新型納米材料的合成及應(yīng)用*

陳 瑜

（陜西中醫(yī)藥大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院， 陜西 咸陽(yáng) 712046）

納米材料又名毫微材料，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1～100nm 范圍內(nèi)的材料。研究納米材料結(jié)構(gòu)、組成、制備、性質(zhì)及應(yīng)用的技術(shù)被稱(chēng)作納米技術(shù)。自1981 年掃描隧道顯微鏡微觀測(cè)試技術(shù)獲得突破之后, 在世界范圍內(nèi)掀起研究納米材料和納米技術(shù)的新高潮。近40 年來(lái)，納米科學(xué)、納米技術(shù)及納米材料的研究蓬勃發(fā)展，目前，已形成為一門(mén)新興的熱門(mén)邊緣學(xué)科——納米材料科學(xué)。當(dāng)今的研究表明，納米材料和納米技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。

1 新型納米材料的合成及在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用

1.1 新型有機(jī)納米粒作為有效的生物熒光成像和光熱診療試劑

研究表明，光熱治療（PTT）法就是利用具有較高光熱轉(zhuǎn)換效率的納米材料，將其注射入人體內(nèi)部，利用靶向性識(shí)別技術(shù)聚集在腫瘤組織附近，并在外部近紅外光源的照射下將光能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)殺死癌細(xì)胞的一種治療方法。在眾多的光熱試劑中，二酮吡咯并吡咯（DPP）為基礎(chǔ)的光熱試劑逐漸引起人們的廣泛關(guān)注，特別是在加入到供體受體供體（D-A-D）體系中，如典型的半導(dǎo)體聚合物納米粒子（SPNs）[1]。在溶解狀態(tài)下，孤立的DPP 分子趨向于表現(xiàn)出相對(duì)高的熒光量子產(chǎn)率。但在水中形成聚集體后，熒光有效地被淬滅，這便賦予DPP 具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率。然而大部分的DPP 相關(guān)材料通常都需要相對(duì)復(fù)雜的合成依據(jù)及巧妙的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，簡(jiǎn)單地制備D-A 分子結(jié)構(gòu)的DPP 材料勢(shì)在必行。為此，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的張巍等人通過(guò)簡(jiǎn)單的方法合成了具有典型D-A 結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子雙聯(lián)噻吩二酮吡咯并吡咯（TDPP）。為了獲得具有高載藥效率并且均勻穩(wěn)定的納米粒，他們使用Pluronic-127 制備了TDPPNPs。他們通過(guò)一系列的體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都證明了TDPP 納米粒子具有良好的光熱抗腫瘤效果，同時(shí)TDPP 納米粒也可以作為良好的生物體內(nèi)近紅外熒光成像試劑[2]。該研究將在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)及生物化學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

1.2 新型可降解金屬——多酚自組裝納米粒子的制備及在光熱治療中的應(yīng)用

光熱治療（PTT），作為一種新興的微創(chuàng)腫瘤治療技術(shù)受到人們廣泛關(guān)注。而伴隨著PTT 的發(fā)展，光熱納米材料存在的一些缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了其在臨床上的應(yīng)用，例如，碳基材料、CuS 半導(dǎo)體等光熱納米材料具有較差的降解性和較長(zhǎng)的體內(nèi)殘留時(shí)間。因此，在不影響PTT 功能的前提下，開(kāi)發(fā)體內(nèi)可清除的光熱納米材料具有重要意義[3]。為此，廣西師范大學(xué)的陳婷等人采用一步法制備了金屬-酚自組裝納米粒子，并將其用于PTT 癌癥。他們的研究發(fā)現(xiàn)其在808nm 激光的照射下能穩(wěn)定地將光能轉(zhuǎn)換為熱能，進(jìn)而殺死腫瘤細(xì)胞。更為重要的是，他們將其在空氣中放置一段時(shí)間后溶液顏色變淺，紫外吸收下降，說(shuō)明該物質(zhì)可有效降解，故有利于生物體內(nèi)排泄。該納米粒子具有的可生物降解行為在癌癥的治療中具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。該研究將在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)、生命科學(xué)及環(huán)境科學(xué)中得到應(yīng)用。

1.3 新型有機(jī)金屬納米材料的制備及在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于癌癥的治療人們提出了“診療一體化”的新興理念。通過(guò)研究共載成像分子和治療分子的納米粒子，或本身具有成像功能的分子搭載治療分子，從而實(shí)現(xiàn)癌癥診療一體化[5]。為此，四川大學(xué)的何西等人設(shè)計(jì)合成了一種碳量子點(diǎn):以檸檬酸為碳源，引入基于大環(huán)多胺（Cyclen）的聚合物以螯合Gd3+離子，通過(guò)水熱法制備得到Gd-Cyclen-CD。由此得到的碳量子點(diǎn)不僅可以進(jìn)行FL/MR（雙模成像探針）雙模成像，更由于聚合物的引入使其可以作為基因轉(zhuǎn)染載體進(jìn)行基因治療，達(dá)到診斷治療同時(shí)進(jìn)行的目的[6]。該研究將在醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)及生物化學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

1.4 新型納米材料大環(huán)多胺聚合物及其鋅配合物在基因遞送中的應(yīng)用

研究表明，安全、高效的非病毒基因載體在基因遞送中不可或缺。為此，四川大學(xué)的余青穎等人利用鋅離子聚合物由不同的雙環(huán)氧化合物與大環(huán)多胺（cyclen）通過(guò)環(huán)氧開(kāi)環(huán)聚合得到，再利用cyclen 優(yōu)異的金屬配位能力與 Zn（NO3）2·6H2O 作用得到陽(yáng)離子聚合物的鋅配合物。通過(guò)環(huán)氧開(kāi)環(huán)聚合得到的陽(yáng)離子聚合物中富氧結(jié)構(gòu)使聚合物具有更好的血清耐受性和生物相容性[7]。通過(guò)凝膠阻滯實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)以及溴乙錠置換實(shí)驗(yàn)均證明陽(yáng)離子聚合物及其鋅配合物能夠較好的壓縮DNA 形成均勻規(guī)整的球形納米顆粒。毒性實(shí)驗(yàn)證明，陽(yáng)離子聚合物的鋅配合物的細(xì)胞毒性更小。基因轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)證明陽(yáng)離子聚合物的鋅配合物彰顯出更好的轉(zhuǎn)染效率、更好的血清耐受性。其中Zn-cyclen-HD（溴代十六烷基吡啶）在10%血清環(huán)境下轉(zhuǎn)染效率是PEI（聚醚酰亞胺）25kDa（道爾頓分子量）的8 倍。蛋白吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明陽(yáng)離子聚合物的鋅配合物蛋白吸附明顯減小，并且遠(yuǎn)低于PEI25kDa。換言之，大環(huán)多胺鋅配合物Zn-cyclen 具有構(gòu)建安全高效的非病毒陽(yáng)離子聚合物載體的潛力[8]。該研究將在材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)及生命科學(xué)中得到應(yīng)用。

2 新型納米材料的合成及在材料科學(xué)中的應(yīng)用

2.1 新型水溶性螺芳烴手性金納米粒子的制備及在材料科學(xué)中的應(yīng)用

研究表明，金納米顆粒在納米材料和納米科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[9]，而在其表面修飾超分子大環(huán)所構(gòu)筑的雜化納米材料，可以兼具金納米顆粒的電、熱、催化性質(zhì)以及大環(huán)主體分子的識(shí)別性質(zhì)，從而拓展了納米材料在傳感識(shí)別、藥物輸送和釋放以及組裝方面的應(yīng)用。為此，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的郭艷等人將水溶性2,6-螺[6]芳烴衍生物（WH6A）修飾在金納米顆粒上，獲得了分散性好、粒徑均勻的手性金納米顆粒，并發(fā)現(xiàn)其與4-（4-二甲胺基）苯乙烯基-1-甲基吡啶碘鎓鹽之間具有有效的能量轉(zhuǎn)移，同時(shí)體系產(chǎn)生新的圓二色光譜信號(hào)，表明該手性金納米雜化材料具有手性轉(zhuǎn)移的性質(zhì)，故在成像以及光電材料等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[10]。該研究將在光電材料科學(xué)、催化科學(xué)、分析分離科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2.2 含α，γ-氨基酸環(huán)六肽納米管的合成及應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)表明，環(huán)肽納米管因其具有特殊空間結(jié)構(gòu)和奇特的電子和光學(xué)性質(zhì)，使其在材料學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及化學(xué)等領(lǐng)域有諸多潛在而廣泛的應(yīng)用價(jià)值。作為接功能側(cè)臂的環(huán)肽，不僅沒(méi)有普通環(huán)肽易聚集成束的弊端，而且可通過(guò)側(cè)臂芳環(huán)體系的π-π 共軛及環(huán)肽骨架上的氫鍵相互作用自組裝形成具有良好光電性能的環(huán)肽納米管[11]。為此，河北科技大學(xué)的李棟華等人以（1R,3S）-γ-氨基環(huán)戊基甲酸（γ-Acp）、L-苯丙氨酸和L-賴(lài)氨酸為原料，采用液相的Boc-（叔丁氧羰基負(fù)離子）策略，運(yùn)用逐一連接法合成了α、γ 氨基酸交替的環(huán)六肽，再通過(guò)賴(lài)氨酸連接側(cè)臂，合成了含功能側(cè)臂酞菁的環(huán)六肽納米管[12]，期望能在化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2.3 金屬有機(jī)納米籠材料對(duì)芳香族化合物的選擇性識(shí)別

實(shí)驗(yàn)表明，基于半剛性或柔性配體構(gòu)筑的金屬有機(jī)納米籠狀化合物由于其孔洞的靈活可變性，在催化領(lǐng)域、吸附科學(xué)以及分離與識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域均有良好的應(yīng)用前景[13]。為此，內(nèi)蒙古大學(xué)的薛輝等人，利用三齒半剛性的配體構(gòu)筑得到一例結(jié)構(gòu)新穎且含有4 種不同籠子形的有機(jī)金屬鉑的配合物，其對(duì)芳香族硝基化合物PNP（對(duì)硝基苯酚或叫4-硝基苯酚）有選擇性的識(shí)別，并表現(xiàn)為熒光強(qiáng)度的猝滅；他們的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該化合物同時(shí)可以選擇性的熒光識(shí)別乙基苯，表現(xiàn)為熒光增強(qiáng)，與此同時(shí)，此類(lèi)無(wú)特殊官能團(tuán)的烷基苯化合物一般情況下很難實(shí)現(xiàn)選擇性識(shí)別。由于其形成了奇特的超分子納米結(jié)構(gòu)，故被廣泛的用作功能材料和納米材料[14]，而被用于催化科學(xué)、吸附科學(xué)及分析分離科學(xué)等領(lǐng)域。

3 新型納米材料的合成及在催化科學(xué)中的應(yīng)用

研究表明，直接利用太陽(yáng)能解決環(huán)境污染問(wèn)題是最有前景的技術(shù)之一，尤其是開(kāi)發(fā)能有效利用太陽(yáng)光中可見(jiàn)光的光催化劑成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。其中溴氧化鉍（BiOBr）由于具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，良好的可見(jiàn)光吸收性能和催化性能等特點(diǎn)，故在可見(jiàn)光催化方面展現(xiàn)出巨大的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。而B(niǎo)iOBr具有良好的形貌結(jié)構(gòu)可控性，可通過(guò)控制反應(yīng)條件制備納米顆粒、納米片以及花狀微球等多種形貌結(jié)構(gòu)[15]。為此，三峽大學(xué)的任慧君等人通過(guò)醇熱法合成了BiOBr 納米材料光催化劑，并用于可見(jiàn)光催化降解水中頭孢菌素類(lèi)抗生素的研究，其效果良好。即他們的工作是既合成了一種新型BiOBr 納米材料，又將其用于光催化降解水中頭孢菌素類(lèi)抗生素，從而為處理廢水中頭孢菌素類(lèi)抗生素提供新的途徑[16]。該研究將在催化科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)及生命科學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

4 結(jié)論

綜上所述我們不難看出，納米材料的應(yīng)用無(wú)處不在。納米材料這把“萬(wàn)能鑰匙”將會(huì)啟開(kāi)更多的應(yīng)用“鎖”。通過(guò)幾十年對(duì)納米材料的研究表明，人們制成了組成相同而性能奇異的各種納米材料，這樣就從根本上解決了人類(lèi)面臨的能源、交通、環(huán)保及健康等問(wèn)題。不僅如此，納米材料在21 世紀(jì)的熱點(diǎn)學(xué)科如材料科學(xué)、信息科學(xué)、能源科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、生命科學(xué)及環(huán)境科學(xué)等眾多領(lǐng)域也凸顯出廣闊的應(yīng)用前景。也有科學(xué)家預(yù)言，納米材料的問(wèn)世像計(jì)算機(jī)的問(wèn)世一樣，將會(huì)給科學(xué)技術(shù)帶來(lái)偉大的革命。隨著人們對(duì)納米材料和納米技術(shù)研究的不斷深入，其在人類(lèi)的文明進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展中必將創(chuàng)造新的輝煌。