(zhì)。對(duì)于納米技術(shù)也是一樣，只要我們能夠認(rèn)識(shí) 到其負(fù)性效應(yīng)，就能夠解決它、避免它，從而對(duì)其進(jìn)行安全利用。綜上所述，和其他前沿學(xué)科一樣，納米醫(yī)學(xué)也充滿(mǎn)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。但我們完全 可以相信，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著對(duì)其在生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用研究的深入及生物安全 性問(wèn)題的闡明和解決，納米技術(shù)將成為醫(yī)學(xué)研究和臨床治療中的一個(gè)重要手段， 為許多重大疾病患者帶來(lái)福音。參考文獻(xiàn)張陽(yáng)德.戴阿霉素磁性白蛋白納米粒一一一種高效靶向抗腫瘤系統(tǒng)J】.中國(guó)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)雜志， 2