[科普中国]-生物医用纳米材料

**生物医用纳米材料（**Nano-biomedical Material ）是指具有纳米效应的生物医用材料。

纳米技术纳米技术是指在0.1~100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子运动规律的特性以及对物质和材料进行处理的技术。纳米材料与生物体在尺寸上有着密切的关系。例如，构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体的线度在15-20nm之间，生物体内各种病毒的尺寸也在纳米尺度范围。纳米生物医用材料就是纳米材料与生物医用材料的交叉，将纳米微粒与其他材料相复合制成各种各样的复合材料。随着研究的进一步深入和技术的发展，纳米材料开始与许多学科相互渗透，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。在过去几年中，生物纳米材料的理论与实验研究已成为人们关注的焦点，特别是核酸与蛋白质的生化、生物物理、生物力学、热力学与电磁学特征及其智能复合材料已成为生命科学与材料科学的交叉前沿。

纳米材料的基本效应表面效应是指微粉的粒径越小，其总表面积越大；表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大。如当粒径为10nm(总原子数为3×10)时，表面原子数/总原子数=0.20；而当粒度减小到lnm(总原子数为30)时，这一比值急剧上升到0.991表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同，具有很大的活性；晶粒的微粒化随着这种活性的表面原子增多，使其表面能也大大增加。体积效应主要表现在两个方面：一是物质体积的缩小虽不会引起物质物性基本参量的变化，但会使那些与体积有关的物性发生变化，如磁体的磁畴变小，半导体中电子的自由路程变短，等等；二是物质一般具有由无限个原子组成的物质属性，而纳米粒子则表现出有限个原子集合体的特性。晶体周期性的边界条件遭破坏，颗粒表面层附近原子密度减小，从而导致声、光、电磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。主要表现为四大特点：尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。可以分为特殊的光学性质，热学性质，磁学性质，力学性质，电学性质等。

纳米材料的毒性随着纳米科技的迅速发展，纳米材料的应用越来越广泛，人类及动植物与纳米材料的接触已经不可避免。纳米粒子尺寸小、比表面积大、表面态丰富、化学活性高，具有许多块体及普通粉末所没有的特殊性质，许多在普通条件没有生物毒性的物质，在纳米尺寸下却表现出很强的生物毒性。因此纳米材料的安全性研究备受各国政府和科学家们的关注。然而尽管纳米材料的种类和应用范围都在迅速增加，人们对纳米材料的生物安全性的深入研究却还显得十分缺乏。现在国内外很多课题组研究了包括富勒烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、金、氧化铁、氧化铝、氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、硫化锌、硒化锌等在内的多种典型的碳基纳米材料、金属及其氧化物纳米材料和半导体（绝缘体）纳米材料的生物安全性。从纳米生物安全性研究所涉及的纳米粒子种类来看，常见的重要纳米材料多数都有涉及。纳米粒子生物毒性的表现方式主要有组织器官形态和功能的改变、生长发育迟缓、细胞形态改变、染色体损伤、细胞分裂异常、细胞死亡（凋亡）等。从已有的研究来看，纳米粒子的毒性与其尺寸、形貌、表面修饰、浓度、制备方法及作用时间等均有密切关系，一般而言纳米粒子的尺寸越小、浓度越高、作用时间越长，则其毒性也越大。纳米粒子的生物毒性也与细胞类型有关，同一种纳米粒子对不同细胞的毒性强弱也不相同，此外还与生物或细胞染毒途径和方式有关。纳米粒子生物毒性的机理目前还不十分清楚，氧化损伤是纳米材料引起毒性的可能途径，细胞凋亡可能依赖线粒体途径。在纳米材料的生物安全性评价方面，目前还缺乏完善的评价方法及相应的指标体系。目前纳米材料的生物安全性研究总体来说还处于起步阶段，大部分工作主要集中在现象观察和资料收集方面，对纳米材料生物毒性的机理的深入研究还亟待加强。特别是对那些在生物调控、疾病诊断与治疗、生物标记等领域有重要应用前景的纳米材料，要想使其真正进入实用领域，就必须对其生物安全性进行全面深入的研究和评价，而这方面的工作尤其显得薄弱。

常用的纳米生物材料细胞分离用纳米材料病毒尺寸一般约80～100nm，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。

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。

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Zn 、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，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。

用于组织工程中的纳米生物材料支架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型胶原的结构，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。

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，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。

纳米生物材料的研究进展随着科学技术的发展，材料学和生物医学结合越来越紧密，纳米材料在生物应用上已取得了很大的成就，并展现出良好的发展势头和巨大的发展潜力。在21 世纪纳米材料在生物医学方面发展应该加强和有巨大应用潜力，将成为今后一段时间研究热点的有：

生物医学检测诊断用材料：不可否认，现在纳米材料在生物检测诊断上已发生相当大的发展和应用，各种纳米材料已经在实践中的应用取得了良好的效果。但在各种医学检测中对各种各样的功能性纳米材料的要求还比较高。比如生物医学工程和医疗设备器材两者之间相辅相成，生物医学工程是基础，它的课题研究的深人会催生新的医疗设备器材出现，同时对临床医疗设备器材的需求信息会产生新的研究方向，纳米功能材料在这个方面将大有前途。又如分析与检测技术的进一步优化，势必要求具有更先进性能纳米材料的出现。

药物治疗上使用的材料：药物控释纳米材料将继续成为纳米医用材料研究发展的重点。纳米粒子不但具有能穿过组织间隙并被细胞吸收等特性，而且还具有靶向、缓释、高效、低毒且可实现口服、静脉注射及敷贴等多种给药途径等优点，因而在药物输送方面具有广阔的应用前景。

功能性生物材料：各种有着特定功能的材料将越来越多地应用到生物医学上去。未来几年生物材料中纳米陶瓷将在人造骨骼中发挥主导作用，有着各种特性的无机——有机复合纳米材料也必将在介入治疗、血液净化方面大展身手。

生物安全性纳米材料：目前在一些国家生物纳米材料的安全性研究已经被提上日程，但很多研究还不深入，取得效果也不明显。在全球瞩目安全问题的同时，纳米材料安全性研究必将成为下一热点。生物降解绿色材料将是未来药物的首选。关于生物技术的风险，目前确实还有很多问题没有搞清楚，有待于继续研究。

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奚廷斐 - 研究员 - 北京大学前沿交叉学科研究院