纳米材料研究现状以及在兽药领域的应用进展和前景

【摘要】纳米技术是近些年迅速发展起来的一个备受瞩目的多学科和跨学科的研究科学领域。本文讨论了纳米材料及其在诸多领域中的应用，涵盖了在经济分析，纳米材料的安全问题，各个分析行业的纳米材料研究，讨论了纳米材料在兽药领域的发展概况及应用前景，并对其未来发展进行了展望。

【关键词】纳米材料；检测；分析；兽药

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.06.069

The Current Research Status of Nanomaterials and Their Application Progress and Prospects in the Field of Veterinary Medicine

DONG Qingming

（Liaoning Inspection ，Examination&Certification Centre〔Liaoning Institute forAgro-product Veterinary Drugs and Feed Control〕， Liaoning Key Laboratory of Livestock Product Safety， Shenyang 110036， China）

Abstract： Nanotechnology is a highly anticipated multidisciplinary and interdisciplinary research field that has rapidly developed in recent years. This article discusses nanomaterials and their applications in various fields， covering economic analysis， safety issues of nanomaterials， research on nanomaterials in various analytical industries， as well as the development overview and application prospects of nanomaterials in the field of veterinary medicine， and provides prospects for their future development.

Keywords： nanometer material； testing； analysis； veterinary drugs

0引言

纳米技术领域快速发展的步伐推动了所有学科的创新，包括从事尖端研究的制药行业，疾病诊断的发展和兽药分析领域。在与兽药相关的纳米技术报道中，各个兽药研发以及企业生产部门，都逐渐开始专注于纳米技术，希望能够找到解决药学研究中难题的方法并提出低成本、安全、高效的药物开发新方法与新技术。纳米技术工具正在为现有产品增加价值，从而在各类药物特别是兽药研发的不同领域开拓新的机遇。在纳米范围内，兽药分子的表面积增加，从而在纳米材料的帮助下，有助于增加其吸收。纳米药物由于同时存在亲水和疏水环境而提高了溶解度。我们正处于利用纳米药物进行早期疾病诊断的时代。通过创造性的纳米技术和纳米科学方法，设计出了具有不同形状、功能和独特物理、化学、生物特性的纳米材料，这些材料在制药工业特别是兽药领域中具有极其重要的战略作用[1-2]。

1纳米材料

在生物医学研究领域，以纳米技术为基础的方法导致了治疗药物和药物配方的发展。为了对不同的疾病（癌症、艾滋病毒、肝炎、冠心病等）提出有效的诊断治疗，并提高人类生活质量，在药物设计领域正在进行的创新依赖于纳米技术。最常用的纳米载体是基于纳米颗粒，包括脂质体、树状大分子、聚合物纳米颗粒、无机纳米颗粒和金属纳米颗粒、碳纳米管、脂质纳米颗粒、核壳纳米颗粒、介孔二氧化硅纳米颗粒等。

酶响应智能纳米材料包括聚合物材料、磷脂和无机材料。有研究者以烷氧基硅烷系、α-环糊精和多功能肽为原料合成的功能性介孔氧化硅纳米颗粒[3-8]，该材料进一步被设计和应用于靶向肿瘤细胞和减少抗肿瘤药物阿霉素的副作用，得到非常好的效果。纳米凝胶是一种热敏聚合物，加热到一定温度即低临界溶液温度时，聚合物的构象会从亲水的线圈到疏水的状态发生变化。它们是松散的交联聚合物链，排列在三维网络中。通过电子显微镜、动态光散射实验和紫外可见分析，可以确定纳米胶囊的结构。

磁性纳米颗粒是一类优秀的纳米材料具有良好的生物相容性和优异的磁性响应性的材料。根据报道，研究者设计出一种新型的具有智能聚合物刷的磁性纳米材料，成功应用于手性氨基酸的选择性吸附与分离对映体。此外，智能纳米颗粒需要同时控制形状和纳米颗粒合成过程中的尺寸，从而具备传递药物并发挥作用的能力，进而可以作为应对疾病特异性或生理信号的显像剂。生物可降解的丙烯缩氨酸和聚乙二醇大分子聚合物被引入基质中的纳米颗粒，其可以明显有助于触发释放封装的药物，起到良好的药物递送效果。

同时，可以建立高效的纳米数据库来应用于多种生物医学、生物技术、药物研发，特别是兽药开发领域。例如，我们可以用紫外-可见分析纳米材料和药物的偶联物的热响应特性，利用各种复杂的工具可以方便地确定纳米颗粒在药物传递和靶向中的应用。

2纳米材料的应用

智能纳米材料因其较多的优异性能，而被广泛应用在细胞水平的疾病治疗领域中，并取得了一些重要的研究成果[9-12]。本文着重讨论纳米材料在电化学分析、分离分析、光谱分析、药物研发和兽药研究中的应用进展。

2.1电化学分析

纳米粒子在生化分析中的应用主要有以下几个方面：纳米粒子的表面被高度选择性的蛋白质、氨基酸等修饰；将修饰后的纳米粒子引入测试对象，在该物体之间发生相互作用；提供高选择性和灵敏度的不同电化学技术[13]。

用纳米粒子修饰的电极表面增加了电极的表面积，从而使改性的电极比普通电极具有更大的吸附能力[14]。随着能够表征和量化生物分子的纳米生物传感器的发展，生物学和医学领域取得了巨大的进展。水凝胶纳米颗粒在催化、药物传递和其他生物技术领域有着广阔的应用前景[15]。水凝胶是在纳米粒子存在下被水膨胀的交联聚合物网络，它们以其优越的传感器性能而被成功地用作电化学生物传感器。而且，他们将传感器的总成本降到最低，增加了生物识别的概率。石墨烯基电化学传感器由于具有良好的检测有机分子的能力而受到人们的广泛关注。它为掺入纳米颗粒提供了极有吸引力的载体。在其中一项研究中，不同数量的金纳米粒子被嵌入到少层的石墨烯片中，用该复合电极，即石墨烯复合纳米金颗粒，对铂电极进行了修饰，以检测DNA碱基之一腺嘌呤。

2.2分离分析

由于分离分辨率的提高，复合电极已被应用于各类分析中。用一种简单的方法制备了一种高效的毛细管气相色谱柱，该柱包覆了十八胺覆盖的金纳米粒子，将固定相纳米粒子应用于多种分析物的气相色谱分离。用生物标记物功能化的磁性纳米颗粒被用于在磁场存在下与选定的细胞结合，这被称为免疫磁分离。纳米材料独特的物理特性使其在癌症研究领域具有广阔的应用前景。

2.3光谱分析

Ag纳米结构具有优良的表面等离子体共振性能，因此金纳米粒子能够对表面提升拉曼散射中的单分子水平进行超灵敏分析。据报道，壳层分离的银离子纳米结构在储存16个月后仍具有显著的等离子体性质，具有很高的稳定性。该智能银离子纳米结构具有获得高质量的拉曼信号的优点，并且可以进一步扩展到用于生物成像表面增强的荧光。纳米材料由于具有对微环境的惰性因而被用于均匀分布的特征成像中。与分子探针相比，纳米材料不具有细胞毒性，也不受细胞生物大分子的非特异性结合的影响。

2.4药物分析

水凝胶形成多糖在设计不同形貌和尺寸的纳米银中引起了人们的广泛关注。多糖水凝胶是一种智能材料，广泛应用于化妆品、药品和日常生活。水凝胶已被用于制备银纳米颗粒的封盖剂或模板剂。葡萄糖醛酸聚糖是一种潜在的水凝胶形成多糖。由于其pH响应开关效应，已被用作不同药物靶向释放的载体。糖尿病是世界上最可怕、最严重的健康问题之一，显示出惊人的增长速度。约25%的糖尿病患者有可能发生足部并发症即糖尿病性脚溃疡。已有不同的方法被用来治疗该疾病，但这些方法都有局限性。随着纳米医学领域的迅速发展，纳米颗粒在伤口愈合过程中表现出显著的结果。当使用γ-Fe2O3纳米粒子时，对于糖尿病性脚溃疡表现出良好的响应。智能纳米粒子在医药领域有着不同的应用。其应用取决于纳米粒子的尺寸、表面修饰和与不同分析物的相互作用。在不同的分析技术中，采用电化学方法研究了纳米粒子与不同分析物之间的相互作用，具有较高的灵敏度和选择性。基于纳米尺度的智能药物传递系统已经为药物领域铺平了道路，因为这些系统在目标上与疾病特别结合，并且具有控制释放行为。银纳米粒子具有表面等离子体共振特性，被用于超灵敏分析。用石墨烯包覆纳米粒子进一步提高了这类等离子体的性能。

3纳米材料在兽药领域研究进展

食品安全中的兽药净化领域特别是各种新型纳米材料的开发越来越受到研究者的关注。张恒等[15]开发一种制备简易方法用于制备Fe3O4@Si-C8/C18复合磁性纳米材料，选用豆芽中氯霉素的残留进行富集纯化作为模型进行磁性纳米材料的提纯应用实验，考证这种磁性纳米在小分子提取中的应用。结果表明，所制备的复合型磁性纳米材料在小分子净化富集中展现出广阔的应用价值，尤其在食品安全领域。将纳米材料运用于ELISA检测可以提高检测的灵敏度，其方法是利用信号分子将过氧化物酶直接或间接标记在纳米颗粒上，使得信号分子与检测抗体比例大大增加，从而提高对痕量物质检测的灵敏度。例如，Zhu等[16]将酶联免疫标记与Fe3O4磁性纳米颗粒结合在一起，成功建立了一种新型的、高特异性、快速对猪肉中瘦肉精进行分离富集的方法，并且大幅提升了检测灵敏度。

在日常使用的动物源性食品中，兽药以及其应用后产生的残留是非常容易见到的污染物，在动物饲养过程中，兽药的不科学使用会导致食品中兽药的大量残留，而且极大地危害人民的生命健康，所以兽药及其残留非常值得研究者关注。近年来，在对各类纳米以及修饰后的纳米兽药的检测中，特别是前处理过程中的应用越来越广泛。Yao等[17]建立了一种新型的磁性离子液体-水两相体系，并将其应用于水环境中氯霉素的富集和测定，选用高效液相色谱紫外检测法。本研究所建立的这个两相溶剂系统，具备较高的萃取回收率，特别适用于兽药待测物的分离富集提取和纯化。同时，这类磁性材料与水相联用，不含有挥发性有机溶剂，易于保证萃取效率的稳定和高效，而当外加磁场存在时，又对磁场有较好响应。另有研究者[18]开发了并研究了一种基于纳米材料的新型分散型固相微萃取技术，针对猪肉样品中17β-雌二醇、雌酮和己烯雌酚3种常见兽药型雌激素，进行分散萃取，样品处理后，采用普通的HPLC匹配紫外检测器，即可实现准确灵敏高效的测定，说明该纳米萃取系统具有优良的萃取效率。

生物传感器是一种将浓度转换成电信号然后用来对待测物进行检测分析的仪器，它是基于设计的分子识别元件与信号转换器相结合，用于待测物快速测定的一种新型器件。将纳米材料与这种生物传感器相结合，在农药兽药残留方面已有广泛应用。杨欣等[19]将乙酰胆碱酯酶修饰过的Fe3O4@Au纳米材料通过磁力吸附于涂覆了复合膜的丝网印刷碳电极表面，开发出一种新型的可以用于有机磷农药检测的酶传感器，性能非常优异，检测快速并且灵敏度非常高。

4纳米材料在兽药领域研究展望

自发现以来，智能纳米材料已成为一个重要的研究课题。具有独特性能的智能纳米材料为现代科学研究提供了更多的可能。本文总结了智能纳米材料的特性及其在诸多分析中的应用，提供了智能纳米材料商业应用的技术和经济挑战的概述，需要对这些挑战进行认真思考，以便在高性能和低成本之间找到平衡，从而实现智能纳米材料的有效利用。随着纳米生物技术和稳定纳米材料领域的快速研究进展，目前的制药业主要集中在发明药物，特别是纳米医学，以使病人活得更长、更健康。该行业致力于为具有最小环境影响的患者带来关键的纳米药物。近年来，制药企业越来越重视生产力的提高、废物的减少、质量的提高和研发的控制。这不仅是出于降低成本的考虑，而且也是为了提高对可持续性的认识。制药公司包括兽药企业，近年来越来越重视通过开发具有相同药用价值但对环境影响较小的药物来提高可持续性的发展。整个医药领域的进展，如药物设计、个性化药物、纳米医学、医学遗传学、配方和医药保健正在使高质量的医疗保健的可持续性接近现实。

现代药物研究的核心目标是缩小实验室研究与实际应用之间的差距，在兽药领域亦是如此。在对药物进行分析时，对智能纳米材料的研究大多局限于实验室规模，因此建议进行商业规模的研究。纳米产品的商业化是非常关键的，需要大型制药和医疗设计公司的巨额投资。同样，需要乐观的方法来激励政策制定者设计以及智能纳米材料在可持续系统中的应用。目前，智能纳米材料在工业规模的兽药研究中的机会与挑战并存，在不久的将来，兽药分析中的智能纳米材料将在下一代制药技术和设备中发挥重要作用。

纳米材料特别适用于针对不同的基质、药物以及应用需求，通过相应的修饰方法对其材料进行改性与制备，从而在充分发挥纳米材料优势的基础上，提高对不同类型目标物的特异性或广谱性分析能力。同时，纳米材料具有更广阔的开发前景，更多新型的功能化纳米材料如雨后春笋般陆续出现，以其适应更复杂的应用。此外，发展更简便、高效、快速、安全的材料功能化的方法，与仪器分析联用能够实现更高效的检测。总之，纳米材料以及功能化纳米材料作为一种方便高效复合材料，将在农兽药残留检测中得到更多的应用，将进一步提升农兽药的快速、灵敏和特异性检测的水平，以期面对农兽药残留检测的更严格的要求，进而全面解决因兽药残留检测而关乎的食品安全问题，实现全民健康的目标。

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【作者简介】

董庆明，男，1983年出生，高级工程师，研究方向为实验动物饲养。

（编辑：于淼）