中國(guó)粉體網(wǎng)8月29日訊 隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，納米材料已成為一種新型材料。納米材料具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如小尺寸效應(yīng)、巨大比表面積、極高的反應(yīng)活性、量子效應(yīng)等，這些特性使納米科學(xué)成為當(dāng)今世界三大支柱科學(xué)之一。碳納米材料是納米材料領(lǐng)域重要的組成部分，主要包括碳納米管、富勒烯、石墨烯、納米鉆石及其衍生物等。由于其獨(dú)特的理化特性，它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。另外，隨著碳納米材料的產(chǎn)業(yè)化，各種形式的碳納米材料將以不同途徑進(jìn)入人們的生活，納米材料的生物安全性問(wèn)題正受到世界各國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注。
組織工程
1.骨組織工程
碳納米管是Lijima于1991年發(fā)現(xiàn)的一種新型納米材料，是一種由碳原子sp2雜化形成的石墨烯片層卷成的無(wú)縫中空的管體，根據(jù)管壁層數(shù)的差別，一般可以分為單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管。研究表明，碳納米管不僅具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和韌性，還具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)以及吸收等性能，是一種公認(rèn)的超強(qiáng)一維增強(qiáng)材料，可以很好地解決組織修復(fù)領(lǐng)域中存在的一些問(wèn)題。
眾所周知，羥基磷灰石是骨骼的天然組分之一，在生理環(huán)境下性能穩(wěn)定，納米級(jí)材料為骨細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)提供了良好的支撐，使骨細(xì)胞易于貼附，分泌多種成骨分化因子，并且在骨細(xì)胞鈣化過(guò)程中，納米羥基磷灰石還為骨細(xì)胞鈣化成骨提供晶核，發(fā)揮骨傳導(dǎo)作用。因此，納米羥基磷灰石是骨修復(fù)領(lǐng)域中研究最為廣泛的材料。但是，現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，純的羥基磷灰石的力學(xué)性能較差，不能用作承重植入材料。研究證實(shí)，將碳納米管和羥基磷灰石制成復(fù)合材料，有望在保持其生物相容性的同時(shí)大大提高其力學(xué)性能。研究表明，多壁碳納米管負(fù)載骨水泥之后，能夠顯著提高骨水泥的力學(xué)性能。
2.神經(jīng)組織工程
碳納米管獨(dú)特的性質(zhì)也引起了人們對(duì)其在神經(jīng)組織學(xué)領(lǐng)域的研究興趣，碳納米管增強(qiáng)型復(fù)合材料能夠有效地重建神經(jīng)缺損的大鼠斜方肌的運(yùn)動(dòng)機(jī)能，術(shù)后再生神經(jīng)電生理與組織學(xué)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果與自體神經(jīng)移植材料相當(dāng)，部分指標(biāo)結(jié)果甚至超過(guò)自體神經(jīng)移植。這些研究表明，碳納米管增強(qiáng)型復(fù)合材料是橋接修復(fù)周圍神經(jīng)的理想材料。據(jù)報(bào)道，富勒烯具有良好的清除自由基的能力，許多神經(jīng)退行性病變，如阿爾茲海默癥 帕金森癥，都是由于谷氨酸受體過(guò)度激活，產(chǎn)生過(guò)量的活性氧自由基和NO自由基造成的，實(shí)驗(yàn)證明富勒烯可以有效減少神經(jīng)元的死亡。
藥物/基因載體
1.藥物載體
碳納米管獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)和納米管徑，為容納藥物或生物特異性分子提供了有利的空間，但它不溶于任何溶劑的特性限制了它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，對(duì)其表面進(jìn)行修飾，以提高它的水溶性、生物相容性及靶向性成為一個(gè)非常熱的研究領(lǐng)域。據(jù)報(bào)道，通過(guò)對(duì)單壁碳納米管進(jìn)行修飾，在其表面連接葉酸就可以靶向葉酸受體陽(yáng)性的腫瘤細(xì)胞，在紅外線的照射下特異地殺傷腫瘤細(xì)胞，但對(duì)正常細(xì)胞不會(huì)造成不良影響。
2.基因載體
基因治療是目前一種新興的研究領(lǐng)域，是通過(guò)將目的基因送到靶細(xì)胞中，使之進(jìn)行復(fù)制和表達(dá)，從而特異性的治療疾病的一種方法�；蛑委煹膶�(shí)施，首先需要合適的基因載體，以保護(hù)DNA不被核酸酶降解。因此，尋找合適的基因載體是目前基因治療研究的主要方向。
生物成像
1.生物成像劑
生物體在近紅外區(qū)基本不產(chǎn)生熒光，由于SWNTs獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，不需要通過(guò)熒光基團(tuán)對(duì)其修飾就能產(chǎn)生較強(qiáng)烈的熒光，且具有較高的抗猝滅和抗光漂白等性能。因此，科研人員研究了碳納米管在成像方面的應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，SWCNTs 進(jìn)入細(xì)胞后，其本身帶有的拉曼光譜信號(hào)及熒光信號(hào)能在細(xì)胞正常分裂增殖及分化過(guò)程中保留達(dá)3個(gè)月，利用這一特性可以使其作為生物標(biāo)記物長(zhǎng)期跟蹤觀察。除了細(xì)胞成像，碳納米管的近紅外熒光在活體成像上也得到應(yīng)用。
2.MRI成像劑
臨床用的 MRI 對(duì)比劑主要是一些由高順磁性金屬與配體形成的螯合物，主要以含La系金屬配合物為主，其中以Gd- DTPA應(yīng)用最為廣泛。目前MRI成像劑的研究主要以基于Gd的化合物為主。
腫瘤治療
1.腫瘤熱療
碳納米管本身不具有任何抗腫瘤的特性，但由于它暴露在激光或近紅外輻射時(shí)，會(huì)通過(guò)震動(dòng)產(chǎn)生熱能，使腫瘤局部產(chǎn)生大量熱能，由于腫瘤組織血液供給不足，熱量散發(fā)較慢，局部溫度升高，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞死亡，故碳納米管可以用于深組織熱療。結(jié)果表明，單壁碳納米管處理組能夠有效抑制腫瘤生長(zhǎng)，明顯提高治愈率。
2.光動(dòng)力療法
光動(dòng)力療法是在20世紀(jì)70年代末問(wèn)世，而在近幾年迅速發(fā)展的一種新技術(shù)，是通過(guò)光照射活化聚集在病灶組織中的光敏劑，產(chǎn)生活性氧和自由基來(lái)達(dá)到使細(xì)胞損傷和壞死的目的。藥物和光敏劑的雙向選擇作用賦予了其抗腫瘤靶向性高的特點(diǎn)，成為腫瘤治療研究最活躍的領(lǐng)域之一。研究顯示，C60羧酸衍生物在可見(jiàn)光照射下能夠使DNA斷裂，抑制毒性細(xì)胞的生長(zhǎng)，使其有希望用于光動(dòng)力療法。由于富勒烯分子中的 - 共軛體系可以有效的吸收可見(jiàn)光，產(chǎn)生活性氧，使得其作為光敏劑在光動(dòng)力療法領(lǐng)域有極高的應(yīng)用前景。
據(jù)報(bào)道，富勒烯在避光條件下，能夠作為自由基清除劑，而在光照條件下，則成為優(yōu)良的光敏劑。然而由于富勒烯的高度疏水性，其作為光敏劑的生物利用率差，腫瘤親合性低，所以需要對(duì)其進(jìn)行表面修飾。
3.抗腫瘤藥物
納米顆�？鼓[瘤作用具有下面5個(gè)方面的特點(diǎn)：(1)能夠抑制腫瘤生長(zhǎng)但不殺死細(xì)胞；( 2)同時(shí)抑制多種腫瘤血管生長(zhǎng)因子的表達(dá)；(3) 能夠逆轉(zhuǎn)抗癌藥物的抗藥性；(4)不同于傳統(tǒng)的抗腫瘤藥物導(dǎo)致的免疫系統(tǒng)被破壞，反而能夠激活機(jī)體的免疫功能；(5)不損傷細(xì)胞，卻能夠清除自由基，增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化的能力。
生物傳感器
目前，生物傳感器主要有酶生物傳感器、免疫傳感器和DNA生物傳感器。碳納米管用來(lái)修飾電極，可以降低化學(xué)物質(zhì)的氧化還原電位，碳納米管大的比表面積有利于生物分子的固定化，促進(jìn)生物活性中心與電極表面的電子傳遞，因此，碳納米管在生物傳感器方面具有潛在的應(yīng)用。
組織工程
1.骨組織工程
碳納米管是Lijima于1991年發(fā)現(xiàn)的一種新型納米材料，是一種由碳原子sp2雜化形成的石墨烯片層卷成的無(wú)縫中空的管體，根據(jù)管壁層數(shù)的差別，一般可以分為單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管。研究表明，碳納米管不僅具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和韌性，還具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)以及吸收等性能，是一種公認(rèn)的超強(qiáng)一維增強(qiáng)材料，可以很好地解決組織修復(fù)領(lǐng)域中存在的一些問(wèn)題。
眾所周知，羥基磷灰石是骨骼的天然組分之一，在生理環(huán)境下性能穩(wěn)定，納米級(jí)材料為骨細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)提供了良好的支撐，使骨細(xì)胞易于貼附，分泌多種成骨分化因子，并且在骨細(xì)胞鈣化過(guò)程中，納米羥基磷灰石還為骨細(xì)胞鈣化成骨提供晶核，發(fā)揮骨傳導(dǎo)作用。因此，納米羥基磷灰石是骨修復(fù)領(lǐng)域中研究最為廣泛的材料。但是，現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，純的羥基磷灰石的力學(xué)性能較差，不能用作承重植入材料。研究證實(shí)，將碳納米管和羥基磷灰石制成復(fù)合材料，有望在保持其生物相容性的同時(shí)大大提高其力學(xué)性能。研究表明，多壁碳納米管負(fù)載骨水泥之后，能夠顯著提高骨水泥的力學(xué)性能。
2.神經(jīng)組織工程
碳納米管獨(dú)特的性質(zhì)也引起了人們對(duì)其在神經(jīng)組織學(xué)領(lǐng)域的研究興趣，碳納米管增強(qiáng)型復(fù)合材料能夠有效地重建神經(jīng)缺損的大鼠斜方肌的運(yùn)動(dòng)機(jī)能，術(shù)后再生神經(jīng)電生理與組織學(xué)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果與自體神經(jīng)移植材料相當(dāng)，部分指標(biāo)結(jié)果甚至超過(guò)自體神經(jīng)移植。這些研究表明，碳納米管增強(qiáng)型復(fù)合材料是橋接修復(fù)周圍神經(jīng)的理想材料。據(jù)報(bào)道，富勒烯具有良好的清除自由基的能力，許多神經(jīng)退行性病變，如阿爾茲海默癥 帕金森癥，都是由于谷氨酸受體過(guò)度激活，產(chǎn)生過(guò)量的活性氧自由基和NO自由基造成的，實(shí)驗(yàn)證明富勒烯可以有效減少神經(jīng)元的死亡。
藥物/基因載體
1.藥物載體
碳納米管獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)和納米管徑，為容納藥物或生物特異性分子提供了有利的空間，但它不溶于任何溶劑的特性限制了它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，對(duì)其表面進(jìn)行修飾，以提高它的水溶性、生物相容性及靶向性成為一個(gè)非常熱的研究領(lǐng)域。據(jù)報(bào)道，通過(guò)對(duì)單壁碳納米管進(jìn)行修飾，在其表面連接葉酸就可以靶向葉酸受體陽(yáng)性的腫瘤細(xì)胞，在紅外線的照射下特異地殺傷腫瘤細(xì)胞，但對(duì)正常細(xì)胞不會(huì)造成不良影響。
2.基因載體
基因治療是目前一種新興的研究領(lǐng)域，是通過(guò)將目的基因送到靶細(xì)胞中，使之進(jìn)行復(fù)制和表達(dá)，從而特異性的治療疾病的一種方法�；蛑委煹膶�(shí)施，首先需要合適的基因載體，以保護(hù)DNA不被核酸酶降解。因此，尋找合適的基因載體是目前基因治療研究的主要方向。
生物成像
1.生物成像劑
生物體在近紅外區(qū)基本不產(chǎn)生熒光，由于SWNTs獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，不需要通過(guò)熒光基團(tuán)對(duì)其修飾就能產(chǎn)生較強(qiáng)烈的熒光，且具有較高的抗猝滅和抗光漂白等性能。因此，科研人員研究了碳納米管在成像方面的應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，SWCNTs 進(jìn)入細(xì)胞后，其本身帶有的拉曼光譜信號(hào)及熒光信號(hào)能在細(xì)胞正常分裂增殖及分化過(guò)程中保留達(dá)3個(gè)月，利用這一特性可以使其作為生物標(biāo)記物長(zhǎng)期跟蹤觀察。除了細(xì)胞成像，碳納米管的近紅外熒光在活體成像上也得到應(yīng)用。
2.MRI成像劑
臨床用的 MRI 對(duì)比劑主要是一些由高順磁性金屬與配體形成的螯合物，主要以含La系金屬配合物為主，其中以Gd- DTPA應(yīng)用最為廣泛。目前MRI成像劑的研究主要以基于Gd的化合物為主。
腫瘤治療
1.腫瘤熱療
碳納米管本身不具有任何抗腫瘤的特性，但由于它暴露在激光或近紅外輻射時(shí)，會(huì)通過(guò)震動(dòng)產(chǎn)生熱能，使腫瘤局部產(chǎn)生大量熱能，由于腫瘤組織血液供給不足，熱量散發(fā)較慢，局部溫度升高，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞死亡，故碳納米管可以用于深組織熱療。結(jié)果表明，單壁碳納米管處理組能夠有效抑制腫瘤生長(zhǎng)，明顯提高治愈率。
2.光動(dòng)力療法
光動(dòng)力療法是在20世紀(jì)70年代末問(wèn)世，而在近幾年迅速發(fā)展的一種新技術(shù)，是通過(guò)光照射活化聚集在病灶組織中的光敏劑，產(chǎn)生活性氧和自由基來(lái)達(dá)到使細(xì)胞損傷和壞死的目的。藥物和光敏劑的雙向選擇作用賦予了其抗腫瘤靶向性高的特點(diǎn)，成為腫瘤治療研究最活躍的領(lǐng)域之一。研究顯示，C60羧酸衍生物在可見(jiàn)光照射下能夠使DNA斷裂，抑制毒性細(xì)胞的生長(zhǎng)，使其有希望用于光動(dòng)力療法。由于富勒烯分子中的 - 共軛體系可以有效的吸收可見(jiàn)光，產(chǎn)生活性氧，使得其作為光敏劑在光動(dòng)力療法領(lǐng)域有極高的應(yīng)用前景。
據(jù)報(bào)道，富勒烯在避光條件下，能夠作為自由基清除劑，而在光照條件下，則成為優(yōu)良的光敏劑。然而由于富勒烯的高度疏水性，其作為光敏劑的生物利用率差，腫瘤親合性低，所以需要對(duì)其進(jìn)行表面修飾。
3.抗腫瘤藥物
納米顆�？鼓[瘤作用具有下面5個(gè)方面的特點(diǎn)：(1)能夠抑制腫瘤生長(zhǎng)但不殺死細(xì)胞；( 2)同時(shí)抑制多種腫瘤血管生長(zhǎng)因子的表達(dá)；(3) 能夠逆轉(zhuǎn)抗癌藥物的抗藥性；(4)不同于傳統(tǒng)的抗腫瘤藥物導(dǎo)致的免疫系統(tǒng)被破壞，反而能夠激活機(jī)體的免疫功能；(5)不損傷細(xì)胞，卻能夠清除自由基，增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化的能力。
生物傳感器
目前，生物傳感器主要有酶生物傳感器、免疫傳感器和DNA生物傳感器。碳納米管用來(lái)修飾電極，可以降低化學(xué)物質(zhì)的氧化還原電位，碳納米管大的比表面積有利于生物分子的固定化，促進(jìn)生物活性中心與電極表面的電子傳遞，因此，碳納米管在生物傳感器方面具有潛在的應(yīng)用。
