生物醫用納米材料

基本介紹

• 中文名：生物醫用納米材料
• 外文名：Nano-biomedical Material 

生物醫用納米材料（Nano-biomedical Material）是指具有納米效應的生物醫用材料。

納米技術

納米技術是指在0.1~100納米的尺度里，研究電子、原子和分子運動規律的特性以及對物質和材料進行處理的技術。納米材料與生物體在尺寸上有著密切的關係。例如，構成生命要素之一的核糖核酸蛋白質複合體的線度在15-20nm之間，生物體內各種病毒的尺寸也在納米尺度範圍。納米生物醫用材料就是納米材料與生物醫用材料的交叉，將納米微粒與其他材料相複合製成各種各樣的複合材料。隨著研究的進一步深入和技術的發展，納米材料開始與許多學科相互滲透，顯示出巨大的潛在套用價值，並且已經在一些領域獲得了初步的套用。在過去幾年中，生物納米材料的理論與實驗研究已成為人們關注的焦點，特別是核酸與蛋白質的生化、生物物理、生物力學、熱力學與電磁學特徵及其智慧型複合材料已成為生命科學與材料科學的交叉前沿。

納米材料的基本效應

表面效應是指微粉的粒徑越小，其總表面積越大；表面原子數與總原子數之比隨粒徑變小而急劇增大。如當粒徑為10nm(總原子數為3×10)時，表面原子數/總原子數=0.20；而當粒度減小到lnm(總原子數為30)時，這一比值急劇上升到0.991表面原子的晶場環境和結合能與內部原子不同，具有很大的活性；晶粒的微粒化隨著這種活性的表面原子增多，使其表面能也大大增加。體積效應主要表現在兩個方面：一是物質體積的縮小雖不會引起物質物性基本參量的變化，但會使那些與體積有關的物性發生變化，如磁體的磁疇變小，半導體中電子的自由路程變短，等等；二是物質一般具有由無限個原子組成的物質屬性，而納米粒子則表現出有限個原子集合體的特性。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，從而導致聲、光、電磁、熱力學等特性呈現新的小尺寸效應。主要表現為四大特點：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性質，熱學性質，磁學性質，力學性質，電學性質等。

納米材料的毒性

隨著納米科技的迅速發展，納米材料的套用越來越廣泛，人類及動植物與納米材料的接觸已經不可避免。納米粒子尺寸小、比表面積大、表面態豐富、化學活性高，具有許多塊體及普通粉末所沒有的特殊性質，許多在普通條件沒有生物毒性的物質，在納米尺寸下卻表現出很強的生物毒性。因此納米材料的安全性研究備受各國政府和科學家們的關注。然而儘管納米材料的種類和套用範圍都在迅速增加，人們對納米材料的生物安全性的深入研究卻還顯得十分缺乏。現在國內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、二氧化矽、硫化鋅、硒化鋅等在內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看，常見的重要納米材料多數都有涉及。納米粒子生物毒性的表現方式主要有組織器官形態和功能的改變、生長發育遲緩、細胞形態改變、染色體損傷、細胞分裂異常、細胞死亡（凋亡）等。從已有的研究來看，納米粒子的毒性與其尺寸、形貌、表面修飾、濃度、製備方法及作用時間等均有密切關係，一般而言納米粒子的尺寸越小、濃度越高、作用時間越長，則其毒性也越大。納米粒子的生物毒性也與細胞類型有關，同一種納米粒子對不同細胞的毒性強弱也不相同，此外還與生物或細胞染毒途徑和方式有關。納米粒子生物毒性的機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，細胞凋亡可能依賴線粒體途徑。在納米材料的生物安全性評價方面，目前還缺乏完善的評價方法及相應的指標體系。目前納米材料的生物安全性研究總體來說還處於起步階段，大部分工作主要集中在現象觀察和資料收集方面，對納米材料生物毒性的機理的深入研究還亟待加強。特別是對那些在生物調控、疾病診斷與治療、生物標記等領域有重要套用前景的納米材料，要想使其真正進入實用領域，就必須對其生物安全性進行全面深入的研究和評價，而這方面的工作尤其顯得薄弱。

常用的納米生物材料

細胞分離用納米材料

病毒尺寸一般約80～100nm，細菌為數百納米，而細胞則更大，因此利用納米複合粒子性能穩定、不與膠體溶液反應且易實現與細胞分離等特點，可將納米粒子套用於診療中進行細胞分離。該方法同傳統方法相比，具有操作簡便、費用低、快速、安全等特點。美國科學家用納米粒子已成功地將孕婦血樣中微量的胎兒細胞分離出來，從而簡便、準確地判斷出胎兒細胞中是否帶有遺傳缺陷。

細胞內部染色用納米材料

利用不同抗體對細胞內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，將納米金粒子與預先精製的抗體或單克隆抗體混合，製備成多種納米金/抗體複合物。藉助複合粒子分別與細胞內各種器官和骨骼系統結合而形成的複合物，在白光或單色光照射下呈現某種特徵顏色(如10nm的金粒子在光學顯微鏡下呈紅色) ，從而給各種組合“貼上”了不同顏色的標籤，因而為提高細胞內組織的解析度提供了一種急需的染色技術。

抗菌及創傷敷料用納米材料

按抗菌機理，納米抗菌材料分為三類：一類是Ag系抗菌材料，其利用Ag 可使細胞膜上的蛋白失活，從而殺死細菌。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反應生成一種具有強氧化性的羥基以殺死病菌；第三類是納米蒙脫土等無機材料，因其內部有特殊的結構而帶有不飽和的負電荷，從而具有強烈的陽離子交換能力，對病菌、細菌有強的吸附固定作用，從而起到抗菌作用。

用於組織工程中的納米生物材料支架

材料支架在組織工程中起重要作用，因為貼壁依賴型細胞只有在材料上貼附後，才能生長和分化。模仿天然的細胞外基質2型膠原的結構，製成的含納米纖維的生物可降解材料已開始套用於組織工程的體外及動物實驗，並將具有良好的套用前景。

生物活性材料

隨著納米技術的發展，生物活性雜化材料在保持柔韌性的同時，彈性模量已接近矽酸硼玻璃，而且便於加入活性物質,因此是一種開發生物材料的理想途徑。JonesSM 等用TEOS(正矽酸乙酯) 、甲基丙烯醯胺在偶氮類引發劑作用下，加入氯化鈉製備出含鈣鹽的納米SiO₂聚合物複合材料,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。套用溶膠/ 凝膠技術製備納米複合材料，同時在體系中引入胺基、醛基、羥基等有機官能團，使材料表面具有反應活性，可望在生化物質固定膜材料、生物膜反應器等方面獲得較大套用。

納米生物材料的研究進展

隨著科學技術的發展，材料學和生物醫學結合越來越緊密，納米材料在生物套用上已取得了很大的成就，並展現出良好的發展勢頭和巨大的發展潛力。在21 世紀納米材料在生物醫學方面發展應該加強和有巨大套用潛力，將成為今後一段時間研究熱點的有：

1. 生物醫學檢測診斷用材料：不可否認，現在納米材料在生物檢測診斷上已發生相當大的發展和套用，各種納米材料已經在實踐中的套用取得了良好的效果。但在各種醫學檢測中對各種各樣的功能性納米材料的要求還比較高。比如生物醫學工程和醫療設備器材兩者之間相輔相成，生物醫學工程是基礎，它的課題研究的深人會催生新的醫療設備器材出現，同時對臨床醫療設備器材的需求信息會產生新的研究方向，納米功能材料在這個方面將大有前途。又如分析與檢測技術的進一步最佳化，勢必要求具有更先進性能納米材料的出現。
2. 藥物治療上使用的材料：藥物控釋納米材料將繼續成為納米醫用材料研究發展的重點。納米粒子不但具有能穿過組織間隙並被細胞吸收等特性，而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實現口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑等優點，因而在藥物輸送方面具有廣闊的套用前景。
3. 功能性生物材料：各種有著特定功能的材料將越來越多地套用到生物醫學上去。未來幾年生物材料中納米陶瓷將在人造骨骼中發揮主導作用，有著各種特性的無機——有機複合納米材料也必將在介入治療、血液淨化方面大展身手。
4. 生物安全性納米材料：目前在一些國家生物納米材料的安全性研究已經被提上日程，但很多研究還不深入，取得效果也不明顯。在全球矚目安全問題的同時，納米材料安全性研究必將成為下一熱點。生物降解綠色材料將是未來藥物的首選。關於生物技術的風險，目前確實還有很多問題沒有搞清楚，有待於繼續研究。