纳米材料在医学领域的应用研究进展

纳米材料在医学领域的应用研究进展【摘 要】在最近几年，纳米材料和纳米技术迅速发展，得到了科学界的重视。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医学方面的应用正蓬勃发展，势头十足。但在医学领域发展的同时，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。本文主要综述纳米科技在基医学、药学、临床医学和预防医学中的应用研究进展 、问题及改进。【关键词】纳米材料 纳米科学 纳米技术 药物载体 医学 生物毒性 毒理学1 引言 纳米仅是一个长度单位，1 nm = 10-9m，当物质进入纳米尺度时，会展现出特有的理化性质，如: 小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等1。随着纳米技术的不断发展，各种纳米材料逐渐进入了我们的视野。碳纳米材料主要包括碳纳米管、富勒烯2、石墨烯和纳米钻石及其衍生物，是目前应用非常广泛的一类纳米材料，现有的研究结果表明，碳纳米材料在组织工程、药物 /基因载体、生物成像、肿瘤治疗、抗病毒 /抗菌以及生物传感等生物医学领域中具有潜在的应用前景。2 纳米材料在医学领域的应用2. 1 纳米材料在生物医学领域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3。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。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。纳米微粒在生物医学上的应用远不止上面提到的这些，利用纳米微粒技术制备生物替代纳米材料、生物传感器等也已有很大发展。如纳米人工骨的研究成功4，并已进行临床试验。功能性纳米粒子与生物大分子如多肽、蛋白质、核酸共价结合，在靶向药物输运和控制释放、基因治疗、癌症的早期诊断与治疗、生物芯片和生物传感器等许多方面显示出诱人的应用前景和理论研究价值。2. 2 智能纳米材料在药物传递系统中的应用研究现状传统的给药方式主要是口服和注射。但是，新型药物的开发，特别是蛋白质、核酸等生物药物，要求有新的载体和药物输送技术，以尽可能降低药物的副作用，并获得更好的药效。粒子的尺寸直接影响药物输送系统的有效性。纳米结构的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术，具有提高药物的生物可利用度、改进药物的时间控制释放性能、以及使药物分子精确定位的潜能。纳米结构的药物输送系统的优势体现在能够直接将药物分子运送到细胞中，而且可以通过健康组织把药物送到肿瘤等靶组织。如通过制备大于正常健康组织的细胞间隙、小于肿瘤组织内孔隙的载药纳米粒子，就可以把治疗药物选择性地输送到肿瘤组织中去。当前研究的用于药物输送的纳米粒子主要包括生物型粒子、合成高分子粒子、硅基粒子、碳基粒子以及金属粒子等。用纳米控释系统输送核苷酸有许多优越性，如能保护核苷酸，防止降解，有助干核苷酸转染细胞，并可起到定位作用，能够靶向输送核苷酸等。还可以对于一些药材，如中药加工成由纳米级颗粒组成的药，有助于人体的吸收。近年来，用磁性纳米粒( 如氧化铁纳米粒) 构建的复合药物载体已成为研究热点。用作药物载体的磁性纳米粒除了具有一般纳米粒子所具有的粒径小、比表面积大、形态/粒径可控等特性外，还具有较好的生物相容性、低细胞毒性及低溶血性; 并可通过在病变部位施以外加磁场，实现靶向富集; 且能通过调节磁场强度产生热能，控制药物的释放; 也可用作磁共振成像的造影剂。磁性纳米粒与高分子药用材料的杂化通常有2 种形式:1) 将药物和磁性纳米粒同时包载入高分子载体中。如，Li 等5采用 W/O/W 型乳化法将 DOX和氧化铁纳米粒( MNPs) 同时包载入聚乳酸羟基乙酸共聚物( PLGA) 纳米粒中，该 PLGA-DOX-MNPs系统可借助外加磁场力有效输送药物至病灶，且MNPs 的存在不影响 DOX 活性。体外实验显示，该纳米粒系统在 37 缓冲液中呈现药物缓释效果。2) 在磁性纳米粒表面包覆聚合物材料或多孔硅材料，将药物包载于聚合物或多孔硅的空隙中。如，Guo 等6以 MNPs 为内核，在其表面同时包覆三嵌段聚合物聚乙二醇单甲醚-b-聚( 甲基丙烯酸-N-甲基丙烯酸丁酯) -b-聚( 甘油单甲基丙烯酸甲酯)mPEG-P( MAA-nBMA) -PGMA和连接叶酸的嵌段共聚物叶酸聚乙二醇-b-聚( 甘油单甲基丙烯酸甲酯) ( FA-PEG-PGMA) ，其中 PGMA 与 MNPs 通过疏水作用相互结合，PMAA 则构成纳米粒的疏水区域，有氨基端的模型药物 DOX 在 pH 7. 4 条件下经离子键和疏水作用载入含羧基的P( MAA-nBMA) 内壳，而 mPEG 作为纳米粒子的亲水外壳，抵御特异性和非特异性吸附。在酸性环境中，PMAA 发生质子化7，导致载体和 DOX 之间的离子键断开，触发药物的释放。 总之，纳米科技的迅速发展为多功能、刺激响应型智能纳米材料的开发提供了坚实的基础，尤其是对2 种及以上的不同材质的杂化材料的广泛应用研究，促进了药物传递系统朝着多功能化、集成化方向发展。基于具有良好生物相容性的金纳米粒、氧化铁纳米粒或硅等杂化材料的药物载体已显现其独特优势，故可通过对纳米材料进行合理的选择、修饰及整合，设计和制备出性能优良的多功能化药物传递系统，提高药物对疾病的预防、诊断和治疗的效果。2. 3 医学纳米材料毒理学研究进展 纳米材料相对于其他常规材料拥有许多独特的理化属性，如细微的粒径、较大的相对比表面积、独特的晶体结构等，虽然这些属性没有经过系统的研究并受当前技术的制约，但是现有研究提示这些特性均有可能产生毒效应8。 与此同时，传统毒理学评价方法应用于纳米材料毒理学评价时也面临着巨大的挑战，首先传统毒理学评价方法主要基于物质的纯度梯度及物理状态等作为研究条件，而纳米材料毒理学还需要考虑粒径尺寸、比表面积、表面电荷、晶体磁性以及溶液分散度等因素，这些都加大了研究的难度和复杂性。其次，纳米材料毒理学不同于传统毒理学中对毒物的研究，其需要考虑更多的现实意义，如纳米颗粒与常规颗粒混合状态下的毒作用以及与其他纳米颗粒的交互作用，因为这更符合职业场所纳米材料颗粒暴露现状。同样在研究方法上也面临挑战，如 Ames 实验常用来检测毒物的基因毒性，而当其运用于纳米材料毒理学领域时，其研究结果往往是阴性的，并与同类实验结果相违背，这提示该方法可能不适用于纳米毒理领域911。虽然纳米材料毒理学研究面临众多挑战，但现有的研究表明，纳米颗粒进入人体的途径包括呼吸道、胃肠道、皮肤接触以及静脉和皮下注射。其中静脉和皮下注射纳米颗粒是纳米医学中特有的暴露途径，因此需要引起足够的重视。4 展望 纳米技术的发展将对传统医学产生很大影响，纳米技术应用到医学领域，为医学技术的研究提供了重大创新机遇和市场前景。纳米医学研究为合理设计功能纳米器件提供了机会，进一步促进了临床纳米药物的发展。纳米材料所展现的优异性能决定其在生物医学领域具有良好的应用前景，但纳米材料在生物医学中的应用研究尚处于初期阶段。目前缺乏对纳米材料生产、使用和转化等整个周期的了解，对进入人体内的纳米材料安全性研究途径还不够全面，缺乏标准化的纳米材料安全性评价程序。如何建立健全评价纳米材料和纳米药物安全性的标准评价体系和检测方法，以及如何健全纳米生产企业的监督管理方法以保证生物和环境安全刻不容缓。参考文献 1申世刚，刘慧玲，王文颖，等纳米颗粒对细胞的保护作用河北大学学报：自然科学版，（）： 2焦芳，周国强，陈春英富勒烯化学修饰与生物医学应用研究进展生态毒理学报，（）： 3王宗花，周成凤，张菲菲，等碳纳米管药物载体的研究进展材料导报，（）： 4黄永辉； 沈铁城；纳米人工骨的研究进展，6（）： 5 Li F，Sun J，Zhu H S，et al Preparation and characteriza-tion novel polymer-coated magnetic nanoparticles Carrier for rubicund J Colloid Surf B，2011，88( 1) : 58-62. 6 Duo M，Que C L，Wang C H，et al Functionalist super-ferromagnetic financiers with defoliated and pH-responsive targeting properties for anticancer drug deliveryJ Bio materials，2011，32( 1) : 185-194. 7李军波； 李桂珍； 韩晨； 杜德光； 肖理慧； 张军凯； 周惠云； 聚甲基丙烯酸单层保护金纳米粒子的制备及pH响应性聚集2013，32( 1) : 18-19.