納米材料在生物醫(yī)學領域的應用

-.z.納米材料在生物醫(yī)學領域的應用摘要目前應用于生物醫(yī)學中的納米材料的主要類型有納米碳材料、納米高分子材料、納米復合材料等。納米材料在生物醫(yī)學的許多方面都有廣泛的應用前景。關鍵詞納米材料生物醫(yī)學應用1應用于生物醫(yī)學中的納米材料的主要類型及其特性1.1納米碳材料納米碳材料主要包括碳納米管、氣相生長碳纖維也稱為納米碳纖維、類金剛石碳等。碳納米管有獨特的孔狀構造[1],利用這一構造特性,將藥物儲存在碳納米管中并通過一定的機制激發(fā)藥物的釋放,使可控藥物變?yōu)楝F實。此外,碳納米管還可用于復合材料的增強劑、電子探針(如觀察蛋白質構造的AFM探針等)或顯示針尖和場發(fā)射。納米碳纖維通常是以過渡金屬Fe、Co、Ni及其合金為催化劑,以低碳烴類化合物為碳源,氫氣為載體,在873K~1473K的溫度下生成,具有超常特性和良好的生物相溶性,在醫(yī)學領域中有廣泛的應用前景。類金剛石碳(簡稱DLC)是一種具有大量金剛石構造C)C鍵的碳氫聚合物,可以通過等離子體或離子束技術沉積在物體的外表形成納米構造的薄膜,具有優(yōu)秀的生物相溶性,尤其是血液相溶性。資料報道,與其他材料相比,類金剛石碳外表對纖維蛋白原的吸附程度降低,對白蛋白的吸附增強,血管膜增生減少,因而類金剛石碳薄膜在心血管臨床醫(yī)學方面有重要的應用價值。1.2納米高分子材料納米高分子材料,也稱高分子納米微?；蚋叻肿映⒘?粒徑尺度在1nm~1000nm圍。這種粒子具有膠體性、穩(wěn)定性和優(yōu)異的吸附性能,可用于藥物、基因傳遞和藥物控釋載體,以及免疫分析、介入性診療等方面。1.3納米復合材料目前,研究和開發(fā)無機-無機、有機-無機、有機-有機及生物活性-非生物活性的納米構造復合材料是獲得性能優(yōu)異的新一代功能復合材料的新途徑,并逐步向智能化方向開展,在光、熱、磁、力、聲[2]等方面具有奇異的特性,因而在組織修復和移植等許多方面具有廣闊的應用前景。國外已制備出納米ZrO2增韌的氧化鋁復合材料,用這種材料制成的人工髖骨和膝蓋植入物的壽命可達30年之久[3]。研究說明,納米羥基磷灰石膠原材料也是一種構建組織工程骨較好的支架材料[4]。此外,納米羥基磷灰石粒子制成納米抗癌藥,還可殺死癌細胞,有效抑制腫瘤生長,而對正常細胞組織絲毫無損,這一研究成果引起國際的關注。醫(yī)科大學等權威機構通過生物學試驗證明,這種粒子可殺死人的肺癌、肝癌、食道癌等多種腫瘤細胞。此外,在臨床醫(yī)學中,具有較高應用價值的還有納米瓷材料,微乳液等等。2納米材料在生物醫(yī)學應用中的前景2.1用納米材料進展細胞別離利用納米復合體性能穩(wěn)定,一般不與膠體溶液和生物溶液反響的特性進展細胞別離在醫(yī)療臨床診斷上有廣闊的應用前景。20世紀80年代后,人們便將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中,使所需要的細胞很快別離出來。目前,生物芯片材料已成功運用于單細胞別離、基因突變分析、基因擴增與免疫分析(如在癌癥等臨床診斷中作為細胞部信號的傳感器[5])。倫敦的兒科醫(yī)院、挪威工科大學和美國噴氣推進研究所利用納米磁性粒子成功地進展了人體骨骼液中癌細胞的別離來治療病患者[6]。美國科學家正在研究用這種技術在腫瘤早期的血液中檢查癌細胞,實現癌癥的早期診斷和治療。2.2用納米材料進展細胞部染色比利時的DeMey博士等人利用乙醚的黃磷飽和溶液、抗壞血酸或檸檬酸鈉把金從氯化金酸(HAuCl4)水溶液中復原出來形成金納米粒子,(粒徑的尺寸圍是3nm~40nm),將金納米粒子與預先精制的抗體或單克隆抗體混合,利用不同抗體對細胞和骨骼組織的敏感程度和親和力的差異,選擇抗體種類,制成多種金納米粒子)抗體復合物。借助復合粒子分別與細胞各種器官和骨骼系統(tǒng)結合而形成的復合物,在白光或單色光照射下呈現*種特征顏色(如10nm的金粒子在光學顯微鏡下呈紅色),從而給各種組織貼上了不同顏色的標簽,為提高細胞組織分辨率提供了各種急需的染色技術。2.3納米材料在醫(yī)藥方面的應用2.3.1納米粒子用作藥物載體一般來說,血液中紅血球的大小為6000nm~9000nm,一般細菌的長度為2000nm~3000nm[7],引起人體發(fā)病的病毒尺寸為80nm~100nm,而納米包覆體尺寸約30nm[8],細胞尺寸更大,因而可利用納米微粒制成特殊藥物載體或新型抗體進展局部的定向治療等。專利和文獻資料的統(tǒng)計分析說明,作為藥物載體的材料主要有金屬納米顆粒、無機非金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒和生物活性納米顆粒。磁性納米顆粒作為藥物載體,在外磁場的引導下集中于病患部位,進展定位病變治療,利于提高藥效,減少副作用。如采用金納米顆粒制成金溶液,接上抗原或抗體,就能進展免疫學的間接凝聚實驗,用于快速診斷[9]。生物降解性高分子納米材料作為藥物載體還可以植入到人體的*些特定組織部位,如子宮、陰道、口(頰、舌、齒)、上下呼吸道(鼻、肺)、肛門以及眼、耳等[10]。這種給藥方式防止了藥物直接被消化系統(tǒng)和肝臟分解而代掉,并防止藥物對全身的作用。如美國麻省理工學院的科學家已研制成以用生物降解性聚乳酸(PLA)制的微芯片為根底,能長時間配選準確劑量藥物的藥物投送系統(tǒng),并已被批準用于人體。近年來生物可降解性高分子納米粒子(NPs)在基因治療中的DNA載體以及半衰期較短的大分子藥物如蛋白質、多肽、基因等活性物質的口服釋放載體方面具有廣闊的應用前景。藥物納米載體技術將給惡性腫瘤、糖尿病和老年癡呆癥的治療帶來變革。2.3.2納米抗菌藥及創(chuàng)傷敷料Ag+可使細胞膜上蛋白失去活性從而殺死細菌,添加納米銀粒子制成的醫(yī)用敷料對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠濃桿菌等臨床常見的40余種外科感染細菌有較好抑制作用。2.3.3智能-靶向藥物在超臨界高壓下細胞會變軟,而納米生化材料微小易滲透,使醫(yī)藥家能改變細胞基因,因而納米生化材料最有前景的應用是基因藥物的開發(fā)。德國柏林醫(yī)療中心將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包裹,在水中溶解后注入腫瘤部位,使癌細胞部位完全被磁場封閉,通電加熱時溫度到達47℃,慢慢殺死癌細胞。這種方法已在老鼠身上進展的實驗中獲得了初步成功[11]。美國密歇根大學正在研制一種僅20nm的微型智能炸彈,能夠通過識別癌細胞化學特征攻擊癌細胞,甚至可鉆入單個細胞將它炸毀。2.4納米材料用于介入性診療日本科學家利用納米材料,開發(fā)出一種可測人或動物體物質的新技術。科研人員使用的是一種納米級微粒子,它可以同人或動物體的物質反響產生光,研究人員用深入血管的光導纖維來檢測反響所產生的光,經光譜分析就可以了解是何種物質及其特性和狀態(tài),初步實驗已成功地檢測出放進溶液中的神經傳達物質乙酰膽堿。利用這一技術可以區(qū)分身體物質的特性,可以用來檢測神經傳遞信號物質和測量人體的血糖值及表示身體疲勞程度的乳酸值,并有助于糖尿病的診斷和治療。2.5納米材料在人體組織方面的應用納米材料在生物醫(yī)學領域的應用相當廣泛,除上面所述容外還有如基因治療、細胞移植、人造皮膚和血管以及實現人工移植動物器官的可能。目前,首次提出納米醫(yī)學的科學家之一詹姆斯貝克和他的同事已研制出一種樹形分子的多聚物作為DNA導入細胞的有效載體,在大鼠實驗中已取得初步成效,為基因治療提供了一種更微觀的新思路。納米生物學的設想,是在納米尺度上應用生物學原理,發(fā)現新現象,研制可編程的分子機器人,也稱納米機器人。納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的容,第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結合體,這種納米機器人可注入人體血管,進展安康檢查和疾病治療(疏通腦血管中的血栓,去除心臟脂肪沉積物,吞噬病菌,殺死癌細胞,監(jiān)視體的病變等)[12];還可以用來進展人體器官的修復工作,比方作整容手術、從基因中除去有害的DNA,或把正常的DNA安裝在基因中,使機體正常運行或使引起癌癥的DNA突變發(fā)生逆轉從而延長人的壽命。將由硅晶片制成的存儲器(ROM)微型設備植入大腦中,與神經通路相連,可用以治療帕金森氏癥或其他神經性疾病。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置,可以用其吞噬病毒,殺死癌細胞。第三代納米機器人將包含有納米計算機,是一種可以進展人機對話的裝置。這種納米機器人一旦問世將徹底改變人類的勞動和生活方式。瑞典正在用多層聚合物和黃金制成醫(yī)用微型機器人,目前實驗已進入能讓機器人撿起和移動肉眼看不見的玻璃珠的階段[13]。納米材料所展示出的優(yōu)異性能預示著它在生物醫(yī)學工程領域,尤其在組織工程支架、人工器官材料、介入性診療器械、控制釋放藥物載體、血液凈化、生物大分子別離等眾多方面具有廣泛的和誘人的應用前景。隨著納米技術在醫(yī)學領域中的應用,臨床醫(yī)療將變得節(jié)奏更快,效率更高,診斷檢查更準確,治療更有效。參考文獻PhilippeP,NangZLetal.Science,1999,283:1513曉麗等.材料科學與工藝,2002,(4):436-441賴高惠編譯.化工新型材料,2002,(5):40苗宗寧等.實用臨床醫(yī)藥雜志,2003,(3):212-214大祥等.中國科學學院院刊,2003,(1):20-24顧寧,付德剛等.納米技術與應用.:人民郵電,2