纳米材料在生物医学领域中的应用

发布时间：2020-01-14

　　摘要：纳米材料的发展迅速，在诸多领域具有广泛的应用。同时，纳米材料以其良好的细胞相容性优势在神经工程和口腔医学领域具有良好的应用价值和研究潜力。纳米材料能够促进轴突的损伤修复和血管移植;另外，纳米银具有杀菌、除菌的活性，是良好的口腔修复用材料。纳米材料是微观世界中人类进行操作的一大助力，是人们改造微观世界的重要工具。随着我们对纳米世界的认知在逐渐的加深，对物质的利用也在逐渐高效。

　　关键词：纳米材料;神经工程;纳米银;细胞相容性

　　0 引言

　　纳米技术是人类对世界的认识和改造的重大技术性突破。现如今，快速发展的纳米技术使得纳米材料如纳米颗粒和纳米管等，均在诸多的领域有极为广泛应用。正因为纳米材料的微小尺寸，才赋予了它们特殊的性能。更为重要的是，纳米材料能够跨越生物的膜系统进入细胞，同时能穿过更为细小的毛细血管，如此特性使其对一些特定的器官和组织产生靶效应。虽然纳米材料在医学方面应用前景颇好，但仍存在不能忽视的问题，对其安全性的评估是必不可缺的一部分，现已有大量的研究实验发现纳米颗粒进入大脑后会有毒性作用，并讲引发大脑相关疾病。

　　1 纳米材料

　　1.1 纳米材料的简介

　　纳米材料由于其微小的尺寸，赋予了其与宏观物质截然不容的理化特性，从物理角度来说，纳米材料具有良好的导电性，介电性，磁性以及良好的力学性能;从化学角度来说，其对反应的催化能力有显著的改观，使其可以作为高效催化剂，除此之外优异的性能还可以作为助燃剂;在生物方面同样有重大的用途，如抗癌剂，神经支架，药物递送载体，神经移植物等 [1]。

　　1.2 纳米材料的特性

　　对于固体材料，表面与内部的原子或分子处于不同的环境，性质也不尽相同：对于一个宏观物质，即其物质大小远大于原子大小时，表面的原子可以忽略不计，表面不会对其性质产生影响。但当考虑微观物质时，原子不能远小于物质，此时忽略表面的原子会对性质有很大的影响，因而不能忽略。此时相同物质微观与宏观的性质不相同的现象被称作表面效应。表面效应是由于表面结合能的急剧改变而引起的特异的效应，会使其具有较高的化学活性 [2]。纳米是一个极小的量级单位，纳米粒子的体积极小，因而所包含的原子个数极少。如同表面效应一样，纳米材料由于极小的体积使原子本身对外表现的特性不能忽略，因而与宏观物质的性质产生了差异。当材料的粒子小于或等于物质波的波长时，其本身具有的周期性会被破坏，而其他的理化性质也会发生改变 [3]。当粒子下降到一定大小时，电子能级会由准连续能级变为分立的离散能级。宏观物体的原子数是无穷大的，因此整体来看能级的间距几乎为零。但纳米粒子则不同，其原子数有限，较低的数量导致能级的间距会发生离散，进而变成分裂的能级 [4]。

　　2 纳米材料的应用

　　2.1 在神经方面的应用

　　轴突是神经元的巨大的细胞结构，同时体内的不可再生性，使神经修复成为难题。当轴突受到挤压、撕裂、甚至完全断裂等损伤后，处于早期时，其末端会形成营养不良性的小泡 [2]，这种的变性是急性轴突损伤，而当损伤时间过长，而导致变为不可逆的损伤时，残端的轴突将会在短时间内发生崩解，之后巨噬细胞进行清理崩解候的残余物，同时细胞开始进行增殖，此时损伤便不可逆了。

　　神经支架的构建主要包括纳米纤维制备和含有纳米纤维束的神经移植物构建。首先通过聚乳酸溶于氯仿 / 丙酮(2： 1)的溶剂中，形成质量分数约为 6% 的纺丝液，利用静电纺丝机行静电纺丝，在一定的电压、转速与流速下，利用直径为 20cm 的转辊收集纳米纤维 [3]。将之前用转辊收集起来的聚乳酸纳米纤维，沿垂直于纤维的方向剪成长条，然后将纤维条卷形成纤维束。再剪一些长条 , 卷绕在纤维束的表面 , 然后再用静电纺丝喷一层纳米的纤维膜，从而形成双层“鞘”。将所制得材料经过缝合强力测试、断裂强力测试后均表现出良好的性能及效果。而后进行向小鼠进行体内移植，在术后 8 周时取出移植物并对其进行横向与纵向的切片，通过对羊抗鼠 IgG Alexa 594 和羊抗兔 IgG Alexar 488 对 S100 蛋白标记 [4]。实验结果表明，在取向纳米纤维上的神经元突起的长度会比在无序纳米纤维上的神经元突起的长度要长 , 同时取向纳米纤维能够引导轴突生长。

　　对于大段神经缺损，自体神经移植的治疗的方案，算是比较常见，但这一治疗方法在实际生产生活中，并不能做到尽善尽美，仍存在着许多问题：提供部位的感觉功能丧失或减弱，可用于提供的神经来源有限，移植部位感觉与行为不匹配等问题让人一直难以解决。

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　　因此我们需要去探索新型的神经修补材料及医疗手段，用于取代自体神经移植这一并不完备的方案 [4]。长段神经缺损的修复与再生存在着两个方面的困难。一者是神经修补不是简单的“修补”，是需要通过特殊的修补材料来进行“桥梁”构建，能使断裂的神经纤维准确并且快速的生长到断裂的另一端，避免神经的萎缩导致不能再次生长或长时间的缺少神经而导致器官的坏死，此时药物递送与效率同样也是问题。其次，大部分的神经是运动与感觉混合的周围神经，因此另一困难就是将两种不同类型的神经能分别地进行连接，以确保神经的复原，如此才能准确地实现完好的神经修补。

　　2.2 在血管移植方面的应用

　　血管内膜增生会导致血管的堵塞，是血管外科的一大问题。而荷兰科学家利用静电纺丝技术获得了具有血管形态的支架 [5]。支架是由聚丙交酯纤维进行有序排列，形成 4-6 微米的纤维双层管，这样的双层管不仅在硬度和弹性上具有优势，而且还易于降解。通过实验发现生物的体细胞可以在其上粘附，增殖，分化。而后发现此种材料难以满足心脏搭桥的要求，容易引起身体的病变，于是通过胶原蛋白，聚乳酸以及弹性蛋白按照一定比例混合，发现所得物质能抵御 12 倍于正常的压缩，并且能顺应人体自身的血管。血管移植时需要让移植物能尽快的与细胞或组织相连，因此需要将细胞在材料上培养一定时间后才能进行体内移植。国外科学家利用聚醚氨酯脲与动脉平滑肌细胞一同构成新结构，此结构相比于直接附着的静态培养效率增加两成。

　　2.3 在口腔方面的应用

　　银单质可以转换为银离子和电子，银离子具有良好的杀菌效果，能够破坏细菌的细胞膜，使其胞质流出 [6]。同时银离子还通过催化作用，抑制呼吸酶及相关蛋白的合成，阻止细胞的新陈代谢，干扰遗传物质的复制、转录、翻译的过程，达到抑制细菌生长作用。通过杀菌与抑菌的双效果达到口腔内除菌的目的。而纳米银离子不仅具有同样的功能，同时还具有更高的活性，使其得到广泛的应用 [7]。

　　纳米银的载体主要为纳米二元化钛，二氧化硅和氧化锌：

　　纳米二氧化钛具有良好的可见光反射性以及紫外光吸收性，同时化学性质稳定，但具有需要通过紫外线杀毒的弊端，因而加入纳米银。加入后，仅克服了上述难以在无光条件下杀菌缺点，同时使产品的抗菌性能更加持久，纳米二氧化钛的粘度增强。但试验品仍有不足之处，在于没有根本性的解决二氧化钛需光的问题。

　　纳米二氧化硅相较于二氧化钛更为稳定，为絮状形态，无色无味无毒无污染。以纳米二氧化硅为载体时可以杀灭 99% 以上的细菌 [8]，但是因为银离子的无机抗菌剂易变色，对此经过反复尝试后发现纳米锌与纳米银的复配不尽能解决该问题，同时在抗菌上两者具有协同的作用，能有效的提高抗菌效果。

　　纳米氧化锌有良好的细胞相容性 [9]，不同于前两者的是有较弱的毒性，但是毒性很低，并不影响在体内的使用。氧化锌的工作原理与银离子相似，可电离出锌离子，以破坏细胞膜为手段，使细胞丧失活性。而氧化锌与银的结合无疑增强了这一特性。同时，不同比例的混合以及形貌尺寸会有较大的性质差异。

　　3 总结与展望

　　纳米材料是微观世界中人类进行操作的一大助力，是人们改造微观世界的重要工具。在生物方面纳米材料的应用已有百余年的历史，这百年中探索是艰苦的，从无知到认知，研究、实验再到应用，每一步看似渺小但却是质的飞跃。随着我们对纳米世界的认知在逐渐的加深，对物质的利用也在逐渐高效。进入微观之后的世界是不同的，物质具有了独特的性质，这为我们对于物质的研究打开了一扇新的大门，我们逐渐认识到同一种物质表达出不同的特性。我们全新的认识了他们，不同的构造都会给材料带来不同的特性。然而这只是出入门庭而已，我们对知识的探究是没有尽头的。

　　当然技术诞生之后离不开的是应用，我们将技术投入生产实践中，纳米材料通过自身独特的理化性质能够为人体带来改观。今日可能只能通过纳米材料加以辅助，明天我们必能重新创造人类的躯干，让世界不会有残疾，让战争没有那么大的损失，让我们不再担忧意外的降临。