納米材料在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用及發(fā)展動(dòng)態(tài)

張冬英

(長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院，武漢 430074)

納米材料在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用及發(fā)展動(dòng)態(tài)

張冬英

(長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院，武漢 430074)

納米材料和體塊材料具有較為特殊的結(jié)構(gòu)層次，有著表面效應(yīng)、體積效應(yīng)等許多特殊效應(yīng)性能，這一系列性能特征都使其在電、光、生物醫(yī)藥學(xué)等方面有著非常大的開發(fā)和應(yīng)用價(jià)值。依據(jù)納米材料的物理與化學(xué)特性, 對(duì)納米材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用和發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究分析。

納米材料；應(yīng)用；發(fā)展動(dòng)態(tài)

納米材料這一概念始于20世紀(jì)80年代初期，這一概念形成之后就受到了世界各國(guó)、多個(gè)領(lǐng)域或相關(guān)行業(yè)的關(guān)注。納米技術(shù)則是上個(gè)世紀(jì)90年代慢慢發(fā)展起來(lái)的一個(gè)交叉性新興學(xué)科。因納米技術(shù)具有非常獨(dú)特的物理及化學(xué)性能，人們很快就意識(shí)到納米材料在化學(xué)、生物等多個(gè)學(xué)科可能會(huì)有很大的發(fā)展應(yīng)用前景,已經(jīng)成為一個(gè)非常有活力的且對(duì)未來(lái)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)產(chǎn)生重要影響的新興學(xué)科。

一、納米材料的含義和性質(zhì)簡(jiǎn)介

(一)納米材料的含義

納米一詞來(lái)源于英文單詞“namometer”的譯名。當(dāng)物質(zhì)長(zhǎng)度在1到100納米之間的時(shí)候，物質(zhì)性能就會(huì)出現(xiàn)翻天覆地的變化，同時(shí)在電、聲等其他方面具備一些特殊性能。納米材料指的就是這種物質(zhì)微觀構(gòu)成的分子、原子以及宏觀物質(zhì)構(gòu)成的相關(guān)性能的材料，它并不是一種非常具體的材料，而是一種類型材料的統(tǒng)稱。

(二)納米材料的性質(zhì)

1.力學(xué)方面的性質(zhì)

納米材料的力學(xué)性能較普通材料高，這是因?yàn)榧{米微晶材料的表面積或者表體積比較大，因而雜質(zhì)在其界面上的濃度就下降了許多，從這我們也可以了解到物質(zhì)的力學(xué)性能在很大程度上受到晶界的影響。一直以來(lái)人們?cè)陂_發(fā)應(yīng)用納米微晶材料方面主要是因其具備較高的韌度、硬度以及強(qiáng)度。當(dāng)前研究結(jié)果證明，在彈性范圍方面，納米材料可以被較大幅度的展寬，同時(shí)屈服應(yīng)力也可以有很大程度的提升。

2.磁學(xué)方面的性質(zhì)

通常情況下，磁性金屬以及合金物體都存在磁電阻現(xiàn)象，也就是于特定磁場(chǎng)下電阻會(huì)發(fā)生改變的現(xiàn)象。和一般磁頭比起來(lái)，納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)甚至多出了一倍之高，將其應(yīng)用到存儲(chǔ)信息的磁電阻來(lái)讀出磁頭，其靈敏度可以得到很大的提高，同時(shí)噪音下降了許多。我們可以將納米巨磁電阻材料用作新型的磁傳感器材料，這是因?yàn)樵摬牧系拇烹娮韬屯饨绲拇艌?chǎng)之間有著差不多的線性關(guān)系。除此之外，對(duì)于可見(jiàn)光而言，r-Fe2O3高分子納米復(fù)合材料的透射率是比較顯著的，且其吸收可見(jiàn)光的系數(shù)較以前傳統(tǒng)的粗晶材料也要低上許多，所以和FeBO3等透明磁體比起來(lái)，其磁性最少要高出1個(gè)數(shù)量級(jí)，但它在吸收紅外波段方面的系數(shù)卻要低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，雖然透光性稍微低了一點(diǎn)，然而還是可以將其廣泛應(yīng)用到磁光系統(tǒng)以及磁光材料當(dāng)中。

3.電學(xué)性質(zhì)

納米材料晶界面上的原子體積分?jǐn)?shù)提高了許多，所以其電阻較同一種類的粗晶材料要高出不少，甚至能夠出現(xiàn)尺寸誘導(dǎo)金屬，也就是絕緣體轉(zhuǎn)變的情況。使用納米粒子的隧道量子效應(yīng)以及庫(kù)企堵塞效應(yīng)所制備而成的納米電子器件有著非常快的速度，且容量大，體積微小，并且能耗很低。此外，在納米桂薄膜當(dāng)中有著許多的純凈界面，它的導(dǎo)電機(jī)制主要是通過(guò)晶粒界面陷阱模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以納米微晶材料的電導(dǎo)率和同成分的晶態(tài)或者非晶態(tài)材料的電導(dǎo)率比起來(lái)要高出許多，所以在未來(lái)很有可能現(xiàn)在存在的常規(guī)的半導(dǎo)體器件會(huì)被其完全取而代之。

二、納米材料的類別

(一)納米固體

納米固體指的是通過(guò)納米微粒聚集形成的凝聚體。以幾何形態(tài)的角度來(lái)看，可以將其分成三種類型：納米纖維材料、納米塊狀材料以及納米薄膜材料，這些又被稱為納米結(jié)構(gòu)材料。

(二)納米微粒

這指的是線度在1-100nm間的粒子聚合體，為該幾何范圍內(nèi)的各種類型的粒子聚合體的統(tǒng)稱。這種納米材料的形態(tài)有許多種，比如針狀、棒狀等。通常情況下，其微觀粒子聚合體的限度低于1nm則稱之為為簇，不過(guò)我們平時(shí)所說(shuō)的微粉其線度則是微米級(jí)。納米微粒的限度就正好是在這兩者間，因此它又被稱之為超微粒。

(三)納米組裝體系

納米組裝體系是經(jīng)人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)材料的體系，也就是納米尺度的圖案材料。納米微粒及其構(gòu)成的納米絲和管是該體系的基本單元，它能夠在一、二、三維空間內(nèi)組裝排列成有著納米結(jié)構(gòu)的體系。這種排列既可以是有序的，也可以是無(wú)序的，它最大的特征在于能夠根據(jù)人們的想法來(lái)隨意設(shè)計(jì)，讓體系實(shí)現(xiàn)人們所期待的目標(biāo)特性，因此這也成為化學(xué)、物理學(xué)以及材料學(xué)目前非常重要的研究課題。

三、納米材料在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用及其最新發(fā)展動(dòng)態(tài)

(一)納米材料應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)方面的類型及其特征分析

1.納米碳材料

納米碳材料又可細(xì)分為多種，如碳納米管、納米碳纖維、類金剛石碳等等。碳納米管為孔狀結(jié)構(gòu)，這是一種非常獨(dú)特的特征，利用該結(jié)構(gòu)特征可以把藥物存儲(chǔ)到碳納米管中，然后使用特定的機(jī)制使藥物釋放被激發(fā)出來(lái)，最終使得可控藥物成為現(xiàn)實(shí)。納米碳纖維的應(yīng)用主要表現(xiàn)在使用過(guò)渡金屬Fe、Co、Ni及其合金作為催化劑，使用低碳烴類化合物作為碳源，載體是氫氣，并于873 K到1473 K的溫度下生成，生成的物質(zhì)有著非常獨(dú)特的特性以及很好的生物相溶性，目前這種材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，且前景良好。

2.納米高分子材料

這種材料又被稱作高分子納米微粒，其粒徑尺度在1 nm到1000 nm之間。該材料不管是膠體性還是穩(wěn)定性，或是吸附性能都較為優(yōu)良，因此在基因傳遞，免疫分析等方面都得到了很好的應(yīng)用。

3.納米復(fù)合材料

當(dāng)前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在獲取性能優(yōu)良的新一代功能復(fù)合材料方面，納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料是非常不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樵摬牧显诠?、熱等多個(gè)方面都表現(xiàn)出了顯著且獨(dú)特的特性，所以在修復(fù)組織與移植等醫(yī)學(xué)方面都有很好的應(yīng)用前景。比如國(guó)外就已經(jīng)制備出了納米ZrO2增韌的氧化鋁復(fù)合材料，使用這種材料制備而成的人工髖骨以及膝蓋植入物甚至可以有三十年左右的壽命。與此同時(shí)，研究也發(fā)現(xiàn)，在構(gòu)建組織工程骨當(dāng)中納米羥基磷灰石膠原材料是非常不錯(cuò)的支架材料，而且這種粒子所制備二次的抗癌藥物還能夠?qū)┘?xì)胞殺死，使得腫瘤生長(zhǎng)可以得到顯著的抑制效果，且這種殺死癌細(xì)胞，控制腫瘤生長(zhǎng)的方法對(duì)于人體正常的細(xì)胞組織不會(huì)有任何的損害。目前北京醫(yī)科大學(xué)等多個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)組織已經(jīng)對(duì)該方法進(jìn)行了生物學(xué)的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明，該方法對(duì)于殺死肺癌、肝癌等多種腫瘤細(xì)胞有顯著效果。

(二)納米材料應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)方面的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)

1.使用納米材料將細(xì)胞進(jìn)行分離

由于納米復(fù)合體有著較為穩(wěn)定的性能，且其在通常情況下不會(huì)和生物溶液、膠體溶液等發(fā)生反應(yīng)，所以使用其特性來(lái)進(jìn)行細(xì)胞的分離是納米材料在醫(yī)療臨床診斷當(dāng)中被廣泛研究且應(yīng)用前景廣闊的途徑。如今，人類已經(jīng)成功的將生物芯片材料應(yīng)用到單細(xì)胞分離、基因突變分析等醫(yī)學(xué)當(dāng)中。比如倫敦的兒科醫(yī)院以及挪威工科大學(xué)、美國(guó)噴氣推進(jìn)研究所就利用了納米磁性粒子對(duì)人體骨骼液當(dāng)中的癌細(xì)胞成功進(jìn)行了分離。美國(guó)的科學(xué)家也對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了研究，希望能夠使用該技術(shù)來(lái)檢測(cè)腫瘤早期血液當(dāng)中的癌細(xì)胞，讓人類能夠成功實(shí)現(xiàn)對(duì)癌癥的早期診斷并進(jìn)行針對(duì)性的有效的治療。

2.細(xì)胞內(nèi)部染色的應(yīng)用

De Mey博士(比利時(shí))等人就利用乙醚的黃磷飽和溶液、抗壞血酸或者檸檬酸鈉，將金從氯化金酸水溶液中進(jìn)行還原并形成了金納米粒子，把這種粒子和提前制備好的抗體或者單克隆抗體進(jìn)行混合，由于不同抗體對(duì)于人體細(xì)胞以及骨骼內(nèi)組織的敏感程度以及親和力都是不一樣的，通過(guò)該特征來(lái)選擇抗體的類別，從而制備了多種金納米粒子—抗體復(fù)合物。利用復(fù)合粒子分別和細(xì)胞內(nèi)部各種器官與骨骼系統(tǒng)相結(jié)合而形成的復(fù)合物，其在白光或者單色光的照射下所呈現(xiàn)出來(lái)的顏色是不一樣的特征，繼而給各個(gè)類型的組織貼上了各種顏色不一樣的標(biāo)簽，這樣一來(lái)人類在分辨細(xì)胞內(nèi)組織方面的機(jī)率就提高了許多，人類急需的染色技術(shù)也得以提高。

四、納米材料在食品包裝方面的應(yīng)用及最新發(fā)展動(dòng)態(tài)

(一)延長(zhǎng)食品的保鮮時(shí)間

生活中，我們不難發(fā)現(xiàn)許多水果蔬菜存放時(shí)間一旦超長(zhǎng)就會(huì)腐爛，這是因?yàn)楣哳愂称反娣艜r(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)釋放乙烯，一旦乙烯濃度到達(dá)一定量的時(shí)候，就會(huì)讓水果蔬菜類食品的腐爛加快。然而過(guò)去較為傳統(tǒng)的食品包裝材料卻很難將乙烯較好的吸收掉，所以也就很難達(dá)到使食品保鮮的目的。而納米銀則具備催化乙烯的功效，若在果蔬類食品包裝材料當(dāng)中加入納米銀，則可以將乙烯適當(dāng)降低，延長(zhǎng)食品的保鮮時(shí)間。

(二)提高食品包裝的封閉性

由于聚合物納米復(fù)合材料和蒙脫土納米復(fù)合材料有著比較好的阻斷性能，因此使用其來(lái)阻隔氧氣、二氧化碳等氣體物質(zhì)，使這些物質(zhì)的滲透性下降，讓食品的保存時(shí)間得到延長(zhǎng)。和天然橡膠相比起來(lái)，有機(jī)蒙脫土納米復(fù)合材料的滲透量對(duì)于氧氣的滲透量足足下降了一半左右，這表明納米復(fù)合材料在阻斷氣體方面的性能是非常不錯(cuò)的。

(三)提高食品包裝的抗菌性能

在抗菌方面納米復(fù)合材料也有著非常不錯(cuò)的性能，它可以很好的抑制微生物的滋長(zhǎng)，確保食品不會(huì)被細(xì)菌所污染。研究表明，把無(wú)菌納米抗菌劑以及增效劑加入到聚烯烴薄膜中，則其殺菌的效果完全可以達(dá)到98.13%，并且其封閉性和阻斷性并未受到顯著影響。

(四)納米復(fù)合材料應(yīng)用于食品包裝方面的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)

從上述研究來(lái)看，納米復(fù)合材料比起過(guò)去的食品包裝材料，不論是物理化學(xué)性能還是抗菌性能等都要好許多，然而最新研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米顆粒產(chǎn)生較多活性氧物質(zhì)的時(shí)候，生物體內(nèi)會(huì)有毒性發(fā)生；如果納米復(fù)合材料當(dāng)中含有金屬氧化物或者納米金屬，則這些納米顆粒就可能會(huì)和生物體當(dāng)中的蛋白質(zhì)相結(jié)合，并導(dǎo)致蛋白功能出現(xiàn)異常，從而致使物質(zhì)出現(xiàn)基因毒性。雖然目前經(jīng)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，納米金屬或者金屬氧化物顆粒是否會(huì)產(chǎn)生毒性和其浸泡的溫度以及時(shí)間有很大關(guān)系，然而具體的關(guān)系還沒(méi)有形成統(tǒng)一定論，說(shuō)法不一，且這些物質(zhì)顆粒進(jìn)入到人體內(nèi)會(huì)不會(huì)對(duì)人體造成身體健康影響，影響如何，該怎么樣解決等問(wèn)題都還在研究當(dāng)中，需要我們繼續(xù)探討。

綜上所述，納米科學(xué)是一門新興起來(lái)的科學(xué)，它將基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)進(jìn)行了很好的集合，涉及領(lǐng)域和范圍非常廣，目前在電子、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等方面都取得了顯著應(yīng)用成果。納米科學(xué)技術(shù)的誕生以及納米材料的廣泛應(yīng)用不僅是現(xiàn)在，在將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將對(duì)人類和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重要影響，而且很有可能會(huì)從根本上幫助人類解決許多包括健康、能源等在內(nèi)的重大問(wèn)題。相信隨著科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，納米材料在生物醫(yī)藥、食品等多個(gè)領(lǐng)域還將會(huì)有更為驚人的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用成果。

[1] 張立德，牟季美.納米材料和納米結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，2012(5).

[2] 王鵬宇.石墨烯納米帶生產(chǎn)工藝開發(fā)成功[J].世界電子元器件，2012(12).

[3] Kong M J, Li X B, Wang C M, et al. Tissue distribution and cancergrowth inhibition of magnetic lipoplex-delivered type 1 insulin-likegrowth factor receptor sh RNA in nude mice[J]. Acta Biochim BiophysSin, 2012(7): 591-596.

[4] 韓偉,于艷軍,李寧濤,王利兵.納米復(fù)合材料在食品包裝中的應(yīng)用及其安全評(píng)價(jià)[J].科學(xué)通報(bào),2013(03).

[5] 張宏康,G.S.Mittal.納米復(fù)合食品包裝材料研究進(jìn)展[J].食品工業(yè),2012(5).

[6] 艾茜,胡長(zhǎng)鷹,林勤保,王志偉,李河.納米銀/低密度聚乙烯復(fù)合食品包裝薄膜的表征及性能[J].食品工業(yè)科技,2014(22).

The application and Developmental Trend of Nano-materials in Biological Medicines

Zhang dongying

(ChangjiangPolytechnic,Wuhan430074，China)

It is clear that nano-materials are also called ultrafine particles or ultrafine powders. Actually, they are different from bulk material structure and quite different from single atom. Because of their special structure level, nano-materials have many special specifications such as surface effect and volume effect. On the other hand, many kinds of new physical and chemical specifications are still not known. Right now, there are plenty of development and application value, which are used in the electronic, lightning, biological medicine fields. Therefore, the paper tries to conduct nano-materials research on its application and latest trend of development.

Nano-materials；application; development

TB383

A

1673-3878(2017)02-0078-04

2016-12-05

張冬英(1964-)，女，湖北監(jiān)利縣人，長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院生物醫(yī)藥學(xué)院教師；主要研究方向：職業(yè)教育.