纳米材料在体育领域中的应用与生物安全性分析

杨 磊，陈 亮

(西安医学院,陕西西安 710021)

在竞技运动中变得越来越高、越来越快和越来越强大的过程中,必须使用现代技术来最大限度地发挥人类潜力并提高人类能力。为了确保运动器材制备中使用的材料具有低密度、高模量、耐热性和耐磨性,高级新型纳米材料已广泛用于运动器材加工项目中[1]。纳米材料的功能特性不同于传统材料,这决定了相关技术的快速发展和广泛应用[2]。近年来,各种形式的纳米材料已经渗透到竞技运动中,极大地促进了运动标准的提高以及“科学”和“人性化”运动的发展。纳米材料的特殊结构具有传统材料所没有的特殊或不同寻常的特性,因此在许多领域具有广阔的应用前景[3]。纳米材料已广泛应用于体育领域,例如体育馆、体育器材和运动服装,并为体育界带来了许多好处[4]。各种类型的纳米材料已广泛应用于竞技体育中,极大地提高了体育竞赛的水平,并促进了体育的科学发展[5]。纳米技术将不可避免地对未来社会的发展产生重大影响,纳米材料在体育领域的应用将对体育产业产生重大影响[6]。

纳米材料作为一种高科技材料,其物理性能与传统材料明显不同,具有优异的性能和新的性能[7]。界面在基体和钢筋之间的应力传递中起着重要作用,界面的机械性能直接影响复合材料的整体力学性能[8]。并且添加纳米增强材料可以极大地改善复合材料的界面,从而改善复合材料的静态和动态力学性能[9]。新型纳米材料的优势比传统材料更为明显,但就机械性能和结构而言,它们仍具有不清楚的应用性能,这使其不适用于运动器材的目标设计[10]。为了更好地理解复合材料的界面和动态力学性能,需要对复合材料的界面力学行为以及动态力学性能的影响通过计算机模拟进行深入而详细的研究[11]。本文重点研究纳米材料在体育领域中的应用,并讨论了纳米材料的生物安全性。

1 纳米技术在体育领域中的应用价值与作用

1.1 纳米材料在体育场馆中的应用

在运动训练中,职业运动员通常具有诸如整体效率低,运动损伤多以及运动训练中的实时监控不足的缺点。在现代竞技体育中,纳米技术的越来越多的应用使上述缺点更加明显。新的复合材料是人造材料。每个材料成分的比例、分布和形式都需要通过大量实验来获得,以便能够设计复合结构。运动场馆是进行运动训练、体育比赛和体育锻炼的专业场所,是体育活动的物质支持。在我国国家体育场的建设中,墙壁、地板、玻璃和吸音板都涉及纳米材料[12]。新的复合材料不仅必须保留单一材料组件固有的功能优势,而且还必须满足处于复合状态的各种单一材料组件之间的相关性和互补性。

应用于体育馆墙壁的纳米涂料包括纳米内墙涂料和纳米外墙涂料。内墙涂料主要利用其独特的光催化技术来分解和消除空气中的甲醛和氨等有毒有害气体,净化室内空气,并具有强大的抗菌和抗污染能力[13]。纳米外墙涂料利用其极低的表面张力、强附着力以及高硬度和韧性。目的是增强外墙的自洁性、防尘性和耐脏性、附着力、抗紫外线性、光泽和保色性等。它在石材孔隙的内壁上反应形成薄膜,薄膜的极低表面张力可防止液体水渗透,并使石材更易于清洁[14]。这有利于增强石材的质地,减缓水分或液态水在石材内部的渗透,并促进石材的性能和使用。

1.2 纳米材料在径赛跑道中的应用

对于纳米跑道,主要是在传统的塑料跑道材料中添加适量的纳米粉,并采用相关方法生产纳米聚氨酯,从而制造出性能明显优于普通塑料跑道的纳米跑道。这种跑道不仅具有高强度,良好的弹性、耐磨性、耐老化性,以及合适的硬度和耐久性,而且其拉伸强度和断裂伸长率是普通聚氨酯材料的几倍[15]。在现代运动迅速发展的背景下,天然草皮逐渐被人造草皮取代,但如果运动阻力强度高,则有常常会出现草皮纤维缺陷,例如柔韧性差、强度低,因此影响运动对抗的效果。

与未填充纳米碳酸钙的运动草皮纤维相比,改性草皮纤维的特点是线密度低、纤维性能好。纳米塑料跑道比普通运动场馆使用的聚氨酯塑料跑道更耐磨,阻燃、防霉,其环保性能达到国际标准。纳米跑道不仅继承了普通聚氨酯塑料的高强度,良好的弹性、耐磨性、耐老化性,合适的硬度和耐久性,而且还表现出良好的机械性能[16]。由于其出色的回弹值和压缩恢复率,在纳米赛道上,运动员会感到更舒适,可以创造更好的成绩。利用纳米材料的特性来改善特殊运动器材和装备材料的成分,使其更轻、更有弹性、更稳定、手感更好,从而降低了运动中的阻力并节省了能量消耗。

1.3 纳米材料在体育装备的应用

体育不仅是一种流行文化,而且是一项专业项目。作为一种流行文化,体育强调娱乐和参与,旨在改善人们的健康。从专业项目的角度来看,运动器材主要服务于专业运动员,对表演价值的追求明显高于经济价值[17]。竞技体育是一项运动技巧和智力竞赛,在比赛过程中,运动员必须使用某些设备来进行身体、技术和心理比赛。装备是运动员参加比赛的必不可少的手段。纳米技术可以根据体育赛事的具体要求和运动员动作的特点来调节装备的质感,从而可以提高装备和设施的性能,更有利于运动员充分发挥良好的状态。

在网球应用上通过纳米材料喷涂产生气体阻隔层,可以减慢空气通过橡胶芯壳的渗透,并且球上的压降将变得非常缓慢,从而大大延长了网球的寿命。新的复合材料在运动器材上的应用已成为一种惯例。与传统运动器材的构成材料(例如皮革、木材、橡胶等)相比,这些材料优点成本低、生产方便。例如随着现代的撑竿制作工艺日臻成熟和完善,根据撑竿从上到下受力的差异和弯曲的弧度来设计不同部位最合理的强度,生产“个性化”的撑竿已成为可能。

纳米技术还广泛用于乒乓球拍、羽毛球拍、网球拍和其他球拍。它不仅可以增加球拍的手感、耐用性和弹性,还可以减轻其重量。普通网球拍的手柄通常由木头制成,但是在引入纳米技术之后,其总体结构为纳米管。纳米结构网球拍的性能大大超过了普通木制网球拍的性能,大大提高了球拍对球的击球力,球拍的质量和舒适度得到了很大的改善。在球拍表面上应用纳米材料可以有效防止空气渗透,提高耐用性、手感和弹性。

在船上使用纳米涂料可以降低船的运动的流体阻力,而不会影响船的重量、颜色和水质。纳米减阻剂使用疏水性光固化含氟蜡,并使用特殊工艺处理和改性纳米颗粒,以使其在蜡基质中的分散相对均匀,然后通过机械或手动摩擦将其施加到船艇底部形成超薄膜。这样,船表面的重量不会增加,也可以起到改性材料的作用。这种纳米减阻剂对船的颜色、重量和水质没有影响,并且完全符合国际比赛的比赛规则。

2 纳米材料的生物安全性分析

当运动员与纳米材料接触时,纳米材料的超细纳米颗粒比普通材料的大颗粒更容易穿透运动员的皮肤,甚至可以通过纳米颗粒进入人体细胞[18]。由于纳米粒子的尺寸小,每单位体积的比表面积可达到数千,并且表面能极高。表面上的原子具有极高的活性,并且极不稳定。它们易于与其他原子结合,并具有更强的相互吸附和团聚作用。流行病学研究表明,空气中的超细颗粒物在人体呼吸系统内有很高的沉积率,粒径越小越难以被巨噬细胞清除,通过呼吸进入体内的超细颗粒物容易向肺组织以外的器官转移,且可以穿过血脑屏障、血眼屏障,并在这些地方蓄积[19]。目前,纳米金属、纳米氧化物(如SiО2、TiО2)和碳纳米材料等纳米材料已广泛应用于运动器材中,但是纳米材料的生物安全性不容忽视,需要加强生物学研究。

大多数纳米材料的特点是尺寸越小、毒性越大。因为尺寸越小,其表面积越大,反应性越大,则进入人体后与其他物质发生反应的可能性就越大。纳米粒子可以通过呼吸系统、皮肤接触、注射或给药进入人类或动物,并且可以积累并转移到人体以产生生物效应,从而破坏细胞、肺组织、肝、肾组织和脑组织。纳米材料可以通过嗅觉神经突触进入嗅球并迁移到大脑,从而影响大脑中单胺神经递质的代谢,导致中枢神经系统巨噬细胞炎性蛋白、神经胶质原纤维酸蛋白和神经元细胞粘附分子升高,对脑组织造成病理损害和神经毒性。宋慧瑾发表了一份报告,指出纳米粒子可以穿透皮肤并进入呼吸系统的其他器官[20],导致体内某些激素和酶的活性丧失,或引起遗传物质突变,从而增加肿瘤的发生率或促进衰老。

多壁碳纳米管可引起肺纤维化和炎症,并且相关的细胞毒性将通过酸化而增加。单壁碳纳米管抑制细胞繁殖并减少细胞粘附。吸入纳米SiО2会引起肺部炎症,房室传导会受阻,心肌缺血损害,血液粘度和纤维蛋白原浓度会增加。在体育馆里,净化空气已成为人们的议事日程。传统的负离子空气净化器只能达到新鲜空气的效果,大多数污染物无法去除。有研究发现一种新型的光催化空气净化器克服了这些局限性,可以更有效、更彻底地消除空气污染[21]。各国运动员只有在公平竞争的基础上才能维持和加强团结与友谊的关系,奥林匹克运动才能实现其神圣的目标。但是,在“高科技奥运”环境中,对竞技体育成果产生决定性影响的不再是人类的潜力和技术,而是高科技技术。纳米技术作为一项高科技继续发挥作用。

3 结语

竞技体育的魅力在于奥林匹克精神的“更高、更快、更强”。它是当今世界体育的重要组成部分,它给人以激烈、和谐和美丽的感觉,吸引了全世界的目光,它是人类创造的巨大精神财富。纳米材料作为一种新型材料,广泛应用于运动器材、体育馆、运动服、运动草坪等领域,极大地促进了运动竞赛水平的提高,为运动的长远发展提供了条件。通常,纳米外墙涂料和纳米内墙涂料是体育场馆墙使用最广泛的纳米涂料。对于纳米跑道,主要是向传统的塑料跑道材料中添加适量的纳米粉,并采用相关方法生产纳米聚氨酯,从而创造出一种性能明显优于普通塑料跑道的纳米跑道。纳米技术可以根据体育赛事的具体要求和运动员动作的特点来调节装备的质感,从而可以提高装备和设施的性能,更有利于运动员充分发挥良好的状态。

纳米材料已经涉及运动领域的各个方面,为提高比赛水平和发展运动提供了机会。然而,不可低估纳米材料所表现出的特殊生物效应以及对生物体的潜在影响。这就要求纳米技术研究人员和体育专业人士注意纳米材料的积极作用,并加强对其生物安全性和环境影响的研究。通常,纳米复合材料已成为运动器材应用的首选。人们可以根据运动的需求在设计和制造过程中融入更多创新,从而更好地满足运动发展的需求。