纳米科技在体育科研中的应用

2012-08-15聂秀娟

运动 2012年20期

聂秀娟

（黄山学院体育学院，安徽黄山 245041）

纳米科技（Nano-ST）是20世纪80年代末崛起的新科技，其基本涵义是在纳米尺寸（10-10～10-7m）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创新新物质[1]，可见纳米科技所研究的领域是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的中间领域。在这个领域，由于三维尺寸都很细小，出现了许多奇异、崭新的物理、化学性能，即“纳米效应”，开辟了人类认识世界的新层次，也使人们能够按照自己的意愿改造自然，以实现对微观世界的有效控制，所以被世界各国列为21世纪关键技术之一[2]。体育科学研究也无疑受到了冲击，并在纳米科技的影响下产生深刻的变革。

1 纳米科技在运动器材和装备方面的应用

1.1 运动服装

运动服是运动员最基本也是最重要的装备，其好坏直接影响着运动水平的发挥，运用纳米科技制成的运动服既有能抗菌除臭的性能，也有防水防油的特点[3]。在游泳、赛艇、皮划艇等水上运动中，这种服装显示了极为有利的性能，运用纳米材料制作运动衣成为今后发展的趋势。

1.2 纳米建材

1.2.1 纳米跑道由纳米聚氨酯制成的纳米跑道不仅经久耐用，而且强度高、弹性好，更便于运动员创造出好的成绩[4]。

1.2.2 纳米涂料在传统外墙涂料中加入纳米粒子，可以使涂料防紫外线性能更强，同时还可增强抗水性和抗油性。把这种涂料涂到玻璃上，玻璃具有优良的自清功能和很强的抗粉尘，抗粘附物能力，使建筑物的外表窗明洁净，还可减少光的透射和增加保温效果。

1.2.3 纳米净化器纳米净化器是利用特定波长的光照射在新型复合纳米材料上，激发出一种对人无害的高能粒子，能将空气中的细菌、病毒、甲醛、苯、二氧化硫等直接分解，从而达到灭菌和净化空气的功效[5]。

1.3 运动器材

不同的运动项目对器材的要求各不相同，而用纳米材料制作的各种运动器材如运动鞋、撑杆、赛艇等因其重量轻、强度大等特点，受到各国运动员及体育器材经销商的青睐。

2 纳米科技在运动人体科学方面的应用

运动人体科学的研究目前已涉及多个交叉学科，深入到组织细胞、亚细胞和分子水平，而纳米技术的应用将对运动人体科学的研究带来全新的研究思路和理念。

2.1 纳米生物材料

纳米材料有较好的生物相容性，用于常规材料甚至是微米材料。在运动损伤和运动性疾病的治疗中，运用纳米技术的材料可作为永久性的非排斥性材料，如人造骨骼、人造肌肉、人造器官等。此外，用碳纳米管制造的肌肉纤维，不仅适用于人类的移植和修复手术，还可作为将来纳米机器人的运动构件。而纳米机器也将随着纳米科技的发展成为可能。因为该机器的尺寸极小，因此在对人体进行检查和治疗中效率高、污染低。

2.2 纳米生物芯片

在生物芯片制备方面，纳米技术更展示出广泛的应用前景。其能够有效增强核酸、蛋白质与片基之间静态与动态的粘附力，促进小型化高分辨率与多功能化；同时对其应用范围也进一步拓宽。因为该技术可在纳米尺度上认识生物大分子的精细结构和功能，所以该技术对科学合理的指导运动训练、运动员的选材及在全民健身中开展运动与保健、运动与优生等均有广泛的应用范围。

3 纳米科技在运动营养方面的应用

天然动植物是运动营养食品的主要原料，尤其是我国传统医药的瑰宝为运动营养提供了广阔的空间。而纳米技术在很多方面有重要作用，如控制释放系统、提高作用靶向性等方面。这些研究对纳米技术在运动营养方面的应用有着重要意义。

4 骨骼肌分子发动机的构想

纳米技术在竞技体育中的应用还有一个特别吸引人的内容，那就是“骨骼肌分子发动机”。分子发动机是利用化学能/化学势进行机械作功的大分子，包括线性分子发动机与旋转式分子发动机两大类，它们参与胞质运输、DNA复制、基因转录、ATP合成/水解等一系列重要生命活动过程。例如，线性分子发动机，是一类将化学能转化为机械能，并沿着一个线性轨道运动的生物分子，主要包括肌球蛋白、驱动蛋白、DNA解旋酶和RNA聚合酶等。以与运动关系极为密切的肌球蛋白（myosin）为例，它们参与了包括肌肉收缩、趋化性、胞质分裂、胞饮作用、靶向小泡运输及信号传导等细胞活动。肌肉肌球蛋白是一个高度不对称的蛋白质，包括2个称为S1（subfragment-1）的球状头部和1个α螺旋卷曲的尾部（α-helicalcoiled-coiltail），S1作为动力作用的核心，具有一个含ATP结合位点及肌动蛋白结合位点的“催化区”，催化区通过两条α螺旋结构组成“颈部”与尾部连接，S1中的ATP结合位点与肌动蛋白结合位点间存在一个“裂缝”（Cleft），这个裂缝不但沟通了2个活动位点，而且可能在机械作功中的构型改变起关键作用。肌球蛋白在肌肉放松时，肌球蛋白的S1与肌动蛋白分离，在肌肉收缩时，S1则与肌动蛋白结合。这一结合同时诱导了S1“催化区”活性，当ATP水解后产生的Pi从S1内的活性位点释放时，肌球蛋白与肌动蛋白的亲和力增加，同时产生的应力传递至颈部，颈部向着肌动蛋白的有钩末端倾斜从而带动尾部的滑动。这时，ADP同时释放出来，而ATP的重新结合则导致肌球蛋白与肌动蛋白的分离。在这里，颈部被认为是充当了一个杠杆，将S1活性位点上的亚纳米级的结构变化放大为颈部与尾部结合处的几个纳米级的运动。目前美国波士顿大学的化学家T Ross Kelly制备出了78个原子构成的世界上最小的分子马达。如果进一步按照人类自己的意愿操纵单个原子和分子，以实现对“骨骼肌分子发动机”的研制应用，一定会在竞技体育中产生划时代的变化。