纳米材料在生物医学领域的应用*

王冬华

(渭南师范学院化学与生命科学学院，陕西渭南714000)

纳米材料是在纳米尺度内调控物质结构制成的具有特异性能的材料［1］。纳米材料通常具有以下特点:(1)具有纳米尺度的结构单元，其特征维度尺寸在纳米范围内;(2)每一个纳米单元之间有着强弱不同的相互作用;(3)具有较多的表面原子、很大的表面积、极高的表面能［2］。由于纳米材料结构上的特殊性，使其在实际应用中表现出多的表面活性中心、高的表面反应活性、强烈的吸附能力、较高的催化能力、较低的毒性以及不易受体内和细胞内各种酶的降解等许多特殊的效果［3］。虽然，对于纳米材料的研究才刚刚起步，但其发展速度极快，将纳米材料与生物医学融为一体，为生物医学工程的进一步研究发展提供了更加广阔的空间和平台。随着纳米科技的发展，纳米材料在生物医学领域中已有较多的潜在应用价值，其中部分已进入临床试验阶段，甚至一些产品已开始进入市场。

1 纳米材料的分类及其在生物医学方面的应用

1.1 纳米无机材料

1.1.1 纳米陶瓷材料

纳米陶瓷作为纳米材料的一个重要分支，其所显示出的特异性能解决了临床医学中传统陶瓷的强度、韧性、力学相容性等都达不到要求的难题。纳米陶瓷是由极小晶粒所形成的特殊结构，该结构有效减少了气孔，降低了缺陷，大幅度降低了穿晶断裂的几率，从而增强了陶瓷的韧性;同时细化晶粒极大增加了晶界数量，有利于晶粒间的滑移，从而使纳米陶瓷呈现出优异的超塑性能。

纳米羟基磷灰石的力学性能相比于常规材料有了较大幅度地提高，使其在人工器官制造，如人工骨、人工关节、耳听骨修复体等方面都体现出更大的应用价值。廖其龙等以CaCO3和CaHPO4为原料，通过水热反应制得的含碳羟基磷灰石纳米晶体因其晶粒尺寸和组分与人骨相似而成功地解决了普通羟基磷灰石材料在临床中遇到的力学性能差的问题［4］。纳米羟基磷灰石还表现出无毒、安全的生物活性和生物相容性，能很好地与骨骼结合在一起，且在有体液参与的情况下，部分会发生降解，降解产物Ca 和P 能够被人体基质吸收，重新结晶成核发挥骨传导作用。

1.1.2 纳米碳材料

纳米碳材料是指由碳元素组成的，粒径介于0.1nm ～100nm 的材料，主要包括纳米碳纤维、碳纳米管及类金刚石碳等。

纳米碳纤维因其优异的抗血栓性能，良好的生物相容性，目前被广泛应用于人工器官，如人工心脏瓣膜、人工齿根、人工血管等的制造。纳米碳纤维因具有密度较低、比模量较高和比表面积较大等特点而使人造医用材料在力学性能方面得到明显改善。除此之外，纳米碳纤维还具有高效吸附特性，能够用来吸附特定成分或病毒，从而净化血液。

碳纳米管(CNTs)作为一种新型材料在生物医学领域正在崛起。CNTs 可用于癌细胞成像，有助于诊断，但是未经修饰的CNTs 表面疏水性强，不溶于水溶液，而且对动物及细胞具有毒性，如用于肿瘤治疗，必须对CNTs 进行亲水性及功能化修饰。基于CNTs 固有的理化性质，功能化CNTs 具有生物相容性、低细胞毒性、细胞穿透性及靶向性，且有较长的血液循环时间，可通过代谢安全清除，这使得CNTs 有望用作抗癌药物的纳米载体CNTs 作为载体可载带治疗肿瘤的物质，其可载带的物质包括多肽、蛋白质、核酸及抗癌药物等［5］。

类金刚石碳(DLC)是一种具有大量金刚石结构碳－碳键的碳氢聚合物。在表面进行修饰能使其具有纳米结构，并表现出优异的生物相容性，因而在心血管临床医学方面体现出重要的应用价值。类金刚石碳能够降低对纤维蛋白原的吸附、提高对白蛋白的吸附，与其他材料相比它更能够大大的降低血小板的粘附程度、增强抗凝血性能、减少血管内膜增生［6－7］。因此它能促进材料表面生成具有活性的功能簇，不易诱发血液凝结现象，并且使植入体内的人工材料能与人体基质和平共处。

1.2 纳米高分子材料

纳米高分子材料又称高分子超微粒，因具有较大的比表面积而表现出一些普通微米微粒所不具有的特性。高分子超微粒的表面效应和体积效应随其微粒尺寸的减小而发生极大的变化，这两大特性集中在纳米高分子材料中，能够提高高分子纳米粒子的选择性吸附能力、缩短超微粒子吸附平衡的时间、增加粒子的表面积及官能团密度等［8］。这为纳米高分子材料在免疫分析、智能药物载体及介入性治疗等方面的应用创造了有利条件。

良好的载体材料是免疫分析的关键。某些亲水性纳米高分子粒子由于能够选择性地吸收数量较少的非特异性蛋白，因此，作为一种新型的标记物载体而被广泛使用。在共价结合的基础上，对选定载体上的分析目标进行免疫亲和分子标识，然后在恒温下培育含有分析目标的溶液与载体，利用显微技术，通过检测自由携带量的方法就能对分析目标进行定量分析，目前，此方法在蛋白质、抗原等的定量分析中起了关键作用。

在智能药物载体方面，纳米高分子材料作为药物载体保护药物，进入生物体内后被微生物逐步分解，从而调控药物的释放速度。目前，聚合乳酸、乳酸－乙醇酸共聚物、聚丙烯酸酯类等纳米高分子在生物体内能进行主链酯键水解反应，并降解成无毒产物，因此作为药物载体而使用。药物经过纳米高分子载体运送后，能够有效降低核心药物的损伤，而且还能很好地控制药物释放速度，从而提高药物的治疗效果［9］。

纳米高分子材料在血液中能够自由移动，因此也经常用于疑难杂症的介入性诊断和治疗。如果将对人体无害的纳米高分子微粒注入到人体内，就可以实现对病症的检查和治疗。临床研究表明，将载有地塞米松的乳酸－乙醇酸共聚物的纳米微粒经动脉注入人体基质，可以防止动脉再狭窄，并得到有效的治疗;载有抗增生药物的乳酸－乙醇酸共聚物的纳米粒子经冠状动脉注入人体基质，则可降低冠状动脉再狭窄的几率。此外，还可以将载有抗生素或抗癌剂的纳米高分子通过动脉给药的方式送入某些特定器官中进行治疗，如携带药物的纳米球制成疫苗及乳液可以进行皮下、肌肉内注射及肠外、肠内注射［8］。

纳米粒子含有大量的自由表面，因此表现出优异的吸附特性，并能在短时间内达到吸附平衡。因此，在生物物质的吸附分离过程中纳米高分子粒子是一种难得的理想物质。在医疗中，薄片状的纳米高分子材料可以作为过滤器应用于血清的消毒。另外，纳米高分子材料也可用于分离生物大分子，一方面，可以适当地改变条件，使生物大分子从纳米粒子上解吸;另一方面，在纳米高分子材料中引入羧基、磺酸基等官能团，使其与蛋白质、核酸等物质发生相互作用，使大分子沉降，从而达到分离的目的［10］。此外，带正电的纳米高分子粒子与带负电的微生物、动植物细胞表面相接触时，可以作为絮凝剂将吸附的细胞或细胞碎片从体系中清除出去。

1.3 纳米复合材料

纳米复合材料是一种材料为连续相，以纳米尺寸的其它材料为分散相，通过适当的制备方法形成一相含有纳米尺寸材料的复合体系。纳米复合材料作为一种新型材料，在生物医学方面具有潜在的应用价值。在胶原蛋白中添加一定比例的甲壳素，可以形成一种具有纳米结构的复合材料，其力学强度明显增强，孔径尺寸有所增大。该复合材料作为细胞生长的三维支架具有极大的优势［11］。以肽分子和两亲化合物进行自组装可得到一纳米纤维，其与羟基磷灰石发生反应后，能够形成内部微观结构与自然骨中胶原蛋白羟基磷灰石晶粒的排列结构一致的纳米结构复合材料，该材料在硬组织替换与修复方面有着重要的应用价值［12］。

2 纳米材料在生物医学方面的安全性问题

目前，科学界已经研究了纳米材料的安全性问题，研究范围主要集中在纳米氧化物、纳米碳管等少数几种物质，取得了一些初步成果，某些负面影响也已被证实。纳米TiO2有抗菌、抗紫外线、光催化等特性，通过对TiO2的一系列研究发现:(1)无毒或低毒、化学组成相同的TiO2细颗粒，当尺度再减小之后，有可能产生负面影响;(2)超微纳米TiO2颗粒能严重导致呼吸道组织间的质化，增加上皮组织的渗透性，并诱发一系列炎症;(3)纳米TiO2会导致细胞死亡［13］。纳米碳材料广泛应用于组织工程药物、肿瘤治疗、抗病毒、抗菌等生物医学领域中，这大大增加了人体暴露碳纳米材料的机会，因此，碳纳米材料的生物安全性引起了广发关注。叶兵等［14］研究了用碘的同位素标记的酪氨酸－多壁碳纳米管经尾部静脉注射后其在小动物体内的暴露程度，结果表明，尾静脉注射后的酪氨酸－多壁碳纳米管主要集中在小动物呼吸道内，含量并没有随时间的延长而降低;肾脏含量次之，并且随着时间的延长含量呈直线下降;肝脏和脾脏中含量较少，但并没有随时间的延长而降低，说明酪氨酸－多壁碳纳米管在呼吸道、肝脏和脾脏中都有一定的暴露。如果将人类的上皮角质细胞暴露在碳纳米管中长达十几个小时，细胞的超微结构和形态会发生相应的变化，此外，还可以观察自由基的形成、过氧化物的聚积、抗氧化物质的枯竭以及细胞活力的丧失过程。目前，不同团队研究纳米材料毒性时，所选体系、暴露条件等不同是研究纳米毒性的一个障碍，所以建立标准的、通用的、可比较的实验技术是致力于研究纳米材料毒性的前提条件。

3 展望

与传统医学相比，将先进的纳米生物技术引入生物医学领域中，临床医学将呈现治疗节奏更快、效率更高，诊断、检查更准确、更有效的令人欣喜的趋势。然而，世界各国对纳米材料的生物毒性研究才刚刚步入正轨，有关纳米材料临床安全性的报道还比较欠缺，研究还不全面，研究方法还不统一规范，还不能从已有的纳米材料安全性数据寻求规律，所以其应用，尤其是在生物医学方面的应用还受到一定的限制。总体来说，纳米材料与生物医学的结合是一场伟大的新的变革，应该加大纳米材料研发方面的力度，吸引更多优秀的科学家投入相关研究，从而造福子孙后代。

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