TiO2的纳米生物效应的研究综述,无机化学论文

TiO2的纳米生物效应的研究综述,无机化学论文纳米科学已经发展成为当今世界上三大支柱科学〔生命科学、信息科学、纳米科学〕之一。纳米材料的特殊性质使之在电子学、光学、化学、生物、医药等众多领域都具有重要价值，并得到了广泛应用。纳米科技估计将导致人类将来生产和生活方式的革命性变化，已经成为当下发达国家投入最多，发展最快的科学研究和技术开发领域之一[1].随着纳米技术的产业化，各种形式的纳米尺度的物质已经通过不同的途径进入我们的生活。然而，任何一项新的技术都会具有双刃剑的两面性，纳米科学技术也不例外。与纳米科学技术蓬勃发展趋势相比，人们对纳米技术的生物效应与安全性的关注和研究明显滞后。与此同时，一个将纳米技术与生物、化学、物理、毒理学与医学等领域的实验技术结合起来，研究纳米尺度物质与生命经过互相作用及其结果的新兴科学领域-纳米生物效应也逐步构成。相关报道指出，处于纳米尺度的材料可能跟周围的环境发生特殊的物理、化学上的互相作用而产生潜在的生物效应。研究结果表示清楚：纳米材料可能在细胞、亚细胞甚至分子层次上影响正常的生理功能，毁坏细胞膜的完好性，使核酸遭到损伤，引起蛋白质的失活与氧化，造成能量传导的中断及由活性氧引发的细胞凋亡，并且，一些纳米颗粒与蛋白质分子大小相仿，能够很容易地在生物体内运动，沉积到某些器官当中，甚至能穿过细胞膜屏障，进入到线粒体中，进而引发机体的有害反响。Case等人近期还发现，纳米粒子甚至能够不通过细胞膜屏障而对细胞内的DNA和染色体造成损伤，其损伤程度与直接暴露在纳米粒子里类似。然而，同细胞直接暴露在纳米粒子中不同的是：这种DNA损伤并没有引起显着的细胞凋亡。这种损伤的机制可能是由嘌呤核苷酸〔ATP〕和在细胞屏障内细胞之间通过连接蛋白间隙连接或半通道和激活蛋白通道信号传导引起。他们建议：在评价纳米粒子安全性时，必需要考虑其直接或间接的潜在遗传毒性；当利用纳米材料进行疾病诊断标记时，也必需要考虑对细胞膜屏障后组织的潜在伤害。1纳米生物效应1.1杀菌消毒当前，国外新型无机抗菌剂的开发与加工技术发展较快，已经构成一系列产品，华而不实纳米TiO2高催化活性抗菌剂是具有最好的市场前景的品种之一。日本在TiO2光催化抗菌材料研究与应用起步较早，今后的发展目光投向欧美等国际抗菌产品市场，也极其关注中国抗菌塑料的发展，纷纷抢滩中国市场。Pang等初次采用单分散的核/壳构造的量子点作为光敏剂，制备了量子点光敏纳米TiO2膜。活性氧实验证实了量子点具有光敏性能。同时，抗菌和DNA损伤实验也证实了量子点光敏纳米TiO2膜具有很强的光敏活性。本课题组[2]采用微量热法，研究了CdTe〔QDs〕/TiO2对E.coli的抑制作用，并与纳米TiO2对E.coli的抑制作用进行了比照，测定并分析了产热功率-时间曲线、生长速率常数〔k〕、最大产热功率〔Pm〕、传代时间〔tG〕以及抑制率〔I〕等热动力学常数。结合Hadama荧光显微方式方法的直观测试，进一步佐证CdTe〔QDs〕/TiO2相对于TiO2外表构造的改变，可能是导致其抗菌效果较好的主要原因之一。TiO2的杀菌作用通常是在光照条件下进行的，用LKB2277生物活性检测仪进行研究纳米TiO2及其复合物的无光照条件下抗菌效果。由此可揣测，实验中的抑菌效果主要源自纳米颗粒本身所表现出的对细菌的抑制作用，而并非纳米TiO2及其复合物的光催化作用所导致的结果。还为TiO2纳米复合物作为一种抗菌、杀菌材料在控制污染、净化和自净清洁剂的有效设计与广泛应用，提供了理论支持。1.2抗蚀性医学材料在生物医学方面，由于纳米TiO2具有一定理化性质和生物相容性，因而，作为医学材料也遭到人们的高度关注。Liu等研究了TiO2薄膜与血液的相容性。结果表示清楚：TiO2薄膜对于血液的相容性、抗凝血性、抗蚀性、耐磨损性良好，因而，纳米TiO2可用于生物医用材料的外表改性。采用电化学法在Ti6Al4V基体上通过烷氧基化合物制备出纳米TiO2膜，XPS的分析结果表示清楚：在生理环境下，纳米TiO2可成为磷灰石异质核化的活性基体。进一步的实验证明：在室温下，纳米TiO2薄膜能促使有机小分子在氧化物网络中快速扩散，进而与有机小分子的功能团构成较强的化学键，这就为TiO2膜在钛基体上粘附一系列生物化学活性分子提供了可能。刘敬肖等也用离子束合成TiO2薄膜并对NiTi合金外表进行改性，实验表示清楚，其抗模拟体液的腐蚀性明显提高，凝血时间也相对延长。1.3光动力疗法Xiong等通过溶胶-凝胶技术，成功合成了硫化镉量子掺杂的TiO2纳米复合材料，基于癌症细胞的光动力疗法，该材料被用作一种新型光敏剂.通过细胞计数试剂盒-8〔CCK-8〕法，使用硫化镉掺杂TiO2对白血病肿瘤的光催化活性进行了研究。验结果表示清楚，肿瘤与硫化镉掺杂的二氧化钛纳米材料在一起时，观察到其生长明显遭到抑制，并且硫化镉掺杂二氧化钛存在下的PDT效率比二氧化钛的显着更高层次，表示清楚TiO2的光催化活性能够由硫化镉量子点修饰得到有效加强。在可见光照射下硫化镉掺杂的二氧化钛能够到达80.5%的降解效率，并且最终浓度仅有200微克每毫升。在这种条件下，CdS-TiO2催化纳米复合材料对应用于癌症细胞的治疗是非常有希望的。当前，在一样条件下，硫化镉掺杂的二氧化钛纳米复合材料杀死HL60癌症细胞的PDT效率要高得多，其进一步揭示了二氧化钛的光催化灭活机理，能够由CdS量子点修饰大大地改良。同时发现，针对HL60细胞，在15焦每平米的光照条件下，硫化镉掺杂的二氧化钛纳米复合材料的PDT效率能够在200微克/毫升的浓度条件下到达80.5%.硫化镉二氧化钛纳米复合材料对癌细胞的高光催化灭活效果表示清楚，基于光动力疗法治疗恶性肿瘤，它可能是一种重要有希望的光敏剂。Xiong等采用自组装的方式方法制备了纳米QDs-CdS/TiO2复合物，并将其以及TiO2用于HL60白血病细胞的光动力实验。实验结果表示清楚在412nm处QDs-CdS/TiO2对HL60细胞灭活效率高达86.5%,可见QDs-CdS/TiO2复合物对HL60细胞有很高的灭活效率，是一种很有潜力的光敏药物。1.4分子印迹Zhong等通过巯基取代制备了量子点修饰的纳米TiO2复合荧光材料。实验表示清楚，量子点作为敏化剂的纳米TiO2复合物具有高效的生物选择性和优良的生物敏感性。Takeuchi等以核糖核酸酶A作为蛋白质模板，通过分子印迹技术，以共价键固定在量子点上，再通过液相沉积法制备了核糖核酸酶A-印迹TiO2薄层。当pH=7.0时，核糖核酸酶A-印迹TiO2的荧光强度随着核糖核酸酶A的浓度的增加而下降，而非核糖核酸酶A-印迹TiO2/量子点复合物的荧光强度改变较小。结果表示清楚，复合物的荧光强度对蛋白质印迹具有很强的依靠性。1.5光电化学免疫测定Xu等初次利用光电化学免疫测定法，在天然条件下，成功将CdSQDs/TiO2纳米颗粒光电极，应用于心肌标志物肌钙蛋白T的分析与测定。该研究结果将为推动光电化学免疫测定法在更多更复杂的心脏标志物的研究做出重要奉献。Zhu等通过不同粒径的CdTeQDs共敏化合成了一种TiO2/CdS:Mn杂化构造的复合材料并开发出了一种超灵敏光电化学测定DNA的检测方式方法。利用共敏化信号的放大效应，针对DNA的探测精度能够到达27aM.精到准确探测更低浓度的不同DNA靶标，将为不同疾病的早期检测与诊断提供一个有效平台。Cai等通过在核/壳型的CdTe/CdS-TiO2纳米管光电极上交联抗三-〔2,3-二溴丙基〕异氰脲酸酯的抗体制备出了一种非标记的光电发光免疫感受器。该免疫感受器显示出了对三-〔2,3-二溴丙基〕异氰脲酸酯高度的选择性和灵敏性，检出限能够到达6pM.在水和土壤体系中，这类免疫感受器可以以实现对三-〔2,3-二溴丙基〕异氰脲酸酯的有效检测。1.6发光猝灭Drbohlavova等利用一种低价、快速、可重复性的模板技术制备了TiO2量子点阵列。对BSA和DNA两种生物分子进行发光猝灭实验，结果表示清楚：生物分子浓度对发光猝灭有很强的影响，无毒的TiO2量子点对体外的DNA、蛋白质等有很强的敏感性。进一步显示了具有荧光性的TiO2量子点阵列探测器在疾病诊断和体内成像方面可能具有重要的应用价值。本课题组[3]采用共振光散射法〔RLS〕光谱方式方法，考察了CZQ-T同HSA的互相作用，讨论并分析二者互相作用的外源影响因素，综合分析并归纳出体系的最佳测定条件，为进一步推断其反响机理提供了可靠的根据。这些提供的QDs/TiO2复合物与蛋白质结合的信息，将为纳米材料与生物大分子的互相作用提供有力的理论支撑，进而有助于进一步了解纳米材料的生物相容性和安全性。2结束语固然量子点修饰纳米TiO2复合材料的制备和应用得到了广泛的关注，但是该复合材料的在详细领域中的应用的作用机制还不是很明朗，应用领域还很有限，甚至还有一些不同的观点，这就更需要广大的科研工作者去深切进入研究。量子点修饰纳米TiO2复合材料在空气净化、外表防雾露、外表超疏水性、外表工程等应用领域还大有可为。