納米材料在生物醫學中的運用

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【摘要】近些年來納米材料在生物成像、癌癥早期診斷和藥物運載等領域的應用越來越廣泛，為醫學診斷和治療提供了有力的物質基礎和技術支持。但納米材料在生物醫學上的應用存在一些安全性問題，因此亟需開發消除納米材料生物毒性的方法以減少對生物體和生態環境的破壞。本文將對納米材料在生物醫學的診斷和治療上的應用以及其安全性問題展開討論。

【關鍵詞】納米材料生物醫學生物安全性

一、引言

納米材料主要是指結構單元在納米尺寸范圍(1~100nm)內的一類材料，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，化學性質十分活潑，因此納米材料通常具有特異的性能。納米材料的發現始于20世紀80年代初期，隨后人們逐步發現其在光學、磁學、電學和力學方面具有比普通材料更加優越的特性，進而得到了多個領域的關注并逐漸發展起來，廣泛應用于生物醫學、環境、航空航天和石油鉆探等領域的研究。尤其是在生物醫學方面，基于納米技術的藥物和傳感器已經應用到實際的醫學應用中，而且能夠得到是理想的治療和診斷結果。通過從納米尺度進行精確地制備納米材料，人們打開了更小的微觀世界，特別是生物體細胞層面上的化學反應都發生在納米的度，納米材料的使用能有效地檢測或調控微觀的生理和病理過程。納米材料發展對醫學診斷和醫學治療具有重大意義，已經成為醫學界關注的熱點和前沿，具有廣泛的應用前景和產業化發展空間[1]。

二、納米材料在醫學診斷中的應用

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裝置，主要根據將檢測到的信息按一定規律變換為電信號或以其他的形式輸出，使人們能定量定性地分析檢測物質。生物傳感器的研發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范圍。同時以納米材料制備的新型傳感器具有穩定性好，成本低，生物相容性好等優點，在醫學的臨床診斷方面得到了高度重視，特別是作為一項新興的前沿技術，納米生物傳感器的研發能夠進行早期癌癥的診斷。納米傳感器可以利用高靈敏度的特點，在血液中可通過微小的電流變化反映出癌細胞的種類和濃度。這種對癌細胞進行的精確分析，有望實現特殊疾病的無創、快速診斷，今后人們只需將納米材料注入人體內，便能在短時間內完成確診。

2.2納米生物成像技術

在臨床診斷中，通過對生物體內的細胞或特定組織進行直觀的圖像分析，能夠迅速高效且準確地獲得生理和病理信息。隨著納米技術的飛速發展，新型的納米材料被不斷制備出來，并且廣泛應用于生物醫學成像領域。碳納米管具有良好的發光性能，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胞的成像[2]。氧化鐵磁性材料具有良好的超順磁性，能夠應用于核磁共振成像的研究中，由于其能在生物體內特異性的分布，該部位的腫瘤與正常組織的對比度能夠顯著提高。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性質，能夠實現多種顏色的可調發光，同時能夠避免生物體自身產生的熒光干擾，極大地提升光學成像效果?？傊谖磥淼纳锍上耦I域，新型功能的納米材料將發揮至關重要的作用。

三、納米材料在醫學治療中的應用

3.1納米載藥技術

納米載藥是指首先制備納米級的載體，荷載藥物后輸入人體，最終在人體內控制釋放的技術。作為一種新型的給藥技術，納米載藥是多學科包括藥理學、化學、臨床醫學交叉研究發展的產物，其最大的優點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，而且同時可以控制其他部位的藥物濃度，減少對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，同時減少用藥頻率，進而減輕藥物引起的不良反應。對于某些難溶性藥物，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境，藥物能在到達作用部位之前盡量保持自身結構的完整性，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，盡管短時間內對生物體無毒性，但其在生物體內的降解情況不理想。為了提高藥物載體的降解特性，人們開始關注更易體內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可水解，降解成無毒產物，是十分有發展前景的藥物載體。

3.2納米生物醫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系，如核酸指導蛋白質合成過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。納米材料和生物醫學的緊密結合，制備納米醫用復合材料及相容性器官，廣泛應用于生物醫學治療的研究中，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骨細胞發育的功能，使骨細胞緊密貼壁生長，同時加速材料和組織的融合。同時，納米級的羥基磷灰石或聚酰胺復合骨充填材料可以有效填補骨缺損，具有良好的生物相容性，并且能夠促進骨細胞生長。根據血液中的紅細胞具有運載氧氣的功能，人們開發出納米級的人造紅細胞，實現了比普通紅細胞更高的氧氣運載能力。如果人體心臟因意外而停止跳動，可以立刻注入人工的納米紅細胞，提供更加充足的氧氣[4]。此外該技術在貧血癥和呼吸功能受損的治療中發揮著重要的作用。

四、納米材料的生物安全性問題

隨著科技水平的不斷提升，納米材料在生物醫學領域越來越廣泛，但是納米材料與人類接觸的過程中依然受到安全性問題的困擾。某些納米材料可以穿透皮膚，透過細胞膜破壞正常細胞引發炎癥，造成免疫、生殖和腦部組織的損傷，如超小的TiO2納米顆粒能引起嚴重的呼吸道組織變化，導致上皮組織滲透性增加，引起多種炎癥。此外，許多物質在普通條件下并無生物毒性，而在降低到納米尺寸下材料因難以通過正常代謝途徑排出體外表現出蓄積毒性，因此納米材料的生物安全性是亟需解決的問題。目前已經很多科研工作者積極致力于研究納米材料的安全性問題，研究發現碳基納米材料（如碳納米管和石墨烯）會引起生物體內細胞膜磷脂的破壞，造成結構損傷破壞，引起細胞的功能異常；金屬氧化物（氧化鋅和二氧化鈦）易發生氧化還原反應，因該過程會釋放電子，會產生一定的細胞毒性，而且其納米材料的尺寸越小，其比表面積越大活性越高，產生的電子所引起的毒性越強[5]。為了真正實現納米材料在臨床醫學中的應用，人們采取了一系列策略降低納米材料的毒性，如對納米材料進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間，調整納米材料的反應環境，以及開發可降解的納米材料。但是大多數納米材料的毒性問題依然沒有徹底解決，其生物安全問題依然是限制納米材料臨床使用的重要因素。

五、結束語

納米技術作為一項新興的前沿技術，對生物醫學產生了深遠的影響。無論是在醫學診斷還是醫學治療方面，納米材料都有巨大的應用和發展前景。納米材料為醫學的發展提供可廣闊的創新空間，且已經取得了顯著的研究成果，使醫學診斷更加精準，治療更有效。納米技術也促進了生物醫學的不斷發展，在將來很長一段時間內，納米材料將對人類的生產和生活產生巨大的影響，并會解決目前人類難以治愈的健康問題。但納米技術的發展尚未成熟，人們缺乏對納米材料生產和使用過程的認識，尤其是對其生物安全性問題的認識不夠全面，這依然是今后臨床應用的重要限制因素。因此，探究并解決納米材料的生物安全性問題刻不容緩。

參考文獻

[1]楊慧，丁良，岳志蓮.納米生物技術在醫學中的應用[J].生物技術通報，2016,32(1):49-57.

[2]王冬華.納米材料在生物醫學領域的應用[J].合成材料老化與應用,2015,44(5):104-107.

[3]王治昕.納米材料在生物醫學中的應用分析[J].化工管理，2017,26(9):142-142.

[4]馬明輝,李鵬,蕭博睿.納米技術在生物醫學工程領域中的作用研究[J].中國衛生標準管理,2017,8(27):154-155.

[5]林曉薇,馮世成,楊勝韜.典型納米材料的毒性研究[J].廣州化工,2016,44(20):24-26.

作者：曹辰陽 單位：南京東山外國語學校