納米材料在生物醫(yī)學(xué)中的運(yùn)用

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【摘要】近些年來(lái)納米材料在生物成像、癌癥早期診斷和藥物運(yùn)載等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為醫(yī)學(xué)診斷和治療提供了有力的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。但納米材料在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用存在一些安全性問(wèn)題，因此亟需開(kāi)發(fā)消除納米材料生物毒性的方法以減少對(duì)生物體和生態(tài)環(huán)境的破壞。本文將對(duì)納米材料在生物醫(yī)學(xué)的診斷和治療上的應(yīng)用以及其安全性問(wèn)題展開(kāi)討論。

【關(guān)鍵詞】納米材料生物醫(yī)學(xué)生物安全性

一、引言

納米材料主要是指結(jié)構(gòu)單元在納米尺寸范圍(1~100nm)內(nèi)的一類材料，由于表面原子具有很大的比表面積，其表面能極高，從而獲得較多的表面活性中心，化學(xué)性質(zhì)十分活潑，因此納米材料通常具有特異的性能。納米材料的發(fā)現(xiàn)始于20世紀(jì)80年代初期，隨后人們逐步發(fā)現(xiàn)其在光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)和力學(xué)方面具有比普通材料更加優(yōu)越的特性，進(jìn)而得到了多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注并逐漸發(fā)展起來(lái)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境、航空航天和石油鉆探等領(lǐng)域的研究。尤其是在生物醫(yī)學(xué)方面，基于納米技術(shù)的藥物和傳感器已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際的醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，而且能夠得到是理想的治療和診斷結(jié)果。通過(guò)從納米尺度進(jìn)行精確地制備納米材料，人們打開(kāi)了更小的微觀世界，特別是生物體細(xì)胞層面上的化學(xué)反應(yīng)都發(fā)生在納米的度，納米材料的使用能有效地檢測(cè)或調(diào)控微觀的生理和病理過(guò)程。納米材料發(fā)展對(duì)醫(yī)學(xué)診斷和醫(yī)學(xué)治療具有重大意義，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)和前沿，具有廣泛的應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展空間[1]。

二、納米材料在醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用

2.1納米生物傳感器

納米生物傳感器是一種由納米材料制成的檢測(cè)裝置，主要根據(jù)將檢測(cè)到的信息按一定規(guī)律變換為電信號(hào)或以其他的形式輸出，使人們能定量定性地分析檢測(cè)物質(zhì)。生物傳感器的研發(fā)中人們使用納米材料，能夠提高生物傳感器的靈敏度以及檢測(cè)范圍。同時(shí)以納米材料制備的新型傳感器具有穩(wěn)定性好，成本低，生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)的臨床診斷方面得到了高度重視，特別是作為一項(xiàng)新興的前沿技術(shù)，納米生物傳感器的研發(fā)能夠進(jìn)行早期癌癥的診斷。納米傳感器可以利用高靈敏度的特點(diǎn)，在血液中可通過(guò)微小的電流變化反映出癌細(xì)胞的種類和濃度。這種對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)行的精確分析，有望實(shí)現(xiàn)特殊疾病的無(wú)創(chuàng)、快速診斷，今后人們只需將納米材料注入人體內(nèi)，便能在短時(shí)間內(nèi)完成確診。

2.2納米生物成像技術(shù)

在臨床診斷中，通過(guò)對(duì)生物體內(nèi)的細(xì)胞或特定組織進(jìn)行直觀的圖像分析，能夠迅速高效且準(zhǔn)確地獲得生理和病理信息。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，新型的納米材料被不斷制備出來(lái)，并且廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。碳納米管具有良好的發(fā)光性能，而且毒性極低，具有良好的生物相容性，能夠制備成生物熒光探針用于癌細(xì)胞的成像[2]。氧化鐵磁性材料具有良好的超順磁性，能夠應(yīng)用于核磁共振成像的研究中，由于其能在生物體內(nèi)特異性的分布，該部位的腫瘤與正常組織的對(duì)比度能夠顯著提高。目前氧化鐵磁性材料可作為造影劑廣泛應(yīng)用于臨床的腫瘤及其他疾病的診斷[1]。另外，稀土離子摻雜的納米材料具有良好的光學(xué)性質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種顏色的可調(diào)發(fā)光，同時(shí)能夠避免生物體自身產(chǎn)生的熒光干擾，極大地提升光學(xué)成像效果。總之，在未來(lái)的生物成像領(lǐng)域，新型功能的納米材料將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

三、納米材料在醫(yī)學(xué)治療中的應(yīng)用

3.1納米載藥技術(shù)

納米載藥是指首先制備納米級(jí)的載體，荷載藥物后輸入人體，最終在人體內(nèi)控制釋放的技術(shù)。作為一種新型的給藥技術(shù)，納米載藥是多學(xué)科包括藥理學(xué)、化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)交叉研究發(fā)展的產(chǎn)物，其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有靶向性和緩釋性。靶向性可以使給藥更加精確，不僅可以在增加生物體局部藥物濃度的，而且同時(shí)可以控制其他部位的藥物濃度，減少對(duì)其他組織部位的副作用。緩釋可在保證藥效的前提下減少藥量，同時(shí)減少用藥頻率，進(jìn)而減輕藥物引起的不良反應(yīng)。對(duì)于某些難溶性藥物，納米藥物載體可有效減小藥物粒徑，從而增加其溶解度和溶出度，提高藥物的溶解性提高治療效果。另外，納米載體提供了封閉包覆環(huán)境，藥物能在到達(dá)作用部位之前盡量保持自身結(jié)構(gòu)的完整性，維持較高的生物活性。目前，能夠作為藥物載體的納米材料有介孔二氧化硅、納米多孔硅和碳納米管等，盡管短時(shí)間內(nèi)對(duì)生物體無(wú)毒性，但其在生物體內(nèi)的降解情況不理想。為了提高藥物載體的降解特性，人們開(kāi)始關(guān)注更易體內(nèi)分解的高分子納米材料，如聚合乳酸、乳酸-乙醇酸共聚物、聚丙烯酸酯類等，這些材料能在人體內(nèi)可水解，降解成無(wú)毒產(chǎn)物，是十分有發(fā)展前景的藥物載體。

3.2納米生物醫(yī)用材料和納米生物相容性器官

納米材料和生物組織在尺寸上存在著密切的聯(lián)系，如核酸指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成過(guò)程種形成的核糖核酸蛋白的尺寸就在15-20nm之間，影響人體健康的病毒尺寸也在納米的范圍之內(nèi)。納米材料和生物醫(yī)學(xué)的緊密結(jié)合，制備納米醫(yī)用復(fù)合材料及相容性器官，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)治療的研究中，如制備人造皮膚、血管以及組織工程支架等[3]。在人造骨中，納米鈦合金具有促進(jìn)骨細(xì)胞發(fā)育的功能，使骨細(xì)胞緊密貼壁生長(zhǎng)，同時(shí)加速材料和組織的融合。同時(shí)，納米級(jí)的羥基磷灰石或聚酰胺復(fù)合骨充填材料可以有效填補(bǔ)骨缺損，具有良好的生物相容性，并且能夠促進(jìn)骨細(xì)胞生長(zhǎng)。根據(jù)血液中的紅細(xì)胞具有運(yùn)載氧氣的功能，人們開(kāi)發(fā)出納米級(jí)的人造紅細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)了比普通紅細(xì)胞更高的氧氣運(yùn)載能力。如果人體心臟因意外而停止跳動(dòng)，可以立刻注入人工的納米紅細(xì)胞，提供更加充足的氧氣[4]。此外該技術(shù)在貧血癥和呼吸功能受損的治療中發(fā)揮著重要的作用。

四、納米材料的生物安全性問(wèn)題

隨著科技水平的不斷提升，納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，但是納米材料與人類接觸的過(guò)程中依然受到安全性問(wèn)題的困擾。某些納米材料可以穿透皮膚，透過(guò)細(xì)胞膜破壞正常細(xì)胞引發(fā)炎癥，造成免疫、生殖和腦部組織的損傷，如超小的TiO2納米顆粒能引起嚴(yán)重的呼吸道組織變化，導(dǎo)致上皮組織滲透性增加，引起多種炎癥。此外，許多物質(zhì)在普通條件下并無(wú)生物毒性，而在降低到納米尺寸下材料因難以通過(guò)正常代謝途徑排出體外表現(xiàn)出蓄積毒性，因此納米材料的生物安全性是亟需解決的問(wèn)題。目前已經(jīng)很多科研工作者積極致力于研究納米材料的安全性問(wèn)題，研究發(fā)現(xiàn)碳基納米材料（如碳納米管和石墨烯）會(huì)引起生物體內(nèi)細(xì)胞膜磷脂的破壞，造成結(jié)構(gòu)損傷破壞，引起細(xì)胞的功能異常；金屬氧化物（氧化鋅和二氧化鈦）易發(fā)生氧化還原反應(yīng)，因該過(guò)程會(huì)釋放電子，會(huì)產(chǎn)生一定的細(xì)胞毒性，而且其納米材料的尺寸越小，其比表面積越大活性越高，產(chǎn)生的電子所引起的毒性越強(qiáng)[5]。為了真正實(shí)現(xiàn)納米材料在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，人們采取了一系列策略降低納米材料的毒性，如對(duì)納米材料進(jìn)行表面修飾提高其生物相容性，降低材料的使用劑量和暴露時(shí)間，調(diào)整納米材料的反應(yīng)環(huán)境，以及開(kāi)發(fā)可降解的納米材料。但是大多數(shù)納米材料的毒性問(wèn)題依然沒(méi)有徹底解決，其生物安全問(wèn)題依然是限制納米材料臨床使用的重要因素。

五、結(jié)束語(yǔ)

納米技術(shù)作為一項(xiàng)新興的前沿技術(shù)，對(duì)生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。無(wú)論是在醫(yī)學(xué)診斷還是醫(yī)學(xué)治療方面，納米材料都有巨大的應(yīng)用和發(fā)展前景。納米材料為醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供可廣闊的創(chuàng)新空間，且已經(jīng)取得了顯著的研究成果，使醫(yī)學(xué)診斷更加精準(zhǔn)，治療更有效。納米技術(shù)也促進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，在將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，納米材料將對(duì)人類的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生巨大的影響，并會(huì)解決目前人類難以治愈的健康問(wèn)題。但納米技術(shù)的發(fā)展尚未成熟，人們?nèi)狈?duì)納米材料生產(chǎn)和使用過(guò)程的認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)其生物安全性問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不夠全面，這依然是今后臨床應(yīng)用的重要限制因素。因此，探究并解決納米材料的生物安全性問(wèn)題刻不容緩。

參考文獻(xiàn)

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作者：曹辰陽(yáng) 單位：南京東山外國(guó)語(yǔ)學(xué)校