無(wú)機納米材料應用下生物醫學(xué)論文

　　1無(wú)機納米材料在生物醫學(xué)上的應用

　　1.1藥物載體

　　許多藥物都有細胞毒性，在殺死病毒細胞的同時(shí)，也會(huì )對正常細胞造成損傷。因而，理想的藥物載體不僅應有較好的生物相容性、較高的載藥率，還應具有靶向性，即到達目標病灶部位才釋放藥物分子。無(wú)機納米材料的大小和表面的電荷等理化性質(zhì)決定了納米材料的性能，研究這些可控特性可應用在生物醫學(xué)領(lǐng)域中。例如，用多孔硅作為藥物載體遞送柔紅霉素，治療視網(wǎng)膜疾病持續時(shí)間從幾天延長(cháng)到3個(gè)月。通過(guò)調控將納米粒子孔徑從15nm變?yōu)?5nm，使柔紅霉素的釋放率增大了63倍，從而調控藥物的釋放。用介孔二氧化硅納米粒子運載化療藥物、探針?lè )肿酉蚰[瘤細胞進(jìn)行遞送，可用于癌癥等疾病的靶向性治療和早期診斷。介孔二氧化硅在藥物傳輸、靶向給藥、基因轉染、組織工程、細胞示蹤、蛋白質(zhì)固定與分離等方面有廣泛的應用。碳納米管及其衍生材料可開(kāi)發(fā)用于電敏感的透皮藥物釋放，又可作藥物載體進(jìn)行持續性釋放。

　　比如，用超支化聚合物修飾碳納米管，可以從復合物的羥基末端聚集活性基團，從而增強溶解性能，作為抗癌的藥物載體，也可以用作藥物緩釋載體。用聚乙烯亞胺修飾多壁碳納米管，分散性好，能降低對細胞的毒性，進(jìn)一步結合在殼聚糖/甘油磷酸鹽上，能增加凝膠的機械強度。同時(shí)，改變溶液的pH值、溫度等來(lái)構建具有雙緩釋功能的溫敏性凝膠，能減少凝膠的突釋現象。納米鉆石（dND）裝載化療藥物具有較低的毒性和較高的生物兼容性。將葉酸等靶向分子修飾納米鉆石表面，用于裝載抗癌藥物，以H2N-PEG-NH2作為橋梁分子，形成納米靶向載藥系統，對C6細胞具有靶向作用，為研制腫瘤靶向治療提供了參考依據。為了避免被單核細胞、巨噬細胞系統等非特異性吸收，并讓藥物優(yōu)先進(jìn)入腫瘤細胞，用超支化縮水甘油（PG）修飾納米鉆石得到dND-PG，有較好的生物相容性，能避免被正常細胞的巨噬細胞非特異性攝取。加載抗癌藥物阿霉素顯示出對腫瘤細胞具有選擇性的毒性作用，可作為腫瘤藥物載體，對腫瘤細胞進(jìn)行選擇性給藥。將藥物分子插入LDHs的層間形成藥物-LDHs的納米雜化物，藥物與LDHs層間的相互作用以及空間位阻效應能有效地控制藥物釋放，減少藥物發(fā)生酶解作用。

　　LDHs表面存在大量的羥基，便于進(jìn)行表面功能化修飾，增強靶向性，避免被巨噬細胞吞噬而從人體內清除，提高藥物的輸送效率。LDHs適合裝載不同類(lèi)型的藥物，將藥物插入到LDHs的層間結構，藥物以陰離子形式裝載并被控釋。通過(guò)共沉淀法在LDHs層間成功地嵌入維生素C，維生素C的陰離子垂直插于LDHs層間，熱穩定性顯著(zhù)增強。通過(guò)離子交換反應來(lái)釋放維生素C，延長(cháng)釋放時(shí)間。

　　1.2蛋白質(zhì)載體

　　納米材料在診斷、藥物輸送、生物功能材料、生物傳感器等方面得到了迅猛的發(fā)展，出現了疾病治療、診斷、造影成像等多種功能的組合。無(wú)機納米材料在生物大分子藥物的載體，包括運載蛋白質(zhì)、多肽、DNA和siRNA等方面的研究較多。納米多孔硅有較好的生物相容性、生物可降解性和可調控的納米粒徑，可作為藥物輸送系統。殼聚糖修飾多孔硅后可用于運載口服給藥的胰島素，改善胰島素的跨細胞滲透，增加與腸道細胞黏液層的表面接觸，提高細胞的攝入，可用于口服遞送蛋白質(zhì)和多肽。納米羥基磷灰石與蛋白質(zhì)分子有高親和性，可用作蛋白質(zhì)藥物緩釋載體，能提供鈣離子，造成腫瘤細胞過(guò)度攝入，從而抑制腫瘤細胞活性，誘導腫瘤細胞凋亡。

　　1.3基因載體

　　基因治療是遺傳性疾病的臨床治療策略，主要依賴(lài)于發(fā)展多樣性的載體。無(wú)機納米材料用于基因療法是利用無(wú)機粒子和可生物降解的多聚陽(yáng)離子合成新型的納米藥物載體，如介孔二氧化硅作為基因載體可用于腫瘤治療，促進(jìn)體外siRNA的遞送。乙醛修飾的胱氨酸具有自身熒光的特點(diǎn)，可對pH值和谷胱甘肽進(jìn)行響應。通過(guò)熒光標記類(lèi)樹(shù)狀大分子的二氧化硅納米載體具有分級的孔隙，不僅毒性低、基因裝載率高，轉染率也較高。引發(fā)谷胱甘肽二硫鍵裂解，可促進(jìn)質(zhì)粒DNA（pDNA）釋放，并能使用自發(fā)熒光來(lái)實(shí)時(shí)示蹤。又如，通過(guò)π-π共軛、靜電作用等非共價(jià)鍵作用力結合，能將DNA、RNA等生物大分子和化學(xué)藥物固定在氧化石墨烯上。

　　1.4骨移植

　　臨床上可用自體骨移植來(lái)治療創(chuàng )傷、感染、腫瘤等造成的骨缺損，由于骨移植的來(lái)源有限，且手術(shù)時(shí)間長(cháng)，易導致失血過(guò)多和供骨區并發(fā)癥等，應用受到限制。將異體骨用作骨移植，則存在免疫排斥反應，且易被感染。而人工骨同自體骨有相近的療效，人工骨材料可采用鈦、生物陶瓷、納米骨、3D模擬人工骨髓等納米材料。例如，納米二氧化硅可替代骨組織，促進(jìn)人工植入材料與肌肉組織融合。納米羥基磷灰石與人體內的無(wú)機成分相似，其粒子有小尺寸效應、量子效應及表面效應等，可用作牙種植體或作為骨骼材料，能避免產(chǎn)生排斥反應，促進(jìn)血液循環(huán)，促進(jìn)人體骨組織的修復、整合和骨缺損后的治愈。

　　1.5臨床診斷和治療

　　磁性氧化鐵納米粒子可作為造影劑用于腫瘤診斷中，對腫瘤分子產(chǎn)生磁共振分子影像或多模態(tài)腫瘤分子影像，也可用于循環(huán)腫瘤細胞的分離、富集。免疫磁分離法基于磁性雜化材料可導電，在外部磁場(chǎng)下積累，可用于臨床熱療。磁熱療以磁流體形式進(jìn)入腫瘤組織，利用腫瘤細胞與正常細胞之間不同的熱敏感度，將外部磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁能轉化成熱能從而殺死腫瘤細胞。磁性納米粒子還可用于生物傳感器中，利用磁現象和納米粒子從液相中分離并捕獲生物分子。用綠色熒光蛋白標記，形成溫敏的磁性納米固相生物傳感器，用磁性材料制成固相生物傳感器的支架，在磁場(chǎng)作用下，響應更快，表面易于更新，可用于免疫診斷。磁性納米氧化鐵作為臨床應用的磁性納米材料，受到人們的廣泛關(guān)注。Fe3O4和γ-Fe2O3的特殊磁性質(zhì)使其在靶向腫瘤藥物載體、磁療、熱療、核磁共振成像、生物分離等生物醫學(xué)領(lǐng)域中得以應用。用無(wú)機納米材料制作激發(fā)熒光探針進(jìn)行臨床診斷，如用介孔二氧化硅制成的細胞熒光成像探針利用量子點(diǎn)良好的光穩定性、較長(cháng)的熒光壽命和較高的生物相容性，結合介孔二氧化硅可特異性地識別Ramos細胞的特點(diǎn)，并用激光共聚焦顯微鏡對Ramos細胞進(jìn)行熒光成像，實(shí)現了對腫瘤細胞的早期診斷、檢測成像。

　　富勒烯特殊的結構和性質(zhì)使其可以廣泛地應用于光熱治療、輻射化療、癌癥治療等醫學(xué)領(lǐng)域，也可作為核磁共振成像的造影劑用于臨床診斷。但富勒烯不溶于水，對生物體存在潛在的毒性，限制了其在臨床的應用。富勒烯結合含羥基的親水性分子可改善其溶解性，羥基化富勒烯無(wú)明顯毒性，可作為抗氧化劑。聚羥基富勒烯利用近紅外光激活體內的納米材料，用光熱對腫瘤細胞定位，避免了金納米粒子、碳納米管等在體內造成聚積，利用免疫刺激作用來(lái)抑制腫瘤細胞的轉移、生長(cháng)，從而減小腫瘤的尺寸，最終造成腫瘤細胞凋亡。因此，改造碳納米結構，在成像、吸附、藥物裝載與靶向運輸等生物醫學(xué)工程方面有潛在的應用價(jià)值。銀納米粒子殺菌活性遠高于銀離子，在殺菌抑菌方面得到廣泛的應用，可用于外科手術(shù)中的傷口愈合、藥學(xué)、生命科學(xué)等生物和臨床醫學(xué)領(lǐng)域。金納米粒子有較好的生物相容性，功能化的金納米粒子可用于生物分析、藥物檢測、臨床診斷等生物醫藥領(lǐng)域，可作為納米探針檢測重金屬離子、三聚氰胺等小分子，也可檢測DNA、蛋白質(zhì)等生物大分子，還可以用于對細胞表面和細胞內部的多糖、核酸、多肽等的精確定位。鎳納米粒子固定在海藻酸水凝膠中，通過(guò)熱敏感粒子與鎳磁納米粒子交聯(lián)形成囊狀結構，組成熱磁雙敏感的磁性納米粒子。

　　在交變磁場(chǎng)下緩慢釋放水凝膠中的鎳納米粒子，通過(guò)遠程調控來(lái)激發(fā)水凝膠中成纖維細胞的凋亡。無(wú)機納米材料的類(lèi)別不同，在尺寸、形貌上有很大的變動(dòng)范圍，因其核心材料的量子特性，已日益成為涉及臨床診斷、成像和治療的手段，為納米材料在生物醫學(xué)上的應用提供更多的可能。

　　2展望

　　納米技術(shù)作為新時(shí)代的疾病治療模式，為未來(lái)的臨床用藥提供了新的可能，在生物醫學(xué)的應用上有很大的前景。目前，癌癥治療主要包括手術(shù)、放療和化療等手段，而藥物劑量增多會(huì )造成副作用。納米粒子可以作為靶向藥物載體、成像造影劑、化療、熱療、磁療系統，可通過(guò)血腦屏障，在治療神經(jīng)系統疾病中有很大的潛力，有望成為攻克癌癥的新手段。無(wú)機納米材料在藥物載體、臨床診斷和治療等方面有廣闊的應用前景，但目前的研究大多處于實(shí)驗階段。無(wú)機納米材料在生物醫學(xué)應用中有待解決的問(wèn)題包括：

　�。�1）提高疾病治療的針對性、靶向性和可調控性；

　�。�2）使無(wú)機納米材料相對固定在腫瘤細胞表面，不至于擴散到正常組織，從而提高腫瘤部位的有效濃度，減少毒副作用；

　�。�3）納米材料有潛在的毒性，可降低納米材料的毒副作用以達到臨床應用的標準；

　�。�4）尋找優(yōu)質(zhì)材料，優(yōu)化結構，提高材料的生物相容性、生物安全性，并針對不同的藥物溶解性設計特定的載體和功能材料骨架，增加細胞的攝取和利用；

　�。�5）生物合成方法與其他合成方法相結合，無(wú)機與有機材料組合成復合材料，組裝成集檢測與治療于一體、多靶點(diǎn)的功能材料；

　�。�6）了解無(wú)機納米材料在生物體內的作用條件、運行機制和降解過(guò)程。隨著(zhù)無(wú)機納米技術(shù)、有機合成技術(shù)、生物技術(shù)以及激光共聚焦、X線(xiàn)衍射（X-raydiffraction，XRD）、MRI等現代化檢測技術(shù)的發(fā)展，這些問(wèn)題將逐步得到解決，使無(wú)機納米材料成為可應用于臨床的多功能生物醫學(xué)材料，提供更廣闊的疾病治療和藥物輸送平臺。

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