简述纳米材料及其在生物医学方面的应用

陈姝言

摘要：材料科学发展迅速，纳米材料因其独特的物理和化学性质得到广泛的关注。纳米材料能够精确控制材料内部的单个原子和分子，在生物医学领域有着十分重要的应用。本文简述了几种重要的纳米材料，并且阐述了纳米材料在生物医学方面的应用，以期对今后的纳米材料研究提供参考。

关键词：纳米材料 疾病诊断 治疗 生物医学

纳米材料是材料的最小单位尺寸在0.1-100nm范围内的超微颗粒固体物质。纳米材料的特点是晶粒体积小，晶粒内部的原子数少于晶面的原子，具有高浓度晶界的表面效应、小尺寸效应和量子隧道效应，与常规宏观材料相比，纳米材料表现出优异的光学、电学、磁性等性能。目前，主要的纳米材料有，碳纳米材料、稀土纳米材料、复合纳米材料、半导体纳米材料和贵金属纳米材料等。纳米材料在生物医学领域发挥着重要的作用，如利用纳米材料的光信号和电信号进行疾病标志物的检测，作为药物载体使药物更加高效地进入生物体内进行靶向治疗，降低传统方法（如化疗）对人体造成的伤害。纳米材料具备的优异的物理化学性质，因此其在生物医学的发展中具有十分广阔的应用前景[1]。

一、幾种重要的纳米材料

（一）碳纳米材料

碳纳米材料主要包括碳纳米管、富勒烯和石墨烯等，是一类以碳元素为主的重要材料。碳纳米管具有独特的孔状结构，利用这种特殊的结构能够将药物包覆在其内部，然后在特定的位置进行刺激下释放其包覆的药物，实现特定靶向给药。富勒烯又称C60，其外形与足球相似，是由五元环和六元环相互杂化组成，因此理化性质独特，在生物医学领域有着广泛的应用，如具有细胞的抗氧化活性、抗菌、抗病毒功能，以及可以作为药物载体进行肿瘤治疗等。此外，富勒烯及其衍生物还具有催化方面的应用，由于其结构具有烯烃的性质，化学键易发生断裂或形成，研究表明与活性炭相比，富勒烯催化的反应具有更高的产物转化率，催化能力高于其他同类型的碳材料。

2004年，英国科学家发现了石墨家族的重要成员-石墨烯，其结构特殊，碳原子以六角形分布类似苯环，多个碳原子六角形结构构成平面薄膜，其厚度只有一个碳原子，是最薄的纳米材料，同时也最硬的纳米材料[2]。石墨烯具有特殊的电子排布，表面含有羧基、羟基、环氧基等的官能团，具有丰富的化学性质，而且还具有吸附特性和限域效应，从发现开始就一直备受广大科研工作者的关注，特别是两位科学家因从石墨中首次成功提取出石墨烯，获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

（二）稀土纳米材料

稀土纳米材料是一类掺杂稀土元素构成纳米材料。由于稀土元素的原子结构特殊，富含多个电子能级，因此化学性质活泼可以与其他元素反应形成多价态的化合物。稀土元素本身具备的光、电和磁的特性，在近代化学工业中被誉为“维生素”，而且从材料的角度也被称为“新材料宝库”。特别是将稀土材料的制备的维度调控到纳米尺寸后，其特殊的光学、电学、磁性等特点极大地提高了材料的功能，受到科研工作者的密切关注，在新材料开发中稀土纳米材料发挥中重要的作用[3]。

我国稀土资源丰富，目前在世界范围内中国占有80%的稀土资源，稀土产量高居世界第一。因此，我们国家在稀土资源开发与利用方面极具潜力，稀土纳米材料在能源催化，环境保护和生物医学等领域都重要的应用。稀土纳米材料具有独特的发光性能，在外界光源的辐照下能够发出各种可调的荧光，色彩鲜艳，转换效率高，而且发光稳定，对生物体毒性小，特别适用于生物体内的医学研究，为生物医学的研究提供了宝贵的材料基础。

（三）纳米复合材料

复合材料是指由两种及两种以上材料构成的具有纳米尺寸的一类多相固体材料，一般来说一种材料为连续相，另一种以纳米尺寸的材料作为分散相。复合材料中包含各种物质的物理和化学性质不相同，但是其各个物质之间能够发挥各自的优势，彼此弥补单一形式下的缺陷和不足，产生单一材料原来不具备的新特性。如将甲壳素添加到胶原蛋白中去，可以形成一种新型的纳米尺寸复合材料，这种新材料增加了力学强度和孔径尺寸，能够作为支架应用到细胞生长研究中。再如在羟基磷灰石中加入两亲化合物修饰的肽分子，制备出具有特殊微观结构的纳米复合材料，在骨组织修复和替换方面有着极大的潜力。由于材料内部各个成员之间能够彼此“取长补短”，纳米复合材料实现了材料的多元性功能设计，为制备先进的功能材料提供了设计思路。

二、生物医学方面的应用

（一）成像诊断

磁共振成像技术是目前临床上广泛使用的诊断方式，它能够清晰地精确提供病人的生理和病理信息。磁共振成像的本质是一种物理现象，早在1973年就开始有人使用核磁共振技术进行临床的疾病诊断，随着技术的不断发展，精确的磁共振成像诊断需要引入造影剂来增强检测信号。磁性纳米材料是磁共振成像中主要使用的造影剂，用以提供磁共振成像的对比度和清晰度。磁性纳米材料一般由尺寸为3-10 nm的四氧化三铁或者含有稀土元素Gd构成，对人体无害且能较好的通过代谢排出体外。如对肝癌病人注射磁共振成像的造影剂，尽管纳米造影剂能够随血液在全身循环，但肝部的肿瘤部位能够吸收纳米造影剂，从而可以和正常组织区别开来，显示出其特异性用于临床的精确成像，这对疾病的早期诊断和早期治疗具有十分重要的意义。

（二）DNA纳米技术

脱氧核糖核酸，也称DNA，是生物体主要的遗传物质。而DNA纳米技术是指专门在100 nm尺度下用来研究DNA以及其他核酸分子自发地组成稳定机构技术。这是一种多学科交叉的研究领域，主要利用DNA（脱氧核糖核酸）尺寸为纳米级别、刚性结构和编码性强的特点来构造各种纳米结构。DNA纳米技术中核酸链是主要的构建成分，其尺寸在纳米级别，如DNA的双螺旋直径为2nm。再根据碱基的互补配对就可以形成一个明确的自组装结构，同时，这种结构的DNA链可以通过核酸的设计进行控制。DNA纳米技术的发展刷新了人们对DNA这一生物大分子的认识，它不仅能作为生命遗传信息的载体，还能够作为纳米结构的构建工具。这种自主装形成的独特纳米结构适用于合成纳米粒子和蛋白复合物，用以实现制备多功能型的检测传感器和设计小尺寸的药物载体，对于人类了解生命过程，治疗重大医学疾病和维护生命健康有着重要的意义。

（三）生物传感

生物传感器主要是用于检测生物酶、核酸、抗原、抗体和细菌等物质，近年来将功能化的纳米材料作为生物传感器，实现了在分子水平上进行高灵敏度的检测和物质识别。同时，纳米材料以其特殊的物理和化学性质，如能够将广泛应用于生物传感器中，其原理一般是通过引入对检测目标有刺激相应的基团产生相应电信号或光信号。传感器结合纳米技术具有极大的优势，如使传感器获得特异性的光学或电学信号，提高检测信号的强度，同时還能保证检测信号的持久性。目前，纳米材料的传感器能够特意识别重金属、蛋白质、抗原/抗体和细胞的各种酶，同时具有良好的检测范围和极低的检测限。纳米材料制备的生物传感器在生物医学能够检测各种肿瘤标志物，为疾病的确证提供了充足的证据，也为传感器的发展提供了丰富的物质基础[4]。

（四）载药治疗

纳米材料的尺寸一般正常细胞要小很多，因此将纳米材料作为药物载体进入到人体内进行药物传输，可以进行特定部位的控制药物释放的治疗，如以磁性纳米材料与药物结合，作为药物载体注入到病人体内，可以利用磁性将药物富集到某一处病变部分，使药物集中释放，更加有效地在病变部位发挥治疗作用。同时，也可以通过外界刺激缓慢释放药物，延长药物在特定部位的作用时间，保证药物有效的前提下，减少单次使用药物的剂量从而避免某些药物的毒副作用。纳米载体除了转载药物，还可以有效保护药物，防止在达到特定部位之前被体内的酶降解。纳米材料作为药物载体，能够实现药物的靶向控制释放，对人类疾病的治疗有着十分重要的意义，提供了有效的治疗手段。

三、结语

综上所述，从疾病的诊断，标记物的检测到特殊疾病的靶向治疗，药物的控制释放，纳米材料以其独特的物理化学性质能够在生物医学领域发挥着巨大的作用。然而，功能化纳米材料的生物毒性问题依然是纳米医学发展过程中的一个障碍，今后的研究重点将集中在生物降解和无毒的纳米药物开发方向，随着科技的不断进步，这些纳米材料的功能会更加完善和智能，尤其在生物医学领域将为人类的健康做出更多更大的贡献。

参考文献：

[1]王冬华.纳米材料在生物医学领域的应用[J].合成与材料老化与应用，2015，（44）：104-107.

[2]张金超，杨康宁，张海松，梁兴杰.碳纳米材料在生物医学领域的应用现状及展望[J].化学进展，2013，（25）：397-406.

[3]葛雪莹，袁荃.稀土上转换纳米材料的生物医学应用[J].武汉大学学报，2015，（61）：10-20.

[4]冯婷婷.纳米荧光生物传感器研究进展及应用[J].生物化工，2017，（12）：78-81.

（作者单位：湖南省株洲市第二中学）