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纳米材料在生物医药领域中的应用

纳米材料分类:

1 纳米陶瓷材料
     常规陶瓷由于气孔、缺陷的影响,存在着低温脆性的缺点,它的弹性模量远高于人骨,力学相容性欠佳,容易发生断裂破坏,强度和韧性都还不能满足临床上的高要求,使它的应用受到一定的限制。而纳米陶瓷由于晶粒很小,使材料中的内在气孔或缺陷尺寸大大减少,材料不易造成穿晶断裂,有利于提高材料的断裂韧性;而晶粒的细化又同时使晶界数量大大增加,有助于晶粒间的滑移,使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。许多纳米陶瓷在室温下或较低温度下就可以发生塑性变形。纳米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。
传统的氧化物陶瓷是一类重要的生物医学材料,在临床上已有多方面应用,主要用于制造人工骨、人工足关节、肘关节、肩关节、骨螺钉、人工齿,以及牙种植体、耳听骨修复体等等。此外还用作负重的骨杆、锥体人工骨、修补移植海绵骨的充填材料、不受负重影响的人工海绵骨及兼有移植骨作用的髓内固定材料等。纳米陶瓷的问世,将使陶瓷材料在强度、硬度、韧性和超塑性上都得到提高,因此,在人工器官制造、临床应用等方面纳米陶瓷材料将比传统陶瓷有更广泛的应用并具有极大的发展前景。

2 纳米碳材料
     碳是组成有机物质的主要元素之一,更是构成人体的重要元素,很早以前人们就发现碳与人体的生物相容性十分优异。因此碳材料在人工心脏瓣膜、人工齿根、人工骨与人工关节、人工血管、人工韧带和肌腱等方面获得广泛应用。由碳元素组成的碳纳米材料统称为纳米碳材料。在纳米碳材料中主要包括纳米碳纤维、碳纳米管、类金刚石碳等; 
纳米碳纤维除了具有微米级碳纤维的低密度、高比模量、比强度、高导电性之外,还具有缺陷数量极少、比表面积大、结构致密等特点,这些超常特性和良好的生物相容性,使它在医学领域中有广泛的应用前景,包括使人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱在强度、硬度、韧性等多方面的性能显著提高;此外,利用纳米碳材料的高效吸附特性,还可以将它用于血液的净化系统,清除某些特定的病毒或成份。
自从1991年碳纳米管发现以来,就以它独特的导电、机械及半导体性能而成为引人注目的新材料。碳纳米管的强度很高,同时还具有理想的弹性和很高的硬度,这种理想的力学性能使碳纳米管具有许多潜在的应用价值。另外,在扫描隧道显微镜(STM)上用碳纳米管修饰的针尖来研究生物大分子,成功地解决了许多用普通STM 针尖无法解决的问题,分辨率也更高。例如在针尖上使多壁碳纳米管修饰上可以识别一些特种原子的不同基团,就使得STM不仅能够表征一般的形貌,而且能够识别生物大分子,这对于研究生物薄膜和细胞结构非常有意义。
类金刚石碳是一种具有大量金刚石结构碳-碳键的碳氢聚合物,可以通过等离子体或离子束技术沉积在物体的表面形成薄膜。经过一定修饰所形成的类金刚石涂层具有纳米结构,表现出优秀的生物相容性,尤其是它的血液相容性,更引起人们的关注。与其它材料相比,类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低,对白蛋白的吸附增强,血小板的粘附数量显著下降,抗凝血性能增强,血管内膜增生减少。因此,类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要的应用价值,例如提高机械心瓣表面及心室辅助循环血泵表面的抗凝血性能、开发具有优异抗凝血性能的小口径人工血管以及其它各种与血液直接接触的人工器官和诊疗器械等等。

3 纳米高分子材料
     目前,纳米高分子材料的应用已涉及免疫分析、药物控制释放载体、及介入性诊疗等许多方面。
免疫分析作为一种常规的分析方法,在蛋白质、抗原、抗体乃至整个细胞的定量分析上发挥着巨大的作用。在特定的载体上,以共价结合的方式固定对应于分析对象的免疫亲和分子标识物,将含有分析对象的溶液与载体温育,通过显微技术检测自由载体量,就可以精确地对分析对象进行定量分析。在免疫分析中,载体材料的选择十分关键。纳米聚合物粒子,尤其是某些具有亲水性表面的粒子,对非特异性蛋白的吸附量很小,因此已被广泛地作为新型的标记物载体来使用。
在药物控制释放方面,纳米聚合物粒子有重要的应用价值。许多研究结果已经证实,某些药物只有在特定部位才能发挥其药效,同时它又易被消化液中的某些生物大分子所分解,因此,口服这类药物的药效并不理想。于是人们用某些生物可降解的高分子材料对药物进行保护并控制药物的释放速度,这些高分子材料通常以微球或微囊的形式存在。药物经过载体运送后,药效损伤很小,而且还可以有效控制释放,延长了药物的作用时间。据报道,纳米高分子材料作为载体,与各类药物之间,无论是亲水性的、疏水性的药物或者是生物大分子制剂,都有良好的相容性,因此能够负载或包覆多种药物,同时可以更有效地控制药物的释放速度。
纳米高分子粒子还可以用于某些疑难病的介入性诊断和治疗。纳米粒子的直径比红血球小得多,可以在血液中自由运动,因此可以注入各种对机体无害的纳米粒子到人体的各部位,检查病变和进行治疗。除此之外,载有抗生素或抗癌制剂的纳米高分子粒子可以用动脉输送给药的方法进入体内,用于某些特定器官的临床治疗。载有药物的纳米球还可以制成乳液进行肠外或肠内的注射;也可以制成疫苗进行皮下或肌肉内注射。

4 纳米复合材料
     近年来,组织工程成为一个崭新的研究领域,吸引了众多学科研究者的关注。在工程化的方法培养组织、器官的过程中,用于细胞种植、生长的支架材料是一个关键的因素,能否使种植的细胞保持活性和增殖能力,是支架材料应用的重要条件。据报道,将甲壳素按一定的比例加入到胶原蛋白中可以制成一种纳米结构的复合材料,与以往的胶原蛋白支架相比,其力学强度得到增强,孔径尺寸增大,表明这种具有纳米结构的复合材料作为细胞生长的三维支架,在力学、生物学方面有很大的优越性和应用潜力。
在硬组织修复与替换的研究中,纳米复合材料也开始逐步显示出其优异的性能。用肽分子和两亲化合物的自组装可以得到一种类似细胞外基质的纤维状支架,这种纳米纤维可以引导羟基磷灰石的矿化,形成纳米结构的复合材料,研究发现,这种纳米复合材料内部的微观结构与自然骨中胶原蛋白/羟基磷灰石晶粒的排列结构一致。

 

    纳米材料是上世纪八十年代中期发展起来的新型材料,它所具有的纳米结构使它显示出独特而优异的性能和崭新的功能。纳米材料所具有的许多优异性能使它在生物医药领域具有广阔的应用前景。

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