簡述納米材料及其在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

陳姝言

摘要：材料科學(xué)發(fā)展迅速，納米材料因其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)得到廣泛的關(guān)注。納米材料能夠精確控制材料內(nèi)部的單個原子和分子，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用。本文簡述了幾種重要的納米材料，并且闡述了納米材料在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，以期對今后的納米材料研究提供參考。

關(guān)鍵詞：納米材料 疾病診斷 治療 生物醫(yī)學(xué)

納米材料是材料的最小單位尺寸在0.1-100nm范圍內(nèi)的超微顆粒固體物質(zhì)。納米材料的特點是晶粒體積小，晶粒內(nèi)部的原子數(shù)少于晶面的原子，具有高濃度晶界的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)，與常規(guī)宏觀材料相比，納米材料表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、磁性等性能。目前，主要的納米材料有，碳納米材料、稀土納米材料、復(fù)合納米材料、半導(dǎo)體納米材料和貴金屬納米材料等。納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，如利用納米材料的光信號和電信號進行疾病標志物的檢測，作為藥物載體使藥物更加高效地進入生物體內(nèi)進行靶向治療，降低傳統(tǒng)方法（如化療）對人體造成的傷害。納米材料具備的優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，因此其在生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展中具有十分廣闊的應(yīng)用前景[1]。

一、幾種重要的納米材料

（一）碳納米材料

碳納米材料主要包括碳納米管、富勒烯和石墨烯等，是一類以碳元素為主的重要材料。碳納米管具有獨特的孔狀結(jié)構(gòu)，利用這種特殊的結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑺幬锇苍谄鋬?nèi)部，然后在特定的位置進行刺激下釋放其包覆的藥物，實現(xiàn)特定靶向給藥。富勒烯又稱C60，其外形與足球相似，是由五元環(huán)和六元環(huán)相互雜化組成，因此理化性質(zhì)獨特，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如具有細胞的抗氧化活性、抗菌、抗病毒功能，以及可以作為藥物載體進行腫瘤治療等。此外，富勒烯及其衍生物還具有催化方面的應(yīng)用，由于其結(jié)構(gòu)具有烯烴的性質(zhì)，化學(xué)鍵易發(fā)生斷裂或形成，研究表明與活性炭相比，富勒烯催化的反應(yīng)具有更高的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率，催化能力高于其他同類型的碳材料。

2004年，英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了石墨家族的重要成員-石墨烯，其結(jié)構(gòu)特殊，碳原子以六角形分布類似苯環(huán)，多個碳原子六角形結(jié)構(gòu)構(gòu)成平面薄膜，其厚度只有一個碳原子，是最薄的納米材料，同時也最硬的納米材料[2]。石墨烯具有特殊的電子排布，表面含有羧基、羥基、環(huán)氧基等的官能團，具有豐富的化學(xué)性質(zhì)，而且還具有吸附特性和限域效應(yīng)，從發(fā)現(xiàn)開始就一直備受廣大科研工作者的關(guān)注，特別是兩位科學(xué)家因從石墨中首次成功提取出石墨烯，獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎。

（二）稀土納米材料

稀土納米材料是一類摻雜稀土元素構(gòu)成納米材料。由于稀土元素的原子結(jié)構(gòu)特殊，富含多個電子能級，因此化學(xué)性質(zhì)活潑可以與其他元素反應(yīng)形成多價態(tài)的化合物。稀土元素本身具備的光、電和磁的特性，在近代化學(xué)工業(yè)中被譽為“維生素”，而且從材料的角度也被稱為“新材料寶庫”。特別是將稀土材料的制備的維度調(diào)控到納米尺寸后，其特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁性等特點極大地提高了材料的功能，受到科研工作者的密切關(guān)注，在新材料開發(fā)中稀土納米材料發(fā)揮中重要的作用[3]。

我國稀土資源豐富，目前在世界范圍內(nèi)中國占有80%的稀土資源，稀土產(chǎn)量高居世界第一。因此，我們國家在稀土資源開發(fā)與利用方面極具潛力，稀土納米材料在能源催化，環(huán)境保護和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都重要的應(yīng)用。稀土納米材料具有獨特的發(fā)光性能，在外界光源的輻照下能夠發(fā)出各種可調(diào)的熒光，色彩鮮艷，轉(zhuǎn)換效率高，而且發(fā)光穩(wěn)定，對生物體毒性小，特別適用于生物體內(nèi)的醫(yī)學(xué)研究，為生物醫(yī)學(xué)的研究提供了寶貴的材料基礎(chǔ)。

（三）納米復(fù)合材料

復(fù)合材料是指由兩種及兩種以上材料構(gòu)成的具有納米尺寸的一類多相固體材料，一般來說一種材料為連續(xù)相，另一種以納米尺寸的材料作為分散相。復(fù)合材料中包含各種物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)不相同，但是其各個物質(zhì)之間能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢，彼此彌補單一形式下的缺陷和不足，產(chǎn)生單一材料原來不具備的新特性。如將甲殼素添加到膠原蛋白中去，可以形成一種新型的納米尺寸復(fù)合材料，這種新材料增加了力學(xué)強度和孔徑尺寸，能夠作為支架應(yīng)用到細胞生長研究中。再如在羥基磷灰石中加入兩親化合物修飾的肽分子，制備出具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料，在骨組織修復(fù)和替換方面有著極大的潛力。由于材料內(nèi)部各個成員之間能夠彼此“取長補短”，納米復(fù)合材料實現(xiàn)了材料的多元性功能設(shè)計，為制備先進的功能材料提供了設(shè)計思路。

二、生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

（一）成像診斷

磁共振成像技術(shù)是目前臨床上廣泛使用的診斷方式，它能夠清晰地精確提供病人的生理和病理信息。磁共振成像的本質(zhì)是一種物理現(xiàn)象，早在1973年就開始有人使用核磁共振技術(shù)進行臨床的疾病診斷，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，精確的磁共振成像診斷需要引入造影劑來增強檢測信號。磁性納米材料是磁共振成像中主要使用的造影劑，用以提供磁共振成像的對比度和清晰度。磁性納米材料一般由尺寸為3-10 nm的四氧化三鐵或者含有稀土元素Gd構(gòu)成，對人體無害且能較好的通過代謝排出體外。如對肝癌病人注射磁共振成像的造影劑，盡管納米造影劑能夠隨血液在全身循環(huán)，但肝部的腫瘤部位能夠吸收納米造影劑，從而可以和正常組織區(qū)別開來，顯示出其特異性用于臨床的精確成像，這對疾病的早期診斷和早期治療具有十分重要的意義。

（二）DNA納米技術(shù)

脫氧核糖核酸，也稱DNA，是生物體主要的遺傳物質(zhì)。而DNA納米技術(shù)是指專門在100 nm尺度下用來研究DNA以及其他核酸分子自發(fā)地組成穩(wěn)定機構(gòu)技術(shù)。這是一種多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，主要利用DNA（脫氧核糖核酸）尺寸為納米級別、剛性結(jié)構(gòu)和編碼性強的特點來構(gòu)造各種納米結(jié)構(gòu)。DNA納米技術(shù)中核酸鏈是主要的構(gòu)建成分，其尺寸在納米級別，如DNA的雙螺旋直徑為2nm。再根據(jù)堿基的互補配對就可以形成一個明確的自組裝結(jié)構(gòu)，同時，這種結(jié)構(gòu)的DNA鏈可以通過核酸的設(shè)計進行控制。DNA納米技術(shù)的發(fā)展刷新了人們對DNA這一生物大分子的認識，它不僅能作為生命遺傳信息的載體，還能夠作為納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建工具。這種自主裝形成的獨特納米結(jié)構(gòu)適用于合成納米粒子和蛋白復(fù)合物，用以實現(xiàn)制備多功能型的檢測傳感器和設(shè)計小尺寸的藥物載體，對于人類了解生命過程，治療重大醫(yī)學(xué)疾病和維護生命健康有著重要的意義。

（三）生物傳感

生物傳感器主要是用于檢測生物酶、核酸、抗原、抗體和細菌等物質(zhì)，近年來將功能化的納米材料作為生物傳感器，實現(xiàn)了在分子水平上進行高靈敏度的檢測和物質(zhì)識別。同時，納米材料以其特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，如能夠?qū)V泛應(yīng)用于生物傳感器中，其原理一般是通過引入對檢測目標有刺激相應(yīng)的基團產(chǎn)生相應(yīng)電信號或光信號。傳感器結(jié)合納米技術(shù)具有極大的優(yōu)勢，如使傳感器獲得特異性的光學(xué)或電學(xué)信號，提高檢測信號的強度，同時還能保證檢測信號的持久性。目前，納米材料的傳感器能夠特意識別重金屬、蛋白質(zhì)、抗原/抗體和細胞的各種酶，同時具有良好的檢測范圍和極低的檢測限。納米材料制備的生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)能夠檢測各種腫瘤標志物，為疾病的確證提供了充足的證據(jù)，也為傳感器的發(fā)展提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。

（四）載藥治療

納米材料的尺寸一般正常細胞要小很多，因此將納米材料作為藥物載體進入到人體內(nèi)進行藥物傳輸，可以進行特定部位的控制藥物釋放的治療，如以磁性納米材料與藥物結(jié)合，作為藥物載體注入到病人體內(nèi)，可以利用磁性將藥物富集到某一處病變部分，使藥物集中釋放，更加有效地在病變部位發(fā)揮治療作用。同時，也可以通過外界刺激緩慢釋放藥物，延長藥物在特定部位的作用時間，保證藥物有效的前提下，減少單次使用藥物的劑量從而避免某些藥物的毒副作用。納米載體除了轉(zhuǎn)載藥物，還可以有效保護藥物，防止在達到特定部位之前被體內(nèi)的酶降解。納米材料作為藥物載體，能夠?qū)崿F(xiàn)藥物的靶向控制釋放，對人類疾病的治療有著十分重要的意義，提供了有效的治療手段。

三、結(jié)語

綜上所述，從疾病的診斷，標記物的檢測到特殊疾病的靶向治療，藥物的控制釋放，納米材料以其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)能夠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。然而，功能化納米材料的生物毒性問題依然是納米醫(yī)學(xué)發(fā)展過程中的一個障礙，今后的研究重點將集中在生物降解和無毒的納米藥物開發(fā)方向，隨著科技的不斷進步，這些納米材料的功能會更加完善和智能，尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)槿祟惖慕】底龀龈喔蟮呢暙I。

參考文獻：

[1]王冬華.納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].合成與材料老化與應(yīng)用，2015，（44）：104-107.

[2]張金超，楊康寧，張海松，梁興杰.碳納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].化學(xué)進展，2013，（25）：397-406.

[3]葛雪瑩，袁荃.稀土上轉(zhuǎn)換納米材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報，2015，（61）：10-20.

[4]馮婷婷.納米熒光生物傳感器研究進展及應(yīng)用[J].生物化工，2017，（12）：78-81.

（作者單位：湖南省株洲市第二中學(xué)）