納米氧化鋅在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

常虬洋

摘 要：納米氧化鋅是一種新型的高性能精細(xì)無機(jī)產(chǎn)品。它具有良好的抗菌性、紫外線屏蔽性和生物相容性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。本文在分析、歸納和總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，探討了納米氧化鋅在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。針對(duì)存在的問題，展望了納米氧化鋅的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：納米氧化鋅;抗菌;生物成像;藥物傳遞

中圖分類號(hào)：TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）03-0179-01

0 引言

納米技術(shù)和納米材料如今已經(jīng)應(yīng)用到生活的各個(gè)方面，比如防曬化妝品中用到了納米二氧化鈦，納米氧化鋅可用于表面涂料產(chǎn)品應(yīng)用在空間飛行器，而工業(yè)上也早已有應(yīng)用納米材料的研究，如陶瓷和橡膠工業(yè)?，F(xiàn)如今，納米載藥體系、納米藥物的研究受到研究人員的日益關(guān)注，納米材料逐漸被應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域。

納米氧化鋅是面向二十一世紀(jì)的一種新型高性能精細(xì)無機(jī)材料。其粒徑約為1～100nm。由于粒徑過于細(xì)微，納米氧化鋅的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從而產(chǎn)生了宏觀物體所不具有的性質(zhì)，如量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀隧道效應(yīng)等。本文以納米氧化鋅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)為切入點(diǎn)，通過總結(jié)和討論，不但了解了納米氧化鋅在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，而且展望了納米氧化鋅未來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展前景。

1 納米氧化鋅在醫(yī)療殺菌上的應(yīng)用

納米氧化鋅可用于醫(yī)藥行業(yè)殺菌消毒。其機(jī)制可分為三個(gè)方面：

第一個(gè)方面是納米氧化鋅可以在水介質(zhì)中連續(xù)釋放鋅離子，鋅離子會(huì)進(jìn)入細(xì)胞膜，破壞細(xì)胞膜，在細(xì)胞內(nèi)與蛋白質(zhì)的某些基團(tuán)反應(yīng)時(shí)，破壞細(xì)菌和細(xì)胞中蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞中的蛋白酶失活進(jìn)而殺死細(xì)菌。破壞之后，鋅離子會(huì)從細(xì)菌中游離出來，重復(fù)殺菌過程。

第二個(gè)方面是納米氧化鋅可以與細(xì)菌表面的細(xì)胞壁相互作用，破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁，導(dǎo)致內(nèi)容物被釋放從而殺滅細(xì)菌。

第三個(gè)方面是在紫外線的照射下，納米氧化鋅會(huì)產(chǎn)生空穴電子對(duì)，電子和空穴分別從導(dǎo)帶和價(jià)帶遷移到氧化鋅顆粒表面，表面吸附的水或羥基被轉(zhuǎn)變成氫氧自由基，吸附的氧氣轉(zhuǎn)變成活性氧，氫氧自由基和活性氧具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，能與大多數(shù)有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)從而殺死大多數(shù)細(xì)菌和病毒。由于納米氧化鋅粒徑過小，電子和空穴從導(dǎo)帶和價(jià)帶到達(dá)晶體表面的時(shí)間被大幅度降低，空穴和電子復(fù)合的幾率也降低，因此粒徑處于納米量級(jí)的氧化鋅抗菌性能更優(yōu)。

有關(guān)試驗(yàn)表明，當(dāng)納米氧化鋅溶液的納米氧化鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，5分鐘內(nèi)對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率分別為98.86%和99.93%。[1]日本離人公司采用納米氧化鋅和二氧化硅混合脫臭劑制備的除臭纖維能吸收異味，凈化空氣。同時(shí)，由于它們具有殺菌和抗菌作用，在醫(yī)院中廣泛用于制作無菌敷料和繃帶。此外，結(jié)合納米氧化鋅的殺菌效果和其他方面的性能，可有多種用途。

1.1 用于手術(shù)服的制造

納米氧化鋅可吸收和散射紫外線，所以具有屏蔽紫外輻射的功能。由于納米氧化鋅屬于直接帶隙半導(dǎo)體，所以當(dāng)接收到紫外輻射時(shí)，價(jià)帶中的電子可以吸收紫外輻射的能量并躍遷到導(dǎo)帶上，躍遷后會(huì)產(chǎn)生空穴電子對(duì)，與此同時(shí)紫外線也被吸收。另外，當(dāng)紫外光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于納米氧化鋅的粒徑時(shí)，納米粒子可以向各個(gè)方向散射中長(zhǎng)波紫外線，從而降低紫外線在照射方向上的強(qiáng)度。而納米氧化鋅的粒徑范圍一般為1～100nm，紫外線的波長(zhǎng)范圍100～400nm，所以，納米氧化鋅對(duì)長(zhǎng)波紫外線（波長(zhǎng)320～400nm）和中波紫外線（波長(zhǎng)280～320nm）的屏蔽效果較好。與有機(jī)紫外吸收劑相比，納米氧化鋅更安全、穩(wěn)定、可靠，用作紫外線屏蔽劑，可用于纖維材料。用于纖維屏蔽紫外輻射的納米氧化鋅粉末，尺寸一般小于530nm，以保證其在所用介質(zhì)中的良好分散性。

日本蒼螺公司將氧化鋅粉與特殊截面的聚酯纖維混合，具有良好的抗菌和紫外線屏蔽效果，特別適用于護(hù)士服和手術(shù)服的制造。

1.2 在牙科上的應(yīng)用

早期牙科治療中使用的復(fù)合樹脂強(qiáng)度不足，往往導(dǎo)致治療失敗，于是產(chǎn)生了性能更好的混合型復(fù)合樹脂。由于納米氧化鋅晶須結(jié)構(gòu)完整，幾乎沒有內(nèi)部缺陷，同時(shí)具有高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)，加上其獨(dú)特的立體四角狀可以各向同性地改變材料的力學(xué)性能，所以將其加入到復(fù)合樹脂體系中，可顯著提高復(fù)合樹脂的力學(xué)性能。同時(shí)納米氧化鋅也因其本身所具有的抗菌特性所以可被應(yīng)用到牙科樹脂上來替代傳統(tǒng)的烤瓷牙。

1.3 在骨科上的應(yīng)用

目前，鈦合金已廣泛應(yīng)用于骨科植入物，如鋼板、釘子、克氏針、外固定器螺釘?shù)取５胖弥踩胛锸莿?chuàng)傷性手術(shù)，容易造成感染。研究發(fā)現(xiàn)，在鈦片表面包覆納米氧化鋅，可以維持長(zhǎng)期的體外抗菌活性。同時(shí)，體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，納米氧化鋅還能促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞和成骨細(xì)胞在鈦表面的粘附、增殖和分化，增強(qiáng)成骨相關(guān)蛋白的表達(dá)，從而達(dá)到促進(jìn)成骨的目的。納米氧化鋅抗菌和促進(jìn)骨形成的特點(diǎn)，在骨科領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，納米氧化鋅的臨床研究較少，目前只有體外和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)例子，所以在骨科的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。今后，有必要進(jìn)一步明確納米氧化鋅在人體內(nèi)的安全有效濃度，以確保其抗菌安全性和有效性。

2 用于生物成像

納米氧化鋅在室溫下是帶隙為3.2eV、激子束縛能為60meV的直接帶隙半導(dǎo)體，在室溫下容易實(shí)現(xiàn)高效率的受激發(fā)射，不同粒徑的納米氧化鋅在紫外光照射下可以激發(fā)不同的熒光。量子點(diǎn)具有優(yōu)良的光學(xué)穩(wěn)定性且熒光壽命長(zhǎng)，可用于生物成像，而與傳統(tǒng)量子點(diǎn)相比，氧化鋅量子點(diǎn)具有良好的生物相容性和低毒性。納米氧化鋅表面的羥基連接不同的有機(jī)分子可改善其表面性質(zhì)，或者雜糅其他元素形成一種復(fù)合氧化鋅量子點(diǎn)便可用于熒光成像。例如，用改良的溶膠-凝膠法合成的Co/La摻雜的氧化鋅量子點(diǎn)Yu可迅速標(biāo)記人的胃癌細(xì)胞。

3 用于藥物傳遞

當(dāng)環(huán)境pH大于5.5時(shí)，納米氧化鋅在介質(zhì)中可以穩(wěn)定存在，但當(dāng)環(huán)境pH小于5.5時(shí)，納米氧化鋅則會(huì)快速溶解成鋅離子。人體正常組織的PH值約為7.4，而腫瘤和炎性組織的PH值低于正常組織，呈酸性，在這樣的環(huán)境下氧化鋅易分解。同時(shí)，納米氧化鋅具有較大的比表面積，富含羥基和鋅離子，其表面可直接吸附或通過表面修飾連接其他小分子抗癌藥物。因此，利用這兩個(gè)特性可制備藥物載體。

在氧化鋅表面加上聚乙二醇后連接具有靶向乳腺癌細(xì)胞功能的葉酸分子，負(fù)載抗癌藥物阿霉素，合成抗癌藥物載體，定向攻擊癌細(xì)胞。該載體進(jìn)入癌細(xì)胞后，氧化鋅溶解，藥物得以釋放，癌細(xì)胞得以抑制。例如，Upadhyaya等[6]采用原位移植方法，將CMC（羧甲基纖維素）插入氧化鋅納米顆粒中，用疏水性抗癌藥物姜黃素包覆其表面，合成CMC納米復(fù)合材料，作用于猴胚胎腎癌細(xì)胞，結(jié)果表明，CMC納米復(fù)合材料具有良好的藥物緩釋效果。

4 結(jié)語

納米氧化鋅由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)在不同的條件下表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，還可與其他物質(zhì)結(jié)合應(yīng)用于不同領(lǐng)域。目前納米氧化鋅的制備技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的研究，如何根據(jù)不同用途的需要，設(shè)計(jì)并制備特殊的納米氧化鋅，如何發(fā)現(xiàn)新型納米氧化鋅，并整合傳統(tǒng)領(lǐng)域，是促進(jìn)納米氧化鋅應(yīng)用的關(guān)鍵。在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用過程中也存在一些相關(guān)問題亟待解決，如應(yīng)用于制作紫外線屏蔽的工作服時(shí)對(duì)粒徑有一定要求，而且納米氧化鋅并不能屏蔽全波段的紫外線;應(yīng)用于人體時(shí)，包括牙科、骨科、生物成像、藥物傳遞等方面，由于對(duì)納米氧化鋅的物理化學(xué)性質(zhì)研究還不夠深入，所以其對(duì)人體的毒性和影響還沒有確切的研究結(jié)論，確定其安全和有效濃度范圍是當(dāng)前需要解決的一大難題。

納米氧化鋅作為一種性能優(yōu)異的新型功能材料，特別是在新工藝設(shè)備的帶動(dòng)下，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，所以一方面要加強(qiáng)納米氧化鋅在醫(yī)療領(lǐng)域的深入研究，一方面要推動(dòng)納米氧化鋅行業(yè)與相關(guān)行業(yè)的交流與應(yīng)用。在現(xiàn)代醫(yī)療的基礎(chǔ)上開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能納米氧化鋅，爭(zhēng)取在醫(yī)療領(lǐng)域取得進(jìn)一步發(fā)展。

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