无机纳米材料应用下生物医学论文

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1无机纳米材料在生物医学上的应用

1.1药物载体

许多药物都有细胞毒性，在杀死病毒细胞的同时，也会对正常细胞造成损伤。因而，理想的药物载体不仅应有较好的生物相容性、较高的载药率，还应具有靶向性，即到达目标病灶部位才释放药物分子。无机纳米材料的大小和表面的电荷等理化性质决定了纳米材料的性能，研究这些可控特性可应用在生物医学领域中。例如，用多孔硅作为药物载体递送柔红霉素，治疗视网膜疾病持续时间从几天延长到3个月。通过调控将纳米粒子孔径从15nm变为95nm，使柔红霉素的释放率增大了63倍，从而调控药物的释放。用介孔二氧化硅纳米粒子运载化疗药物、探针分子向肿瘤细胞进行递送，可用于癌症等疾病的靶向性治疗和早期诊断。介孔二氧化硅在药物传输、靶向给药、基因转染、组织工程、细胞示踪、蛋白质固定与分离等方面有广泛的应用。碳纳米管及其衍生材料可开发用于电敏感的透皮药物释放，又可作药物载体进行持续性释放。比如，用超支化聚合物修饰碳纳米管，可以从复合物的羟基末端聚集活性基团，从而增强溶解性能，作为抗癌的药物载体，也可以用作药物缓释载体。用聚乙烯亚胺修饰多壁碳纳米管，分散性好，能降低对细胞的毒性，进一步结合在壳聚糖/甘油磷酸盐上，能增加凝胶的机械强度。同时，改变溶液的pH值、温度等来构建具有双缓释功能的温敏性凝胶，能减少凝胶的突释现象。纳米钻石（dND）装载化疗药物具有较低的毒性和较高的生物兼容性。将叶酸等靶向分子修饰纳米钻石表面，用于装载抗癌药物，以H2N-PEG-NH2作为桥梁分子，形成纳米靶向载药系统，对C6细胞具有靶向作用，为研制肿瘤靶向治疗提供了参考依据。为了避免被单核细胞、巨噬细胞系统等非特异性吸收，并让药物优先进入肿瘤细胞，用超支化缩水甘油（PG）修饰纳米钻石得到dND-PG，有较好的生物相容性，能避免被正常细胞的巨噬细胞非特异性摄取。加载抗癌药物阿霉素显示出对肿瘤细胞具有选择性的毒性作用，可作为肿瘤药物载体，对肿瘤细胞进行选择性给药。将药物分子插入LDHs的层间形成药物-LDHs的纳米杂化物，药物与LDHs层间的相互作用以及空间位阻效应能有效地控制药物释放，减少药物发生酶解作用。LDHs表面存在大量的羟基，便于进行表面功能化修饰，增强靶向性，避免被巨噬细胞吞噬而从人体内清除，提高药物的输送效率。LDHs适合装载不同类型的药物，将药物插入到LDHs的层间结构，药物以阴离子形式装载并被控释。通过共沉淀法在LDHs层间成功地嵌入维生素C，维生素C的阴离子垂直插于LDHs层间，热稳定性显著增强。通过离子交换反应来释放维生素C，延长释放时间。

1.2蛋白质载体

纳米材料在诊断、药物输送、生物功能材料、生物传感器等方面得到了迅猛的发展，出现了疾病治疗、诊断、造影成像等多种功能的组合。无机纳米材料在生物大分子药物的载体，包括运载蛋白质、多肽、DNA和siRNA等方面的研究较多。纳米多孔硅有较好的生物相容性、生物可降解性和可调控的纳米粒径，可作为药物输送系统。壳聚糖修饰多孔硅后可用于运载口服给药的胰岛素，改善胰岛素的跨细胞渗透，增加与肠道细胞黏液层的表面接触，提高细胞的摄入，可用于口服递送蛋白质和多肽。纳米羟基磷灰石与蛋白质分子有高亲和性，可用作蛋白质药物缓释载体，能提供钙离子，造成肿瘤细胞过度摄入，从而抑制肿瘤细胞活性，诱导肿瘤细胞凋亡。

1.3基因载体

基因治疗是遗传性疾病的临床治疗策略，主要依赖于发展多样性的载体。无机纳米材料用于基因疗法是利用无机粒子和可生物降解的多聚阳离子合成新型的纳米药物载体，如介孔二氧化硅作为基因载体可用于肿瘤治疗，促进体外siRNA的递送。乙醛修饰的胱氨酸具有自身荧光的特点，可对pH值和谷胱甘肽进行响应。通过荧光标记类树状大分子的二氧化硅纳米载体具有分级的孔隙，不仅毒性低、基因装载率高，转染率也较高。引发谷胱甘肽二硫键裂解，可促进质粒DNA（pDNA）释放，并能使用自发荧光来实时示踪。又如，通过π-π共轭、静电作用等非共价键作用力结合，能将DNA、RNA等生物大分子和化学药物固定在氧化石墨烯上。

1.4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。例如，纳米二氧化硅可替代骨组织，促进人工植入材料与肌肉组织融合。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。

1.5临床诊断和治疗

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。免疫磁分离法基于磁性杂化材料可导电，在外部磁场下积累，可用于临床热疗。磁热疗以磁流体形式进入肿瘤组织，利用肿瘤细胞与正常细胞之间不同的热敏感度，将外部磁场产生的磁能转化成热能从而杀死肿瘤细胞。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。用绿色荧光蛋白标记，形成温敏的磁性纳米固相生物传感器，用磁性材料制成固相生物传感器的支架，在磁场作用下，响应更快，表面易于更新，可用于免疫诊断。磁性纳米氧化铁作为临床应用的磁性纳米材料，受到人们的广泛关注。Fe3O4和γ-Fe2O3的特殊磁性质使其在靶向肿瘤药物载体、磁疗、热疗、核磁共振成像、生物分离等生物医学领域中得以应用。用无机纳米材料制作激发荧光探针进行临床诊断，如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。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。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。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。银纳米粒子杀菌活性远高于银离子，在杀菌抑菌方面得到广泛的应用，可用于外科手术中的伤口愈合、药学、生命科学等生物和临床医学领域。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。镍纳米粒子固定在海藻酸水凝胶中，通过热敏感粒子与镍磁纳米粒子交联形成囊状结构，组成热磁双敏感的磁性纳米粒子。在交变磁场下缓慢释放水凝胶中的镍纳米粒子，通过远程调控来激发水凝胶中成纤维细胞的凋亡。无机纳米材料的类别不同，在尺寸、形貌上有很大的变动范围，因其核心材料的量子特性，已日益成为涉及临床诊断、成像和治疗的手段，为纳米材料在生物医学上的应用提供更多的可能。

2展望

纳米技术作为新时代的疾病治疗模式，为未来的临床用药提供了新的可能，在生物医学的应用上有很大的前景。目前，癌症治疗主要包括手术、放疗和化疗等手段，而药物剂量增多会造成副作用。纳米粒子可以作为靶向药物载体、成像造影剂、化疗、热疗、磁疗系统，可通过血脑屏障，在治疗神经系统疾病中有很大的潜力，有望成为攻克癌症的新手段。无机纳米材料在药物载体、临床诊断和治疗等方面有广阔的应用前景，但目前的研究大多处于实验阶段。无机纳米材料在生物医学应用中有待解决的问题包括：

（1）提高疾病治疗的针对性、靶向性和可调控性；

（2）使无机纳米材料相对固定在肿瘤细胞表面，不至于扩散到正常组织，从而提高肿瘤部位的有效浓度，减少毒副作用；

（3）纳米材料有潜在的毒性，可降低纳米材料的毒副作用以达到临床应用的标准；

（4）寻找优质材料，优化结构，提高材料的生物相容性、生物安全性，并针对不同的药物溶解性设计特定的载体和功能材料骨架，增加细胞的摄取和利用；

（5）生物合成方法与其他合成方法相结合，无机与有机材料组合成复合材料，组装成集检测与治疗于一体、多靶点的功能材料；

（6）了解无机纳米材料在生物体内的作用条件、运行机制和降解过程。随着无机纳米技术、有机合成技术、生物技术以及激光共聚焦、X线衍射（X-raydiffraction，XRD）、MRI等现代化检测技术的发展，这些问题将逐步得到解决，使无机纳米材料成为可应用于临床的多功能生物医学材料，提供更广阔的疾病治疗和药物输送平台。

作者：李珺 李晓桐 赵明