生物醫(yī)學中納米材料的作用

生物醫(yī)學中納米材料的作用

1用于生物醫(yī)學的納米材料

1·1細胞分離用納米材料

病毒尺寸一般約80~100nm,細菌為數(shù)百納米,而細胞則更大,因此利用納米復合粒子性能穩(wěn)定、不與膠體溶液反應且易實現(xiàn)與細胞分離等特點,可將納米粒子應用于診療中進行細胞分離。該方法同傳統(tǒng)方法相比,具有操作簡便、費用低、快速、安全等特點。美國科學家用納米粒子已成功地將孕婦血樣中微量的胎兒細胞分離出來,從而簡便、準確地判斷出胎兒細胞中是否帶有遺傳缺陷。

1·2納米材料用于細胞內(nèi)部染色

利用不同抗體對細胞內(nèi)各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和力的顯著差異,選擇抗體種類,將納米金粒子與預先精制的抗體或單克隆抗體混合,制備成多種納米金/抗體復合物。借助復合粒子分別與細胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復合物,在白光或單色光照射下呈現(xiàn)某種特征顏色,從而給各種組合“貼上”了不同顏色的標簽,因而為提高細胞內(nèi)組織的分辨率提供了一種急需的染色技術(shù)。

1·3納米藥物控釋材料

納米粒子不但具有能穿過組織間隙并被細胞吸收、可通過人體最小的毛細血管、甚至可通過血腦屏障等特性,而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實現(xiàn)口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑等許多優(yōu)點,因而使其在藥物輸送方面具有廣闊的應用前景。德國科學家將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包覆,在水中溶解后注入腫瘤部位,使癌細胞和磁性納米粒子濃縮在一起,通電加熱至47℃,可有效殺死腫瘤細胞而周圍正常組織不受影響;挪威工科大學的研究人員,利用納米磁性粒子成功地進行了人體骨骼液中腫瘤細胞的分離,由此來進行冶療;SharmaP等[1]用聚乙烯吡咯烷酮包覆紫松醇制得的納米粒子抗癌新藥,體內(nèi)實驗以荷瘤小鼠腫瘤體積的縮小程度和延長存活時間來評價藥效,其療效較同濃度游離紫松醇明顯增加;Damage等[2]用聚氰基丙烯酸己酯包覆胰島素制得的納米膠囊,給禁食的糖尿病鼠灌胃,2天后使血糖水平降低50%~60%,按每千克體重50單位胰島素以納米膠囊給藥,降血糖作用可維持20天,而同樣條件下,口服游離胰島素卻不能降低血糖水平。

1·4納米抗菌材料及創(chuàng)傷敷料

按抗菌機理,納米抗菌材料分為三類:一類是Ag+系抗菌材料,其利用Ag+可使細胞膜上的蛋白失活,從而殺死細菌。在該類材料中加入鈦系納米材料和引入Zn2+、Cu+等可有效地提高其的綜合性能;第二類是ZnO、TiO2等光觸媒型納米抗菌材料,利用該類材料的光催化作用,與H2O或OH-反應生成一種具有強氧化性的羥基以殺死病菌;第三類是C-18A°納米蒙脫土等無機材料,因其內(nèi)部有特殊的結(jié)構(gòu)而帶有不飽和的負電荷,從而具有強烈的陽離子交換能力,對病菌、細菌有強的吸附固定作用,從而起到抗菌作用。

由于納米銀粒子的表面效應,其抗菌能力是相應微米銀粒子的200倍以上,因而添加納米銀粒子制成的醫(yī)用敷粒對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠濃桿菌等臨床常見的40余種外科感染細菌有較好抑制作用。深圳安信納米生物科技有限公司已開發(fā)出粒徑約25nm的銀抗菌顆粒,其具有廣譜、親水、無抗藥性,對大腸桿菌等致病微生物有強烈的殺滅作用。由其進一步研發(fā)出的納米創(chuàng)口貼,其外觀、價格都與普通創(chuàng)口貼相近,具有護創(chuàng)作用,還具有超強活性,能激活細胞、修復病變組織、加速傷口恢復的作用;相應方法還制備了納米材料抗菌潰瘍貼。此外,青島化工學院等已開發(fā)出具有抗菌功能的多種紡織品;南京?？萍瘓F用納米銀粒子同棉織品復合,制成了廣譜抗菌的新型醫(yī)用棉。

1·5納米顆粒中藥及保健品

微米級中藥有50%以上不溶于水,而納米級中藥粒子則可溶于水,從而有效提高藥物利用率。利用納米技術(shù)將中藥材制成極易被人體吸收的納米粒子口服膠囊、口服液或膏藥,不但克服了中藥在煎熬中有效成份損失及口感上的不足,而且可使有效成份吸收率大幅度提高。將制成的納米中藥膏直接貼于患處,納米粒子很易經(jīng)皮膚直接被吸收。研發(fā)納米中藥產(chǎn)品是促進中藥走向世界、提高產(chǎn)品附加值、實現(xiàn)傳統(tǒng)中藥產(chǎn)業(yè)升級的發(fā)展方向之一。用納米技術(shù)將不易被人體吸收或毒性較大的藥物或保健品制成納米膠囊或納米粒子懸浮液,則可制得具有極高效/費比的納米保健品。如微量元素硒具有防癌、護肝、免疫調(diào)節(jié)等作用。中國科技大學率先用納米硒開發(fā)出“硒旺膠囊”,生物試驗證明,其急性毒性是無機硒的1/7,是有機硒的1/3,其清除羥基自由基活性是無機硒的5倍,清除過氧陰離子和過氧化氫的活性也大幅度提高,使其在免疫調(diào)節(jié)和抑制腫瘤方面的靈敏性顯著提高,納米硒的安全性和生物活性使硒的保健功能可以更充分地發(fā)揮出來。

1·6納米醫(yī)用陶瓷

納米陶瓷在人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒以及牙種植體、耳聽骨修復體等人工器官制造及臨床應用領域有廣闊的應用前景。四川大學李玉寶教授等[3~4]用硝酸鈣、磷酸銨為原料,二甲基甲酰胺為分散劑,在常壓下制備出晶體結(jié)構(gòu)類似于人骨組織的納米級羥基磷灰石針狀晶體,可用作人骨組織修復材料;Luo等[5]用TEOS在氫氟酸催化下,經(jīng)溶膠/凝膠法制得納米孔結(jié)構(gòu)的SiO2,再用TEGDMA經(jīng)光引發(fā)原位聚合制得SiO2/PTEGDMA納米復合材料,其比傳統(tǒng)的牙科用復合材料具有更優(yōu)異的耐磨性及韌性。通常方法制備的羥基磷灰石人工骨植入物,其強度和韌性都較低,不能滿足應用要求。國外已制備出含有ZrO2的納米羥基磷灰石復合材料,其硬度、韌性等綜合性能可達到甚至超過致密骨骼相應性能。通過調(diào)節(jié)ZrO2含量,可使該納米復合人工骨材料具有優(yōu)良的生物相容性[6]。美國Arizona材料實驗室和Princeton大學的研究人員用聚二甲基丙烯酸酯、聚偏氟乙烯和鈦鹽作原料,應用溶膠/凝膠工藝合成的納米TiO2/聚合物復合材料,用其作人工骨,其強度和韌性等力學性能與人體骨相當。

1·7生物活性材料

自Hench[7]首先報道某些組成的玻璃具有生物活性以來,國內(nèi)外對生物玻璃的研制十分活躍,但生物玻璃較脆、不能滿足人工骨材料的使用要求。隨著納米技術(shù)發(fā)展,生物活性雜化材料在保持柔韌性的同時,彈性模量已接近硅酸硼玻璃,而且便于加入活性物質(zhì),因此是一種開發(fā)生物材料的理想途徑。Jones等[8]用TEOS、甲基丙烯酰胺在偶氮類引發(fā)劑作用下,加入氯化鈉制備出含鈣鹽的納米SiO2/聚合物復合材料,將其在人體液中放置1周后,可以觀察到其表面有羥基磷灰石層形成,因而具有較好的生物活性,OKelly等[9]總結(jié)了借助仿生過程制備具有生物活性的納米復合材料的思路和研究成果。應用溶膠/凝膠技術(shù)制備納米復合材料,同時在體系中引入胺基、醛基、羥基等有機官能團,使材料表面具有反應活性,可望在生化物質(zhì)固定膜材料、生物膜反應器等方面獲得較大應用。

Schtelzer等[10]較早研究了在凝膠玻璃中固定胰蛋白酶的特性;Cho等[11]開發(fā)了有機—無機納米復合材料固定α-淀粉酶,其穩(wěn)定性超過1個月,可望用于研制生物膜反應器。含鈦硅的納米復合材料具有優(yōu)良的透光率、氧氣透過率和吸濕性,是理想的隱形眼鏡材料。Schmidt等[12,13]在環(huán)硅氧烷、TEOS、異丙醇鈦、甲基丙烯基硅烷、丙烯酸甲酯體系中,加入稀酸,使其在酸性條件下水解/聚合,得到隱形眼鏡材料。該材料具有良好的透氧性、潤濕性及較高的強度,良好的彈性和柔韌性,其透明度和折光率等均滿足隱性眼鏡的性能要求。我國浙江大學及華南理工大學等單位也開展了類似研究并已取得良好進展[14]。聚氨酯材料是重要的生物醫(yī)學材料,因其良好的生物相容性和優(yōu)異的力學性能常用來制作血管移植物、介入導管、心臟輔助循環(huán)體系及人工心臟等。許海燕等[15]用聚醚型聚氨酯與納米碳經(jīng)溶膠/凝膠法制得的納米碳/聚氨酯復合材料,具有較好的微相分離結(jié)構(gòu),改善了材料表面的血溶相容性;Huang等[16]用帶羥基的線性聚氨酯與TEOS作用,調(diào)節(jié)二者配比,可得到從柔韌的彈性體到堅硬的塑料等不同性能的納米復合材料,以滿足不同使用要求;Xu等[17]用聚氨酯和有機蒙脫土經(jīng)溶液插層、溶膠/凝膠制得的納米復合材料,在改善聚氨酯材料力學性能的同時,顯著地降低了水蒸氣及空氣的透過率,更好地滿足全人工心臟等植入人工器官的應用要求。

用溶膠/凝膠法制備的納米微孔SiO2玻璃,可用作微孔反應器、功能性分子吸附劑、生物酶催化劑及藥物控釋體系的載體等[18];利用聚二甲基硅氧烷/納米SiO2復合材料無毒及優(yōu)良的生物相容性,通過調(diào)節(jié)PDMS含量控制其硬度和彈性,可用作生物活性材料;用納米粒子直接分散法制得的表面帶有胺基或羥基的SiO2/聚吡咯納米復合材料,可用作凝集免疫測定中高顯色的“標記器”微粒;利用聚吡咯的良好導電性,其納米復合材料在組織工程及神經(jīng)修復等領域具良好應用前景[19,20]。

2展望

美國伯明翰大學的菲力普教授指出:“納米技術(shù)最終目的還在于生活本身”。全世界的許多科學家已經(jīng)把目光轉(zhuǎn)向納米技術(shù)在人們生活中的應用,尤其是旨在提高人們生活質(zhì)量的生物醫(yī)學領域中的應用研究。美國科學家利貝認為:利用納米粒子進行細胞分離的技術(shù),很可能簡易地實現(xiàn)腫瘤等癌癥的早期診斷。結(jié)合納米靶向藥物定向治療技術(shù)的發(fā)展,人類徹底戰(zhàn)勝癌癥已為時不遠!另有專家預測:隨著納米藥物控釋技術(shù)的發(fā)展,可望用數(shù)層納米粒子包裹智能藥物輸送到病患部位,并可根