无机纳米材料在生物医学的应用

1、无机纳米材料在生物医学的应用班级：材料科学与工程（1）班姓名：何丽莉 学号：201473030107摘要：主要介绍了几种介绍了介孔二氧化硅、纳米碳等非金属类纳米材料，以及磁性铁、氧化铈、银纳米粒子、金纳米粒子、镍等金属类纳米材料，比较了不同来源无机纳米材料的发展、特点、优势，明确了无机纳米材料具有环境友好、成本低、生物相容性好及低毒性等特点，综述了无机纳米材料在生物医药、临床诊断、疾病预防等生物医学方面的研究与应用。关键词：无机纳米材料 生物医学Abstract: This paper mainly introduces several kinds of the mesoporous sili

2、ca, nano carbon and other non metal nano materials, and magnetic iron, cerium oxide, silver nanoparticles, gold nanoparticles, nickel and other metal nano materials, compared the development of different sources of inorganic nano materials, features, advantages, the inorganic nano material is enviro

3、nmentally friendly low cost, good biocompatibility and low toxicity characteristics, the application of inorganic nano materials in the biomedical, clinical diagnosis, disease prevention research and application in biomedicine.Keywords: inorganic nano materials biomedicine1前言当物质到达纳米尺寸后，其性能就会发生突变，出现特

4、殊性能，如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等1。由于纳米材料环境友好、成本低、生物相容性好、毒性低，在医药卫生领域有着广泛的应用和明确的产业化前景，特别是纳米药物载体，纳米医用材料、纳米生物传感器和成像技术以及微型智能化医疗器械等2，相比常规药物以及化疗、放疗，无机纳米材料用于药物载体可达到靶向运输、控释缓释药物的效果，因此无机纳米材料在靶向性给药、药物控制释放和缓释、癌症治疗等方面有良好的应用前景3。2无机纳米材料的分类依据材料来源不同，将无机纳米材料分为两大类：一类是介孔二氧化硅、碳纳米材料等非金属类材料，另一类时磁性铁、银、金纳米粒子、纳米羟基磷灰石、层状双金属氢氧化

5、物等金属类材料4。2.1非金属类2.1.1介孔二氧化硅介孔二氧化硅（mesoporous silica nano-particles，MSNs）是粒径为10-600nm、孔径为2-50 nm 的二氧化硅纳米粒子5，通常以表面活性剂或两亲性嵌段共聚物作为模板，与无机源进行界面聚合，最后通过高温煅烧或萃取等方法除去模板，保留二氧化硅骨架形成的多孔结构。介孔二氧化硅是一种新型的无机纳米材料，具有独特的网状孔道结构，孔道规整，孔径连续可调，具有较大的比表面积和比孔容，表面易功能化，毒性低，有良好的生物相容性和稳定性6-7。2.1.2碳纳米材料由碳元素所构成的材料种类繁多，形态各异，例如sp2结构的石墨

6、、sp3结构的金刚石，和无定型炭黑。近些年，各种新型碳纳米材料引起人们广泛注意，如石墨烯、碳纳米管、富勒烯及碳量子点等。碳纳米材料具有独特的结构和性能，它们具有比表面积大、易功能化、具有光热效应、独特的荧光性能等特点，在药物缓释控释、荧光示踪、光热治疗等方面具有独特的应用价值8-9。2.2金属类2.2.1磁性铁当材料的尺寸小至纳米级别时，磁性会发生变化。磁性纳米氧化铁材料具有较好的化学稳定性、生物相容性和较高的磁响应性。磁性铁氧化物纳米材料因为在药物靶向运输、肿瘤治疗、磁性流体和化学传感等方面所表现出的广阔应用前景10。2.2.2银纳米粒子银纳米复合粒子通常具有较小的不超过100nm的直径，含

7、有20-15000个银原子。由于纳米银的表面增强拉曼光谱效应、小粒径效应、较大的比表面积等特点，使其具有非常好的抗菌效果，且安全性相对较高，抗菌性能持久。除了抗菌性能外，银纳米复合材料还具有许多其他性能。例如：抗病毒、抗血管病，因此银纳米复合材料在医疗器械、伤口处理、生殖等诸多领域被广泛应用11。2.2.3金纳米粒子纳米金是指直径 0.8-250mm 的缔合金溶胶，它属于纳米金属材料中研究最早的种类，纳米金具有良好的纳米表面效应、量子效应以及宏观量子隧道效应，它具有很多良好的化学特性，比如抗氧性和生物相容性12。2.2.4纳米羟基磷灰石纳米羟基磷灰石（nano-hydroxyaptite，nH

8、AP）是陶瓷类多孔无机材料，溶解度较好，有较大的表面能、良好的生物活性和生物相容性，可用作骨移植的生物材料，修复、整合人体骨组织，并能改善力学机能，有广泛的临床应用价值13。2.2.5层状双金属氢氧化物层状双金属氢氧化物（layered double hydroxides，LDHs）由二价金属离子及三价金属离子组成，层状结构有记忆效应，其层间的阴离子可交换，有特殊的酸碱性、荧光性质、热稳定性。LDHs 毒性低，能满足组织、血液、免疫等方面的生物兼容性要求；可被生物降解，生物相容性好，细胞内的酸性环境可使其溶解为离子，通过细胞膜上的离子通道排至细胞外14。利用 LDHs 作为药物载体，可提高药物

9、输送效率，增强药物的溶解性。3无机纳米材料在生物医学的应用3.1载体作用纳米药物载体的发展为药物的靶向输送与治疗提供了可能性,它具有以下优势：(1)可提高化学药物疗法、光动力巧法、光热疗法等治疗方法的疗效(2)可改变所负载药物自身的动力学特性及其在生物体内的分布,比如载带化学药物及生物大分子跨越相关的生理屏障15(3)可通过制备不同剂型的纳米粒子适应不同的给药途径(4)在纳米粒子载体表面修饰相关配体,如透明质酸、叶酸、转铁蛋白、单克隆抗体、麦胚凝集素、多肽、Tat肽等，可以提高纳米粒子对靶细胞或特定细胞器的靶向性。理想的纳米药物载体应该具有制备方法简单、低毒性、可控释放、体内循环时间较长、生物

10、可降解等优势。目前研究较多的纳米药物载体主要有无机纳米材料、碳纳米材料、脂质体、聚合物、水凝胶等。3.2骨移植临床上可用自体骨移植来治疗创伤、感染、肿瘤等造成的骨缺损，由于骨移植的来源有限，且手术时间长，易导致失血过多和供骨区并发症等，应用受到限制。将异体骨用作骨移植，则存在免疫排斥反应，且易被感染。而人工骨同自体骨有相近的疗效，人工骨材料可采用钛、生物陶瓷、纳米骨、3D 模拟人工骨髓等纳米材料。纳米羟基磷灰石与人体内的无机成分相似，其粒子有小尺寸效应、量子效应及表面效应等，可用作牙种植体或作为骨骼材料，能避免产生排斥反应，促进血液循环，促进人体骨组织的修复、整合和骨缺损后的治愈16。3.3临

11、床诊断与治疗纳米材料在临床诊断治疗方面应用广泛，但多处于试验阶段。磁性氧化铁纳米粒子可作为造影剂用于肿瘤诊断中，对肿瘤分子产生磁共振分子影像或多模态肿瘤分子影像，也可用于循环肿瘤细胞的分离、富集17。磁性纳米粒子还可用于生物传感器中，利用磁现象和纳米粒子从液相中分离并捕获生物分子18。用介孔二氧化硅制成的细胞荧光成像探针利用量子点良好的光稳定性、较长的荧光寿命和较高的生物相容性，结合介孔二氧化硅可特异性地识别 Ramos 细胞的特点，并用激光共聚焦显微镜对Ramos 细胞进行荧光成像，实现了对肿瘤细胞的早期诊断、检测成像19。富勒烯特殊的结构和性质使其可以广泛地应用于光热治疗、辐射化疗、癌症治

12、疗等医学领域，也可作为核磁共振成像的造影剂用于临床诊断20。但富勒烯不溶于水，对生物体存在潜在的毒性，限制了其在临床的应用21。富勒烯结合含羟基的亲水性分子可改善其溶解性，羟基化富勒烯无明显毒性，可作为抗氧化剂。聚羟基富勒烯利用近红外光激活体内的纳米材料，用光热对肿瘤细胞定位，避免了金纳米粒子、碳纳米管等在体内造成聚积，利用免疫刺激作用来抑制肿瘤细胞的转移、生长，从而减小肿瘤的尺寸，最终造成肿瘤细胞凋亡。因此，改造碳纳米结构，在成像、吸附、药物装载与靶向运输等生物医学工程方面有潜在的应用价值。金纳米粒子有较好的生物相容性，功能化的金纳米粒子可用于生物分析、药物检测、临床诊断等生物医药领域，可作

13、为纳米探针检测重金属离子、三聚氰胺等小分子，也可检测 DNA、蛋白质等生物大分子，还可以用于对细胞表面和细胞内部的多糖、核酸、多肽等的精确定位22。4展望无机纳米材料在生物医学应用中有待解决的问题还有很多，在今后的研究中，提高疾病治疗的针对性、靶向性和可调控性；使无机纳米材料相对固定在肿瘤细胞表面，不扩散到正常组织，提高肿瘤部位的有效浓度，降低纳米材料的毒副作用达到临床应用的标准将成为重点。参考文献1杨慧,丁良,岳志莲. 纳米生物技术在医学中的应用J. 生物技术通报,2016,(01):49-57.2张冬英. 纳米材料在生物医药方面的应用及发展动态J. 湖北成人教育学院学报,2017,(02)

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