纳米氧化锌在医疗领域的应用

常虬洋

摘 要：纳米氧化锌是一种新型的高性能精细无机产品。它具有良好的抗菌性、紫外线屏蔽性和生物相容性，在医学领域具有良好的应用前景。本文在分析、归纳和总结前人研究成果的基础上，探讨了纳米氧化锌在医学领域的应用现状。针对存在的问题，展望了纳米氧化锌的应用前景。

关键词：纳米氧化锌;抗菌;生物成像;药物传递

中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）03-0179-01

0 引言

纳米技术和纳米材料如今已经应用到生活的各个方面，比如防晒化妆品中用到了纳米二氧化钛，纳米氧化锌可用于表面涂料产品应用在空间飞行器，而工业上也早已有应用纳米材料的研究，如陶瓷和橡胶工业。现如今，纳米载药体系、纳米药物的研究受到研究人员的日益关注，纳米材料逐渐被应用到医疗领域。

纳米氧化锌是面向二十一世纪的一种新型高性能精细无机材料。其粒径约为1～100nm。由于粒径过于细微，纳米氧化锌的电子结构和晶体结构发生了变化，从而产生了宏观物体所不具有的性质，如量子尺寸效应、表面效应、宏观隧道效应等。本文以纳米氧化锌的结构和性质为切入点，通过总结和讨论，不但了解了纳米氧化锌在医学领域的实际应用，而且展望了纳米氧化锌未来在医学领域的发展前景。

1 纳米氧化锌在医疗杀菌上的应用

纳米氧化锌可用于医药行业杀菌消毒。其机制可分为三个方面：

第一个方面是纳米氧化锌可以在水介质中连续释放锌离子，锌离子会进入细胞膜，破坏细胞膜，在细胞内与蛋白质的某些基团反应时，破坏细菌和细胞中蛋白质的空间结构，导致细胞中的蛋白酶失活进而杀死细菌。破坏之后，锌离子会从细菌中游离出来，重复杀菌过程。

第二个方面是纳米氧化锌可以与细菌表面的细胞壁相互作用，破坏细菌的细胞壁，导致内容物被释放从而杀灭细菌。

第三个方面是在紫外线的照射下，纳米氧化锌会产生空穴电子对，电子和空穴分别从导带和价带迁移到氧化锌颗粒表面，表面吸附的水或羟基被转变成氢氧自由基，吸附的氧气转变成活性氧，氢氧自由基和活性氧具有极强的化学活性，能与大多数有机物发生反应从而杀死大多数细菌和病毒。由于纳米氧化锌粒径过小，电子和空穴从导带和价带到达晶体表面的时间被大幅度降低，空穴和电子复合的几率也降低，因此粒径处于纳米量级的氧化锌抗菌性能更优。

有关试验表明，当纳米氧化锌溶液的纳米氧化锌质量分数为1%时，5分钟内对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率分别为98.86%和99.93%。[1]日本离人公司采用纳米氧化锌和二氧化硅混合脱臭剂制备的除臭纤维能吸收异味，净化空气。同时，由于它们具有杀菌和抗菌作用，在医院中广泛用于制作无菌敷料和绷带。此外，结合纳米氧化锌的杀菌效果和其他方面的性能，可有多种用途。

1.1 用于手术服的制造

纳米氧化锌可吸收和散射紫外线，所以具有屏蔽紫外辐射的功能。由于纳米氧化锌属于直接带隙半导体，所以当接收到紫外辐射时，价带中的电子可以吸收紫外辐射的能量并跃迁到导带上，跃迁后会产生空穴电子对，与此同时紫外线也被吸收。另外，当紫外光的波长远大于纳米氧化锌的粒径时，纳米粒子可以向各个方向散射中长波紫外线，从而降低紫外线在照射方向上的强度。而纳米氧化锌的粒径范围一般为1～100nm，紫外线的波长范围100～400nm，所以，纳米氧化锌对长波紫外线（波长320～400nm）和中波紫外线（波长280～320nm）的屏蔽效果较好。与有机紫外吸收剂相比，纳米氧化锌更安全、稳定、可靠，用作紫外线屏蔽剂，可用于纤维材料。用于纤维屏蔽紫外辐射的纳米氧化锌粉末，尺寸一般小于530nm，以保证其在所用介质中的良好分散性。

日本苍螺公司将氧化锌粉与特殊截面的聚酯纤维混合，具有良好的抗菌和紫外线屏蔽效果，特别适用于护士服和手术服的制造。

1.2 在牙科上的应用

早期牙科治疗中使用的复合树脂强度不足，往往导致治疗失败，于是产生了性能更好的混合型复合树脂。由于纳米氧化锌晶须结构完整，几乎没有内部缺陷，同时具有高强度、高模量的特点，加上其独特的立体四角状可以各向同性地改变材料的力学性能，所以将其加入到复合树脂体系中，可显著提高复合树脂的力学性能。同时纳米氧化锌也因其本身所具有的抗菌特性所以可被应用到牙科树脂上来替代传统的烤瓷牙。

1.3 在骨科上的应用

目前，鈦合金已广泛应用于骨科植入物，如钢板、钉子、克氏针、外固定器螺钉等。但放置植入物是创伤性手术，容易造成感染。研究发现，在钛片表面包覆纳米氧化锌，可以维持长期的体外抗菌活性。同时，体外细胞培养实验表明，纳米氧化锌还能促进间充质干细胞和成骨细胞在钛表面的粘附、增殖和分化，增强成骨相关蛋白的表达，从而达到促进成骨的目的。纳米氧化锌抗菌和促进骨形成的特点，在骨科领域具有广阔的应用前景。然而，纳米氧化锌的临床研究较少，目前只有体外和动物实验例子，所以在骨科的应用还有待进一步研究。今后，有必要进一步明确纳米氧化锌在人体内的安全有效浓度，以确保其抗菌安全性和有效性。

2 用于生物成像

纳米氧化锌在室温下是带隙为3.2eV、激子束缚能为60meV的直接带隙半导体，在室温下容易实现高效率的受激发射，不同粒径的纳米氧化锌在紫外光照射下可以激发不同的荧光。量子点具有优良的光学稳定性且荧光寿命长，可用于生物成像，而与传统量子点相比，氧化锌量子点具有良好的生物相容性和低毒性。纳米氧化锌表面的羟基连接不同的有机分子可改善其表面性质，或者杂糅其他元素形成一种复合氧化锌量子点便可用于荧光成像。例如，用改良的溶胶-凝胶法合成的Co/La掺杂的氧化锌量子点Yu可迅速标记人的胃癌细胞。

3 用于药物传递

当环境pH大于5.5时，纳米氧化锌在介质中可以稳定存在，但当环境pH小于5.5时，纳米氧化锌则会快速溶解成锌离子。人体正常组织的PH值约为7.4，而肿瘤和炎性组织的PH值低于正常组织，呈酸性，在这样的环境下氧化锌易分解。同时，纳米氧化锌具有较大的比表面积，富含羟基和锌离子，其表面可直接吸附或通过表面修饰连接其他小分子抗癌药物。因此，利用这两个特性可制备药物载体。

在氧化锌表面加上聚乙二醇后连接具有靶向乳腺癌细胞功能的叶酸分子，负载抗癌药物阿霉素，合成抗癌药物载体，定向攻击癌细胞。该载体进入癌细胞后，氧化锌溶解，药物得以释放，癌细胞得以抑制。例如，Upadhyaya等[6]采用原位移植方法，将CMC（羧甲基纤维素）插入氧化锌纳米颗粒中，用疏水性抗癌药物姜黄素包覆其表面，合成CMC纳米复合材料，作用于猴胚胎肾癌细胞，结果表明，CMC纳米复合材料具有良好的药物缓释效果。

4 结语

纳米氧化锌由于其独特的结构在不同的条件下表现出不同的性质，还可与其他物质结合应用于不同领域。目前纳米氧化锌的制备技术已经得到了广泛的研究，如何根据不同用途的需要，设计并制备特殊的纳米氧化锌，如何发现新型纳米氧化锌，并整合传统领域，是促进纳米氧化锌应用的关键。在医疗领域应用过程中也存在一些相关问题亟待解决，如应用于制作紫外线屏蔽的工作服时对粒径有一定要求，而且纳米氧化锌并不能屏蔽全波段的紫外线;应用于人体时，包括牙科、骨科、生物成像、药物传递等方面，由于对纳米氧化锌的物理化学性质研究还不够深入，所以其对人体的毒性和影响还没有确切的研究结论，确定其安全和有效浓度范围是当前需要解决的一大难题。

纳米氧化锌作为一种性能优异的新型功能材料，特别是在新工艺设备的带动下，在生物医学领域有着广阔的应用前景，所以一方面要加强纳米氧化锌在医疗领域的深入研究，一方面要推动纳米氧化锌行业与相关行业的交流与应用。在现代医疗的基础上开发具有自主知识产权的高性能纳米氧化锌，争取在医疗领域取得进一步发展。

参考文献

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