纳米材料在生物医学方面的应用.pdf
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1、纳米材料在生物医学方面的应用 摘要:纳米材料和纳米技术是一门新兴的学科领域,在最近几年得到了科学界的重视,其在各个领域的应用都越来越广泛。由于纳米材料的特殊的尺寸效应,纳米颗粒、纳米管以及各种纳米技术在生物医学方面的应用正蓬勃发展,势头十足。目前应用于生物医学中的纳米材料的主要类型有纳米碳材料、纳米高分子材料、纳米复合材料等,纳米材料在生物医学的许多方面都有广泛的应用前景。关键词:纳米材料,生物医学,应用 一、纳米生物材料的概述 纳米生物材料是指用于对生物材料进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术纳米材料。纳米生物材料可以分为两类:一种是适合于生物体内应用的纳米材料
2、,它本身既可以是具有生物活性的,也可以是不具有生物活性的,而仅仅易于被生物体所接受,且不引起不良反应;另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料,它们可能不再被用于生物体,而被用于其他纳米技术或微制造。纳米材料分为两个层次:纳米微粒和纳米固体。如今,人们已经能够直接利用原子、分子进行生产、制备出仅包含几十个到几百万个原子的单个粒径为1100纳米的纳米微粒,并把它们作为基本构成单元,适当排列成三维的纳米固体。纳米材料由于其结构的特殊性,表现出许多不同于传统材料的物理、化学性能。在自然界,天然纳米生物材料早就存在,自然界的蛋白质就有许多纳米微孔;人类及兽类的牙齿也是由纳米级有机物质所构成。在医
3、学领域中,纳米材料也已经得到成功的应用,最引人注目的是作为药物载体,或制作人体生物医学材料,如人工肾脏、人工关节等。国外用纳米陶瓷微粒作载体的病毒诱导物也取得成功。由于纳米微粒比红细胞还要小很多,因此,可以在血液中自由运行,从而在疾病的诊断和治疗中发挥独特的作用。二、纳米生物医学材料的分类 按照材料科学的分类方法,纳米生物医学材料可以分为纳米金属生物材料、纳米无机非金属生物材料、纳米高分子生物材料、纳米复合生物材料。但是按照其在生物医学领域的应用则可分为:细胞分离用纳米材料、细胞内部染色用纳米材料、抗菌及创伤敷料用纳米材料、组织工程中的纳米生物材料、生物活性材料等。1.细胞分离用纳米材料 病毒
4、尺寸一般约80100nm,细菌为数百纳米,而细胞则更大,因此利用纳米复合粒子性能稳定、不与胶体溶液反应且易实现与细胞分离等特点,可将纳米粒子应用于诊疗中进行细胞分离。该方法同传统方法相比,具有操作简便、费用低、快速、安全等特点。美国科学家用纳米粒子已成功地将孕妇血样中微量的胎儿细胞分离出来,从而简便、准确地判断出胎儿细胞中是否带有遗传缺陷。2.细胞内部染色用纳米材料 利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏感程度和亲和力的显著差异,选择抗体种类,将纳米金粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合,制备成多种纳米金/抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物,在白光或单
5、色光照射下呈现某种特征颜色(如10nm 的金粒子在光学显微镜下呈红色),从而给各种组合“贴上”了不同颜色的标签,因而为提高细胞内组织的分辨率提供了一种急需的染色技术。3.抗菌及创伤敷料用纳米材料 按抗菌机理,纳米抗菌材料分为三类:一类是Ag+系抗菌材料,其利用Ag+可使细胞膜上的蛋白失活,从而杀死细菌。在该类材料中加入钛系纳米材料和引入Zn2+、Cu+等可有效地提高其的综合性能;第二类是ZnO、TiO2 等光触媒型纳米抗菌材料,利用该类材料的光催化作用,与H2O 或OH-反应生成一种具有强氧化性的羟基以杀死病菌;第三类是C-18A纳米蒙脱土等无机材料,因其内部有特殊的结构而带有不饱和的负电荷,
6、从而具有强烈的阳离子交换能力,对病菌、细菌有强的吸附固定作用,从而起到抗菌作用。4.组织工程中的纳米生物材料 材料支架在组织工程中起重要作用,因为贴壁依赖型细胞只有在材料上贴附后,才能生长和分化。模仿天然的细胞外基质2 胶原的结构,制成的含纳米纤维的生物可降解材料已开始应用于组织工程的体外及动物实验,并将具有良好的应用前景。国内清华大学研究开发的纳米级羟基磷灰石/胶原复合物在组成上模仿了天然骨基质中无机和有机成分,其纳米级的微结构类似于天然骨基质。体外及动物实验表明,此种羟基磷灰石/胶原复合物是良好的骨修复纳米生物材料。5.生物活性材料 随着纳米技术的发展,生物活性杂化材料在保持柔韧性的同时,
7、弹性模量已接近硅酸硼玻璃,而且便于加入活性物质,因此是一种开发生物材料的理想途径。JonesSM 等用TEOS(正硅酸乙酯)、甲基丙烯酰胺在偶氮类引发剂作用下,加入氯化钠制备出含钙盐的纳米SiO2 聚合物复合材料,将其在人体液中放置1 周后,可以观察到其表面有羟基磷灰石层形成,因而具有较好的生物活性。应用溶胶/凝胶技术制备纳米复合材料,同时在体系中引入胺基、醛基、羟基等有机官能团,使材料表面具有反应活性,可望在生化物质固定膜材料、生物膜反应器等方面获得较大应用。三、纳米生物医学材料的研究方向 目前生物医用材料研究的重点是在保证安全性的前提下寻找组织相容性更好、可降解、耐腐蚀、持久、多用途的生物
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