纳米材料的研究进展及其在生物医学中的应用

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基础医学与临床
Basic MedicaI Sciences and CIinics
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专题综述： 纳米技术与生物医学 （ nanoteclnoIogy and biomedicine）
纳米技术（ nanoteclooIogy）是指对量度范围在 0.1 ~ 100 纳米（ nm）内的物质进行材料、 设计、制造、测量和控制的技术。其最终目标是按照人类的意志直接操纵单个原子、分子或 原子团（小于 10nm） 、分子团，制造具有特定功能的产品。迄今为止，纳米技术已出现了包 括纳米材料学、纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米显微学等高新技术群，成为世 界科技发展的热点。纳米技术在医学领域中的特点是“利用分子器具和对人体分子的知识， 进行诊断、治疗和预防疾病与创伤，减轻疼痛，促进和保持健康的科学和技术” 。在此基础 上，人们对未来医学中的纳米技术提出了某些设想，即随着纳米技术在医学领域中的应用， 临床医疗将变得节奏快、效率高，诊断、检查更准确，治疗更有效。本期综述从三个方面论 述了纳米技术在生物医学领域中的具体应用。 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
［9］ 等许多领域有着广阔的应用前景 。
陶瓷是一种多晶材料， 它是由晶粒和晶界所组 成的烧结体。由于工艺上的原因， 很难避免材料中 存在气孔和微小裂纹。决定陶瓷性能的主要因素是 组成和显微结构， 即晶粒、 晶界、 气孔或裂纹的组合 性状， 其中最主要的是晶粒尺寸问题， 晶粒尺寸的减 小将对材料的力学性能产生很大影响， 使材料的强 度、 韧性和超塑性大大提高。 常规陶瓷由于气孔、 缺陷的影响， 存在着低温脆 性的缺点， 它的弹性模量远高于人骨， 力学相容性欠 佳， 容易发生断裂破坏， 强度和韧性都还不能满足临 床上的高要求， 使它的应用受到一定的限制。例如 普通陶瓷只有在 1 000C 以上， 应变速率小于 10 / S 时， 才会发生塑性变形。而纳米陶瓷由于晶粒很小，
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碳是组成有机物质的主要元素之一， 更是构成 人体的重要元素， 很早以前人们就发现碳与人体的 生物相容性十分优异。自从 1963 年 Gott 在研究人 工血管过程中发现碳具有极好的抗血栓性以来， 碳 材料已在人工心脏瓣膜、 人工齿根、 人工骨与人工关 节、 人工血管、 人工韧带和肌腱等诸多方面获得应 用。 纳米碳纤维除了具有微米级碳纤维的低密度、 高比模量、 比强度、 高导电性之外， 还具有缺陷数量 极少、 比表面积大、 结构致密等特点， 这些超常特性 和良好的生物相容性， 使它在医学领域中有广泛的 应用前景， 包括使人工器官、 人工骨、 人工齿、 人工肌 腱在强度、 硬度、 韧性等多方面的性能显著提高； 此 外， 利用纳米碳材料的高效吸附特性， 还可以将它用 于血液的净化系统， 清除某些特定的病毒或成份。 现
［16， 17］ 面 。
。
类金刚石碳 （简称 DLC） 是一种具有大量金刚石 结构碳-碳键的碳氢聚合物， 可以通过等离子体或离 子束技术沉积在物体的表面形成薄膜。经过一定修 饰所形成的类金刚石涂层具有纳米结构， 表现出优 秀的生物相容性， 尤其是它的血液相容性， 更引起人 们的关注。材料表面的血液相容性是生物材料领域 中的一个难点问题， 所有的合成材料与血液接触时， 都会引起不同程度的凝血。研究发现
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（2） 20开发正在 兴起并已形成趋势， 纳米材料在生物医学领域中的 应用是近些年刚刚开始的， 并且发展迅速。随着人 们对纳米材料所具有的独特性能的深入认识和开 发， 预期纳米材料在医学领域中的应用将会有更快、 更大的发展。
［10］
使材料中的内在气孔或缺陷尺寸大大减少， 材料不 易造成穿晶断裂， 有利于提高材料的断裂韧性； 而晶 粒的细化又同时使晶界数量大大增加， 有助于晶粒 间的滑移， 使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。许多 纳米陶瓷在室温下或较低温度下就可以发生塑性变 形。例如： 纳米 TiO（ 陶瓷和 CaF2 陶瓷在 180C 2 8nm） 下， 在外力作用下呈正弦形塑性弯曲。即使是带裂 纹的 TiO2 纳米陶瓷也能经受一定程度的弯曲而裂 纹不扩散。但在同样条件下， 粗晶材料则呈现脆性 断裂。纳米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。 传统的氧化物陶瓷是一类重要的生物医学材 料， 在临床上已有多方面应用， 主要用于制造人工 骨、 人工足关节、 肘关节、 肩关节、 骨螺钉、 人工齿， 以
Nature 杂 志 于 1991 年 报 道 了 纳 米 碳 管 的 发 。从此， 纳米碳管就以它独特的导电、 机械及
半导体性能而成为引人注目的新材料。纳米碳管的 强度大概是钢的 100 倍， 同时还具有理想的弹性和 很高的硬度， 这种理想的力学性能使纳米碳管具有
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基础医学与临床
关键词： 纳米结构；生物材料；生物医学工程
中图分类号： R319 文献标识码： A
纳米材料是结构单元尺寸小于 100nm 的晶体或 非晶体。所有的纳米材料都具有三个共同的结构特 点： （1） 纳米尺度的结构单元或特征维度尺寸在纳米 数量级 （1 ~ 100nm） ， （ 2） 有大量的界面或自由表面， （3） 各纳米单元之间存在着或强或弱的相互作用。 由于这种结构上的特殊性， 使纳米材料具有一些独 特的效应， 包括小尺寸效应和表面或界面效应等， 因 而在性能上与具有相同组成的传统概念上的微米材 料有非常显著的差异， 表现出许多优异的性能和全 新的功能， 已在许多领域展示出广阔的应用前景， 引 起了世界各国科技界和产业界的广泛关注。
文章编号：1001-6325 （ 2002 ） 02-0097-06
纳米材料的研究进展及其在生物医学中的应用
许海燕，孔 桦
（中国医学科学院 中国协和医科大学 基础医学研究所，北京 100005）
摘要： 纳米材料和纳米技术是八十年代以来兴起的一个崭新的领域， 随着研究的深入和技术的发展， 纳米材料开
始与许多学科相互交叉、 渗透， 显示出巨大的潜在应用价值， 并且已经在一些领域获得了初步的应用。本文主要介 绍了纳米材料的一些基本概念和特性， 并对纳米陶瓷材料、 纳米碳材料、 纳米高分子材料、 微乳液以及纳米复合材 料等在生物医学领域中的研究进展和应用做了综述。
， 与其
它材料相比， 类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附 程度降低， 对白蛋白的吸附增强， 血小板的粘附数量 显著下降， 抗凝血性能增强， 血管内膜增生减少。因 此， 类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要 的应用价值， 例如提高机械心瓣表面及心室辅助循 环血泵表面的抗凝血性能、 开发具有优异抗凝血性 能的小口径人工血管 （直径小于 6mm） 以及其它各种 与血液直接接触的人工器官和诊疗器械等等。此 外， 有人预测， 未来的医用纳米机器人的外表面可能 也会由类金刚石碳薄膜构成。 纳米碳材料是目前碳领域中崭新的高功能、 高 性能材料， 也是一个新的研究生长点。对它的应用 开发正处于起步阶段， 在生物医学领域中， 纳米碳材 料有重要的应用潜能。
收稿日期： 2002 - 01 - 09
“纳米材料” 的概念是 80 年代初形成的。 1984 ［1］ 年 GIeiter 首次用惰性气体蒸发原位加热法制备成 功具有清洁表面的纳米块材料并对其各种物性进行 了系统研究。1987 年美国和西德同时报道， 成功制 ［2］ 备了具有清洁界面的陶瓷二氧化钛 。从那时以 来， 用各种方法所制备的人工纳米材料已多达数百 种。人们正广泛地探索新型纳米材料， 系统研究纳 米材料的性能、 微观结构、 谱学特征及应用前景， 取 得了大量具有理论意义和重要应用价值的结果。纳 米材料已成为材料科学和凝聚态物理领域中的热 点， 是当前国际上的前沿研究课题之一。
! 纳米陶瓷材料
纳米陶瓷是八十年代中期发展起来的先进材 料， 是由纳米级水平显微结构组成的新型陶瓷材料， 它的晶粒尺寸、 晶界宽度、 第二相分布、 气孔尺寸、 缺 陷尺寸等都只限于 100nm 量级的水平。纳米微粒所 具有的小尺寸效应、 表面与界面效应使纳米陶瓷呈 现出与传统陶瓷显著不同的独特性能。纳米陶瓷已 成为当前材料科学、 凝聚态物理研究的前沿热点领
［11］
原子的晶场环境和结合能与内部原子不同， 因缺少 相邻原子而呈现不饱和状态， 具有很大的活性， 它的 表面能大大增加， 易与其它原子相结合而稳定下来。 体积效应是由于超微粒包含的原子数减少而使带电 能级间歇加大， 物质的一些物理性质因为能级间歇 的不连续而发生异常。这两种效应具体反映在纳米 高分子材料上， 表现为比表面积激增， 粒子上的官能 团密度和选择性吸附能力变大， 达到吸附平衡的时 间大大缩短， 粒子的胶体稳定性显著提高。这些特 性为它们在生物医学领域中的应用创造了有利条 件。目前， 纳米高分子材料的应用已涉及免疫分析、 药 物 控 制 释 放 载 体、 及介入性诊疗等许多方
及牙种植体、 耳听骨修复体等等。此外还用作负重 的骨杆、 锥体人工骨、 修补移植海绵骨的充填材料、 不受负重影响的人工海绵骨及兼有移植骨作用的髓 内固定材料等。纳米陶瓷的问世， 将使陶瓷材料在 强度、 硬度、 韧性和超塑性上都得到提高， 因此， 在人 工器官制造、 临床应用等方面纳米陶瓷材料将比传 统陶瓷有更广泛的应用并具有极大的发展前景。
［12 ~ 15］
免疫分析作为一种常规的分析方法， 在蛋白质、 抗原、 抗体乃至整个细胞的定量分析上发挥着巨大 的作用。在特定的载体上， 以共价结合的方式固定 对应于分析对象的免疫亲和分子标识物， 将含有分 析对象的溶液与载体温育， 通过显微技术检测自由 载体量， 就可以精确地对分析对象进行定量分析。 在免疫分析中， 载体材料的选择十分关键。纳米聚 合物粒子， 尤其是某些具有亲水性表面的粒子， 对非 特异性蛋白的吸附量很小， 因此已被广泛地作为新 型的标记物载体来使用。 在药物控制释放方面， 纳米聚合物粒子有重要 的应用价值。许多研究结果已经证实， 某些药物只 有在特定部位才能发挥其药效， 同时它又易被消化 液中的某些生物大分子所分解， 因此， 口服这类药物 的药效并不理想。于是人们用某些生物可降解的高 分子材料对药物进行保护并控制药物的释放速度， 这些高分子材料通常以微球或微囊的形式存在。药 物经过载体运送后， 药效损伤很小， 而且还可以有效 控制释放， 延长了药物的作用时间。作为药物载体 高分子材料主要有聚乳酸、 乳酸 - 乙醇酸共聚物、 聚 丙烯酸酯类等。据报道， 纳米高分子材料作为载体， 与各类药物之间， 无论是亲水性的、 疏水性的药物或 者是生物大分子制剂， 都有良好的相容性， 因此能够 负载或包覆多种药物， 同时可以更有效地控制药物 的释放速度。 纳米高分子粒子还可以用于某些疑难病的介入 性诊 断 和 治 疗。纳 米 粒 子 的 直 径 比 红 血 球 （6 ~ 小得多， 可以在血液中自由运动， 因此可以注 9 m） ! 入各种对机体无害的纳米粒子到人体的各部位， 检