2020年浅析纳米材料在生物医学领域的应用方向与特性的论文

浅析纳米材料在生物医学领域的应用方向与特性的论文 纳米材料是结构单元尺寸小于100nm的晶体或非晶体。以下所述纳米材料都具有三个共同的结构特点:1.纳米尺度的结构单元或特征维度尺寸在纳米数量级 (1-100nm) ;2.有大量的界面或自由表面;3.各纳米单元之间存在着或强或弱的相互作用。由于这种结构上的特殊性, 使纳米材料具有一些独特的效应, 包括小尺寸效应、表面效应和界面效应等, 因而表现出许多优异的性能和全新的功能。1984年GIeiter首次用惰性气体蒸发原位加热法制备成功具有清洁表面的纳米块材料并对其各种物性进行了系统研究。从那时以来, 用各种方法所制备的人工纳米材料已多达数百种, 人们正广泛地探索新型纳米材料, 石墨烯、碳纳米管、碳点、碳纳米角迅速成为生物医学领域中的新星。 (1) 氧化石墨烯的特性 石墨烯在生物医学领域的研究是近两年才开始的, 氧化石墨烯 (或称石墨烯氧化物) 被应用的方面较为广泛。氧化石墨烯 (GO) 是在石墨烯的基础上进一步氧化, 表面富含羟基、羧基、环氧树脂等官能团, 这些都称之为含氧活性集团, 因而具有较好的生物相容性和水性能, 比表面积高。GO的表面活性羧基被酰胺化或酯化, 是一种与各种小有机分子、聚合物和生物酰胺相连接的生物活性分子, 生物相容性和功能化都得到了相应的提高。除此之外, 良好的溶液稳定性也是其独特特性, 对提高中药和化学合成药物的疗效具有重要作用。 (2) 氧化石墨烯在生物医学中的应用 (1) 氧化石墨烯作为生物载体材料。因为其具有突出的药物负荷性能和优良的生物相容性, 较高载药率、靶向性药物传递等。作为一种运载工具, 它不但能与DNA、抗体、蛋白质和其他大分子结合, 而且可以运载小分子。起到了降低药物不良反应, 改善药物稳定性的作用。作为一种递送载体, 其结构的特殊性使其具有一定的杀菌作用。水溶液中氯霉素的稳定性低, 易于水解。张雁雯等根据氯霉素和-CD-GO分子间存在氢键作用, 将-CD-GO作为氯霉素的运载体, 包封率达到115%, 经过了两项实验包括加速和长期稳定实验, 测定出了二醇物含量7.28%, 含量低于市面上所含的10.13%处方, 表明该药物载体体系能提高药物的稳定性, 改善氯霉素的生物利用度。除此之外, GO自身有抗菌活性。Akhavan等在做实验来确定GO的毒性时, 偶然发现并且证实它不仅对革兰氏阳性菌的活性, 而且革兰氏阴性菌的活性都有破坏作用。其机理是细菌的细胞膜当它与GO片层比较锋利的尖锐边缘直接接触后被破坏从而产生了杀菌作用。因此, 结合药物可以起到更优的抗菌疗效。 (2) 氧化石墨烯作为生物传感器。细菌分析、DNA和蛋白质都可以用氧化石墨烯的生物装置或生物传感器来检测。另外, 与碳纳米管比较可知, 石墨烯不仅成本廉价, 而且大规模生产比较有优势, 有希望在生物传感中得到实际应用。 我们课题组通过堆垛-等物理吸附方式制针使用用蓝色光激发时FluoG发射绿色荧光。同时在p H4.68.0时, 伴随p H值升高FluoG荧光密度而升高。研究表明, 与主动跨膜方式相比, FluoG被细胞吸收 _扩散的方式。由于GO的良好的生物相容性, 以及易于合成的特性, 有希望将在细胞成像领域得到广泛应用。 (3) 氧化石墨烯 _的应用。光动力学疗法是在某一波长下光敏剂受到激发后产生单线态氧从而使肿瘤细胞失活。氧化石墨烯具有较低的生物毒性和良好生物相容。在近红外区附近, 石墨烯衍生物具有吸收光的能力。吸收能量后, 肿瘤部位的温度升高, 癌细胞被杀死。因而增强其在光动力 _中的应用。Hu等合成了GO/Ti O2的复合物, 研究了可见光的吸收和催化活性。在可见光下, Ti O2的光动力活性低于GO/Ti O2复合物, 活性氧自由基更少。实验表明, GO/Ti O2复合物对宫颈癌Hela细胞的毒性作用随着细胞内活性氧自由基浓度增加而加强。随着曝光时间的增加, GO/Ti O2复合物可以明显提高细胞中半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3 (caspase一3) 的生物活性, 使细胞凋亡的速率加快。 (1) 纳米管的特性 1991年, 日本NEC的lijima首先发现了多壁碳纳米管, 它可以看作是一个单层或多层石墨薄片, 在一定的螺旋角上绕着中心轴线卷曲的无缝碳纳米级管。许多有机物 (这也包括生物) 或无机分子结合到碳纳米管的表面以共价或非共价的方式, 就是因为它具有较大的比表面积, 然后可以进行表面修饰或功能化。碳纳米管的功能化可分为两类:共价修饰和非共价键。前者是通过采用羧基与胺基之间的酯化反应或羧酸盐与铵盐之间的离子作用力将目标分子连接到碳纳米管表面。后者是非共价作用吸附其它分子, 附着在碳纳米管表面。这种方法的优点是能够保存碳纳米管表面的sp2杂化结构。碳纳米管表面的缺陷被氧化形成羧基。两种功能化作用相比, 共价修饰的特异性更为突出。 (2) 纳米管在生物医学中的应用 (1) 碳纳米管作为生物传感器。以碳纳米管作为新型生物传感器时, 它表现出突出的优点有以下几点:该传感器体积小、响应快速, 并有效检测区域缩小到适合的单生物分子检测水平;传感器灵敏度高, 因为几乎所有的电流通过传感器的检测位置, 所以高度敏感。更重要的是通过官能化的碳纳米管具有了特异性检测生物分子的能力。例如人们利用SWNT独特的电学性质, 制成了纳米碳纳米管场效应晶体管, 并且它具有半导体特性, 如 (NTFET) 。Star等发现, 在加以电压时, NTFET表面的生物素分子与其配体-抗生物素蛋白链霉素结合前后FET中电流发生特征性的变化-其原理可能是蛋白分子与碳纳米管之间发生了电荷的转移。由于NTFET尺寸极为微小和对蛋白分子的高灵敏度检测, 检测到NTFET约10个蛋白质分子的一个数量级, 使原检验的结果进一步微型化。 (2) 碳纳米管作为药物载体。碳纳米管作为药物载体材料有以下优势:A.具有大共轭结构的类石墨表面, 可以装载蛋白质、DNA、RNA及其他含有苯环的药物, 而且其运载的药含量也高;B.强跨膜能力, 药物可以被有效地载到细胞中;C.管壁可进行功能化修饰, 接上羟基、氨基等多种高反应活性基团, 然后可将抗肿瘤药物分子、靶向分子通过共价反应接枝到纳米管上, 实现抗肿瘤药物分子的靶向运输, 从而降低药物的全身毒副作用。管壁可以通过将多种活性基团 (如羟基和氨基) 进行官能化, 然后通过共价反应将抗肿瘤分子和靶分子接枝到纳米管上, 不仅达到了抗肿瘤药物分子的靶向运输, 而且降低药物的全身毒副作用。吴等将羟基喜树碱的酰胺键与酶在生物作用下导致酰胺键断裂, 药物是从纳米管分离出来的。许多药物难溶于水, 通过化学反应将它们共价接枝到可溶性纳米管中, 既提高了药物的溶解性, 又减少了药物分子聚集引起的毒性。而且环境响应 _使药物释放。 (1) 碳点的特性 碳点 (Carbon dots, Cdots) 的粒径尺寸小于10nm。xx, xu等人在纯化的碳纳米管时, 偶然发现具有荧光性质的物质且证实其主要组分为碳点, 掀起了人们研究碳点的热潮。碳点具有独特的性能:A.目前合成的荧光碳点大多在紫外区有强烈的光吸收, 还可延伸至可见光区, 一般位于270320nm处;B.碳点具有宽而连续的激发光谱, 与传统量子点一样, 在单色光源激发下可以得到不同发射波长的荧光, 即“一元激发, 多元发射”, 这为实现生物分子的多组分同时检测提供了可能;C.荧光稳定性高且耐漂白, 即使在持续激发光照射几个小时后其荧光强度也几乎没有降低;D.荧光强度可调性, 可根据溶液p H值的变化而变化, 且不同条件合成的碳点对p H响应也不同;E.具有光电荷转移特性。鉴于Cdots具有良好生物相容性和低毒性等优点, 已广泛应用于生物检测、基因传递、药物递送和生物成像等领域。 (2) 碳点在生物医学中的应用 (1) 在生物传感方面。荧光碳点可以用来检测体内各种生化物质组分的动态变化过程, 其具有性能好, 操作简便, 高灵敏度, 小的背景干扰的特点。例如用加有硼的荧光碳点来检测葡萄糖, 检测水平不仅能达到实际检测的标准, 而且具有干扰小的优点。Cu2+体内稳态的变化的结果是会导致神经退行性病变, 而细胞内Cu2+的浓度在病理和生理状态下是不同的, 因此, 监测铜离子的浓度是相当重要的。学者通过构建cqd-tpea, 荧光碳点, 可以对细胞内铜离子进行监测, 并且它特异性高和稳定性高。 鉴于Cu2+对碳点荧光猝灭的影响, 研究人员用它检测细胞中Cu2+。Zhu等制备了AE-TPEA-碳点Cd Se/Zn S, 通过检测Cu2+的荧光比率确定细胞中Cu的位置。碳点还原石墨氧化物 (Cdots RGO) 可用于乙酰胆碱检测:乙酰胆碱可以被乙酰胆碱酯酶转化为胆碱, 在胆碱氧化酶的催化作用下, 胆碱能够产生H2O2。定量检测得到乙酰胆碱的检测限为30pmol/L。 另外, 碳点Ag, Au形成Cdots, 可用于检测生物活性物质, 以及H2O2和葡萄糖的比色检测限分别为0.18和1.6?mol。检测了谷胱甘肽的荧光利用金纳米粒子和谷胱甘肽的结合, 结果达到了检测极限50nmol/L。在本实验中, 以中和热法合成了碳点, 原料以葡萄糖为碳源, 邻羟基和硼酸的加入弥补了未碳化的葡萄糖, 实现了糖蛋白的检测。 碳点也可用于构建化学生物传感器。Shao等实现对小鼠大脑中的cun的追踪扫描借助CdotsTPEA电化学响应, Li等利用微波法合成了石墨烯纳米点, 构建了检测cd2+的电化学发光检测器基于羧基官能团螯合cd2+的特性, 检测限为13nmol/L。 (2) 碳点用于基因转移。癌细胞可以被碳点识别, 此种碳点是由酰胺缩合反应制备的并且经过叶酸修饰, 这种识别方式提供一种全新的思路去做细胞筛选和诊断。带正电的碳点表面经过PEI修饰, 带负电荷的DNA可以被吸附。Liu等评估了碳点转运能力, 碳点对DNA转运能力类似于带正电的PEI-25K, 但质粒DNA的分布可以被碳点的荧光跟踪, 结果为研究其生理功能提供了依据。细胞被碳点DNA复合物转染3h, 在激光405, 488和543nm的照射下分别产生蓝、绿和红光, 说明碳点的多色荧光性质并没有消失在转运过程中。 (3) 碳点用于体内成像。斑马鱼通透性较强, 能够促进荧光成像。该小组研究了它在碳点的荧光成像当其为不同种类时, 并在斑马鱼的眼部和卵黄囊中发现一些主要的碳点沉积。斑马鱼体内的碳点荧光可以保持60h, 这有助于观察其胚胎发育的状况。PEG碳点和Zn S掺杂的CZS-dots-PEG碳点成功地用于小鼠成像, 获得了绿色和红色荧光成像结果。皮下注射经上接第161页过PEG修饰的碳点可以转移到淋巴结, 到达淋巴组织和器官, 实现荧光成像, 发现碳点与纳米点相比, 其转移速率较慢。Tao等使用激光在 (455704nm) 照射, 做到了小鼠的体内成像。 (1) 碳纳米角的特性 由于碳纳米角 (carbon nanohom, ) 的特殊结构, 其制备工艺独特。它在催化剂载体、燃料电池、清洁能源技术和药物输送系统等诸多领域中受到了人们广泛关注。的制备工艺如下:在充氩气条件下, 石墨棒被二氧化碳灼烧。在此过程中, 却不必加入催化剂便可成功。在570-580条件下, 制备出的与02混合灼烧15min后可以在的锥部形成微孔, 直径为0.5-1.5nm。氧化过程中的温度决定了的孔隙率和表面积。在这些微孔中, 有含氧官能团, 如羧基, 以共价键可以与其它分子进行连接。因此, 实现了表面的化学改性。在1200氢气条件下, 含氧官能团被含缺陷的氧化碳纳米角去除, 得到的顶部为开口状的碳纳米角。它类似于截断的单壁碳纳米管 (SWT) , 但一端封闭的锥形。同时, 中存在较大的范德华力, 并且聚集形成, 聚集体结构为球形。 与碳纳米管相比的显着优点是吸附能力较强, 在3.5MPa的压力下, 吸附能力达到160cm3/cm3。此外, 还具有自我聚集性和并不是游离存在的。但它以自聚集的方式存在于二级聚集体中。它是疏水性的, 不能溶解在水溶液中。 (2) 单壁碳纳米角在生物医学中的应用 (1) 单壁碳纳米角 (SWNHs) 在肿瘤细胞的应用。在倒置显微镜下进行观察发现, U251细胞受到多种浓度SWNHs处理后经培养48h, 其形态改变明显, 有严重的变圆趋势, 并且无法完全正常贴壁、细胞无法呈现铺展的状态, 细胞胞质固缩, 并出现空泡化和死亡现象;而未经处理的对照组U251细胞则没有出现上述现象。细胞的数量与SWNHs浓度呈反相关, 表明:细胞的增殖过程受到SWNHs的抑制, 并且这种抑制效应具有剂量依赖性。处理浓度为SWNHs40时, 细胞的数量最少, 抑制效果最佳。 (2) 单壁碳纳米角在药物传输体系中。碳纳米角具有独特的管锥状结构, 经氧化使碳管壁上;产生微孔可有效负载和缓释药物, 可巧妙地用于构建独具特色的药物传输系统。共缓控释给药系统可降低药物的毒性, 同时保证药效。 (3) 单壁碳纳米角用于生物检测器。碳纳米角SWNHS可作为荧光检测平台, 用于构建生物检测器。凝血前能使纤维蛋白原转化成纤维蛋白, 在生理和病理条件下发挥重要作用。2hu等构建一个以SWNHS为有效检测平台用于检测凝血酶的新型炎光适配体检测器。这种检测器的构建是基于经染料标记的凝血酶适配体 (Qye-TA) 通过非共价键吸附SWNHs, 有凝血酶存在下, 凝血酶使dye-TA转变成其四聚体构象, 形成凝血南-dlye-TA四聚体复合物。该复合物阻止染料与SWNHS吸附, 抑制染料荧光猝灭。该检测器具有很高的灵敏度、选择性和很低的检测限100pmol/L。随着该技术的发展, 以碳纳米角为荧光检测平台的检测器在疾病检测、临床诊断等方面的应用更加广泛。 纳米材料作为一种新型材料, 在八十年代中期迅速发展, 它表现出优良而独特的性能和新型的功能归因于它的纳米结构。虽然研究者进行了大量的研究关于纳米材料的制备, 结构以及它的功能, 但是在理论以及在生物医学领域的实际应用还存在不少的工作。纳米材料所显示出的优异性能预示着它在生物医学工程领域, 众多方面具有广泛的和诱人的应用前景。 1许海燕, 孔桦.纳米材料的研究进展及其在生物医学中的应用Basic Medica I Sciences and CIinicsJ.xx, 2 (22) . 2Birringer R.Gieiter H, Kiein HP.et al.Nanocrystaiiine Materiais:An Approach to a Novei Soiid Structure with G