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纳米材料在生物医学中的应用

【摘要】纳米材料和纳米技术在最近几年得到了科学界的重视，其在各个领域的应用都越来越广泛。由于纳米材料的特殊的尺寸效应，纳米颗粒、纳米管以及各种纳米技术在生物医学方面的应用正蓬勃发展，势头十足。在这些应用领域发展的同时，人们也逐渐认识到其中的一些问题，如纳米材料的生物毒性等，并逐渐进行研究和改进。
【关键词】纳米材料纳米颗粒纳米管生物医学生物毒性

纳米材料是指尺度在1nm—100nm范围内的材料，常见的有零维纳米颗粒和一维纳米材料，后者包括纳米棒、纳米线和纳米管等等。纳米技术是指在纳米尺度范围内，操纵原子、分子或原子团、分子团，使它们重新排列组合,创造具有特定功能的新物质的科学技术。纳米材料的研究和纳米技术在最近几年得到了广泛的重视和发展，并被应用到很多领域。
纳米材料自从在微电子和半导体工业中得到了成功应用之后，现在正逐渐被应用于生物医学方面，并取得了良好的效果。纳米微粒在性能上与通常所用的宏观材料完全不同，具有很多特殊性。这些特殊的性能主要是与其特殊的体积所引起，主要表现为表面与界面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等。纳米微粒的这些特殊性能使得其在实际应用中具有很多特殊的效果，如比表面积大、表面活性中心多、表面反应活性高、强烈的吸附能力、较高催化能力、低毒性以及不易受体内和细胞内各种酶降解等。这些特殊的表现，使得其在生物医学方面得到广泛的应用。纳米微粒在生物医学应用上占据了很大的地位，但一维纳米材料如纳米管在一些特殊的生物应用中具有独特的优势，也开始受到重视。纳米管具有较大的内部空腔体积，从小分子到蛋白质分子等许多化学或生物物质都可被填充其中；此外，纳米管具有明显的内、外表面和开放的端口，便于进行不同的化学或生物化学修饰改性。下面分别介绍两者在生物医学方面的应用。

1、纳米微粒在生物医学上的应用
应用于生物体内应用的纳米材料，它本身既可以是具有生物活性，也可以不具有生物活性，但它在满足使用需要时还必须易于被生物体接受，而不引起不良反应。目前纳米微粒在这方面的应用十分的广泛，如生物芯片、纳米生物探针、核磁共振成像技术、细胞分离和染色技术、作为药物或基因载体、生物替代纳米材料、生物传感器等很多领域。下面对一些比较成熟的技术作一些介绍。
1.1生物芯片
生物芯片是在很小几何尺度的表面积上，装配一种或集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性以及它们之间的相互作用，从而获得生命微观活动的规律。其主要分为蛋白质芯片和基因芯片(即DNA芯片)两类，具有集成、并行和快速检测的优点，其发展的最终目标是将样品制备、生化反应到分析检测的全过程集成化以获得所谓的微型全分析系统。纳米基因芯片技术正是利用了大多数生物分子自身所带的正或负电荷，将电流加到测试板上使分子迅速运动并集中，通过电子学技术，分子在纳米基因芯片上的结合速度比传统方法提高一千倍。与常规技术相比，纳米基因芯片具有很多优点，如微电子技术使带电荷的分子运动速度加快，分子杂交的时间仅以分钟计而非传统技术的以小时计；灵活性强，测试基板可安排为各种点阵结构，可同时对一个样本进行多种测试，分析多种测试结果；用户容易按自己的要求建立测试点阵；可现场进行置换扩增，使测试敏感，更有力度等等。生物芯片最典型的应用就是进行分子诊断，用于基因研究和传染病研究等等。
1.2纳米生物探针
纳米探针一种探测单个活细胞的纳米传感器，探头尺寸仅为纳米量级，当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。一些高选择性和高灵敏度的纳米传感器可以用于探测很多细胞化学物质，可以监控活细胞的蛋白质和感兴趣的其他生物化学物质。还可以探测基因表达和靶细胞的蛋白生成，用于筛选微量药物，以确定那种药物能够最有效地阻止细胞内致病蛋白的活动。随着纳米技术的进步，最终实现评定单个细胞的健康状况。使用能够接受激光产生荧光的半导体量子点（一种半导体纳米微晶粒），可以改善由于传统有机荧光物质激发光谱范围窄、发射峰宽而且容易脱尾等现象。使用纳米生物荧光探针可以快速准确的选择性标记目标生物分子，灵敏测试细胞内的失踪剂，标记细胞，也可以用于细胞表面的标记研究。此外进行其它改造可以用以检测很多其他东西，如Cognet等人用10nm的金颗粒标记膜蛋白用于蛋白质的成像检测，克服了荧光标记的褪色及闪动的缺点，检测灵敏度高，信号稳定。另有人选用葡萄糖包覆超顺磁性的Fe3O4纳米粒子，通过葡萄糖表面的酞基化实现与抗体的偶联，制得Fe3O4/葡萄糖/抗体磁性纳米生物探针，将此探针进行层析实验，结果表明，该探针完全适用于快速免疫检测的需要。
1.3核磁共振成像技术
该技术是现在医学中使用较多的一种技术，其使用的纳米微粒主要是纳米级的超顺磁性氧化铁粒子。根据产品的颗粒大