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1、第10章 纳米生物材料u纳米生物材料概述u高分子纳米生物材料u陶瓷纳米生物材料u纳米生物复合材料u纳米组织工程支架材料u展望纳米材料学的蓬勃发展始于20世纪80年代末。1990年7月伴随着第一届国际科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议的召开以及纳米技术、纳米生物学两种国际期刊的问世，纳米材料学正式成为材料科学的一个新分支。由于纳米材料具有其他传统材料所不具备的奇异的物理、化学和力学性质，因此在众多的领域和行业中都具有广泛的应用前景。10.1 纳米生物材料概述10.1.1 纳米生物材料的概念和基本效应纳米生物材料是指在三维方向上至少有一维处于纳米尺度范围（1100nm）的生物医用材料。它能
2、对生物材料进行诊断、治疗、修复或者替换病损组织。与一般的纳米材料一样，纳米生物材料也具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等基本效应。 小尺寸效应当颗粒尺寸处于纳米尺度时，由于粒子包含的原子数很少，使得材料的声、光、电、磁、热等物理性质发生变化，这样的效应称为小尺寸效应，也叫体积效应。由于金属纳米粒子对光的反射率极低，导致所有的金属在纳米颗粒状态下均呈黑色；相比于块体状态下，纳米金属颗粒的熔点要低得多，比如金的常规熔点为1064，而当颗粒尺寸减小到2nm时熔点仅为327，金属银的粒子尺度下降到5nm时熔点仅为100。 表面效应纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径减小而急剧
3、增大所引起的性质变化称为表面效应。如图7-1所示随着粒子粒径的减小，表面原子数急剧增大。当纳米粒子的粒径为10nm时，表面原子数占总原子数的20%；当粒径减小到1nm时，99%的原子都集中到了粒子的表面。图7-1 粒子粒径与表面原子占总原子数比例的关系 量子尺寸效应当粒子尺寸下降到波尔量子半径附近时，金属费米能级附近的电子能级由准连续转变为离散能级，并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，量子尺寸效应将会导致纳米微粒的电、磁、声、光、热性能发生显著变化，例如导电
4、性能的转变以及光谱线频移。 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应是指纳米粒子的一些宏观量（如磁化强度）具有贯穿势垒的能力。这一效应限定了磁盘、磁带等存储介质的存储时间极限，因为它不但是未来微电子器件的发展基础，也是其进一步微型化的极限。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子将通过隧道效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作。因此，宏观量子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。10.1.2 纳米生物材料的制备方法随着纳米技术应用研究的不断发展，纳米材料的研究种类已经涉及到无机材料、有机材料、非晶态材料、复合材料等；同时特定领域的应用往往需要特定尺寸的均一纳米颗粒，纳米颗粒
5、的形貌和结构也会对其功能产生重要的影响。因此，制备高纯、超细、均匀的纳米颗粒对于获得有应用价值的纳米颗粒、实现纳米材料产业的规模化至关重要。目前纳米颗粒的制备方法多种多样，按照反应物的聚集状态主要可以分为固相法、液相法和气相法。 固相法固相法主要包括物理粉碎法、固相物质热分解法、旋转涂层法和机械合金法等。固相反应不使用溶剂 ,具有高选择性、高产率、低能耗、工艺过程简单等特点。 液相法液相法是目前实验室和工业上最为广泛采用的合成纳米材料的方法，与固相法相比，液相法的特点主要表现在：可控制化学组成；颗粒的表面活性好、易控制颗粒形状和粒径；工业化成本较低。液相法主要包括沉淀法,水解法,喷雾法,乳液法
6、,溶胶-凝胶法等,其中应用最广的是溶胶-凝胶法和沉淀法。 沉淀法沉淀法是指包括一种或多种离子的可溶性盐溶液,当加入沉淀剂(如OH-,C2O42-等)于一定温度下使溶液发生水解,形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出,将溶剂和溶液中原有的阳离子洗去,经热解或热脱即得到所需的氧化物粉料。沉淀法包括共沉淀法、 直接沉淀法、均相沉淀法等。 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶（sol-gel）法是指将前驱物质(水溶性盐或油溶性醇盐)溶于水或有机溶剂中形成均质溶液 ,溶质发生水解反应生成纳米级的粒子并形成溶胶,溶胶经蒸发干燥转变为凝胶，最后将凝胶干燥焙烧得到纳米粉体。该法为低温反应过程,允许掺杂大剂量的无
7、机物和有机物,制备的纳米材料具有高纯度、化学均匀性好、活性大、颗粒细小以及粒径分布窄等优点。 乳液法乳液法是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一个均匀的乳液 ,从乳液中析出固相,这样可使成核、生长、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内 ,从而可形成球形颗粒 ,又避免了颗粒之间进一步团聚。微乳液法具有实验装置简单,能耗低,操作容易;所得纳米粒子粒径分布窄,且单分散性、界面性和稳定性好;与其它方法相比具有粒径易于控制,适应面广等优点。 气相法气相法指直接利用气体或者通过各种手段将物质变为气体,使之在气体状态下发生物理或化学反应,最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。气体蒸发
8、法制备的纳米微粒主要具有如下特点: 表面清洁; 粒度整齐 ,粒径分布窄; 粒度容易控制;颗粒分散性好。气相法通过控制可以制备出液相法难以制得的金属、碳化物、氮化物、硼化物等非氧化物超微粉。气相法主要包括溅射法、蒸发-冷凝法、化学气相沉积法等。10.2 高分子纳米生物材料高分子纳米生物材料也称为高分子纳米微粒或者高分子超微粒，主要通过微乳液聚合的方法得到。由于高分子纳米生物材料具有良好的生物相容性和生物可降解性，已经成为非常重要的纳米生物医学材料，在靶向药物、控释剂以及疑难病的介入诊断方面有着广阔的应用前景。10.2.1 靶向药物载体中使用的高分子纳米生物 材料靶向给药系统(Targeting
9、Drug Delivery System，TDDS)或称靶向制剂，诞生于20世纪70年代，是指。这种制剂能将药品运送到靶器药物通过局部或全身血液循环而浓集定位于靶组织、靶器官、靶细胞的给药系统官或靶细胞，而正常部位几乎不受药物的影响。靶向药物载体系统就其导向机理可分为被动靶向和主动靶向两种类型。 主动靶向药物载体主动靶向药物是利用抗体-抗原和配体-受体结合等生物特异性来实现药物的靶向传递。利用受体与其配体识别的特异性和结合的专一性，可以设计出针对其受体为靶的靶向药物载体系统。这类配体应对受体有很强的亲和力，包括细胞表面标识物如:糖、外源凝聚素等，糖基化交联物如天然糖蛋白及化学修饰的糖基大分子被
10、广泛用作通过受体介导的胞吞作用的主动靶向的配体。含有半乳糖及甘露糖残基的大分子可分别靶向肝细胞及巨噬细胞。 被动靶向药物载体被动靶向药物是通过药物在特定器官或组织积累的性质或者在外来作用(如电场、磁场等)下靶向定位于特定的肿瘤区域实现靶向定位给药的药物。被动靶向药物的载体主要有有脂质体、微泡、毫微粒等微粒。纳米粒子的被动靶向性与其粒径大小有很大的关系。粒径大于7m时通常被最小的肺毛细血管机械地截留, 可直接用于抗肺癌药物的载体;粒径为27m的微粒被毛细血管网摄取后,积集于肝、脾中;粒径为 0.10.2m 时,被网状内皮系统的巨噬细胞内吞转运到肝枯否细胞溶酶体中;粒径小于50nm时,能穿过肝脏内
11、皮或淋巴传递到达骨髓。微泡是近年发展起来的新携载类型。药物呈分子或微粒状态分散于微泡材料中 ,静、动脉注射或栓塞、肌注、皮下注射、埋植或口服均可,是一种很有发展前途的微粒给药系统。将超声波技术和微泡结合起来可以充分利用二者之间的协同作用，如图7-2所示，微泡在超声波的作用下破裂，微泡中的气体能有效的降低其空化阈，使得药物更容易释放出来并在能量波的作用下进入靶向细胞中。图7-2 超声波与微泡的协同作用10.2.2 纳米控释系统中使用的高分子纳米生物 材料 药物和信号分子的控制释放体系统称为控释系统（controlled release delivery system, CRDS），是通过改变负载
12、药物或信号分子载体的结构，使药物或信号分子从载体中的释放可以通过一定的方式和途径进行控制，并较长时间维持一定的有效浓度。 将生物可降解的聚酯和丙烯酸树脂复配制得的纳米粒子作为胰岛素的药物载体，对饱腹的糖尿病实验鼠分别给予常规胰岛素、封装有胰岛素的纳米颗粒和生理盐水。如图7-3所示，给予常规胰岛素的血糖水平比给予封装胰岛素纳米颗粒的血糖水平下降的区别并不明显。4h后前者的血糖浓度开始上升并在10h后超过了控制水平，而后者的血糖浓度在6h12h之间都保持在一个较低的水平上，并将药物的有效时间至少延长了8h，缓释效果非常明显。包封于纳米颗粒中的胰岛素在外部聚合物降解的过程中缓慢而持续不断地释放出来，
13、有效地延长了药物作用的时间。图7-3 饱腹糖尿病实验鼠在分别给予常规胰岛素（ ）、纳米颗粒包封胰岛素（）和生理盐水（） 后血糖浓度随时间变化的关系10.2.3 基因治疗中使用的高分子纳米生物材料基因治疗是指将人类的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞 (需修复或治疗的细胞),以纠正基因的缺陷或者发挥治疗作用 ,从而达到治疗疾病目的的生物医学新技术。基因治疗的载体可分为两大类：一类是病毒类载体系统,一类为非病毒类载体系统,前者是迄今为止最有效的基因转移方法,由于病毒高度分化具有感染和寄生特性，使得其基因转递效率通常达90%以上。由于纳米粒大小与病毒相仿,具有表面效应、小尺寸效应和
14、宏观量子隧道效应等特性,而且具有良好的生物相容性，是良好的基因载体材料。它与病毒载体相比有如下的优点:低免疫原性;高容量性;可对插入其中的DNA片断有很好的保护作用。将纳米材料应用于基因治疗的基本机理是：载体将DNA,RNA、PNA(肽核苷酸 ),dsRNA(双链)等基因治疗分子包裹其中或由静电相互吸引或吸附其表面形成复合物,在细胞摄粒作用下,纳米颗粒进入细胞内,释放基因治疗分子,发挥其治疗效能。10.2.4 免疫分析中使用的高分子纳米生物材料免疫分析主要是利用抗体能够与相应抗原及半抗原发生自发的、高选择性的特异性结合这一性质，通过将特定抗体(抗原)作为选择性试剂来对相应等测抗原(抗体)进行分
15、析测定的方法。通常免疫分析比一般化学分析的灵敏度要高一万或一百万倍。免疫分析的提出和发展是20世纪以来在生物分析化学领域所取得的最伟大的成就之一，估计全世界每年要进行数亿次的免疫分析，对生命科学和医学的进步做出了巨大贡献。 标记免疫分析的种类在标记免疫分析出现之前，免疫分析基本处于定性或半定量阶段。标记免疫分析是将标记技术与抗原抗体的免疫反应相结合的一类分析方法。根据标记试剂的不同，标记免疫分析主要分为:放射免疫分析(RIA)、化学发光免疫分析(CLIA)、酶免疫分析(EIA)和荧光免疫分析(FIA)等。 荧光探针荧光探针又称荧光染料，是一种广泛使用的荧光标示剂, 其优点是检测速度快、重复性好
16、、用样量少、无辐射等。利用荧光探针可测定RNA和DNA的结构、研究DNA 碱基损伤修复、辨别蛋白质分子中氨基的状态和蛋白质分子的活性区, 检测pmol级的蛋白质,区分不同构象的核酸以及有关药物的化学反应活性。作为荧光探针的染料必须通过一定的反应基团与抗体或抗原蛋白质结合，形成染料蛋白质结合物，而这一过程通常是由共价结合来完成的。蛋白质分子中往往含有众多反应基团，如赖氨酸的E-氨基、肤氨酸、半肤氨酸、以及酪氨酸中的酚轻基等。它们可以与染料分子中相应的活性反应基团在一定条件下发生反应。目前已有多种染料类荧光探针应用于荧光免疫分析，其中以荧光素衍生物和罗丹明衍生物应用最为广泛。名称特点四甲基罗丹明异硫氰酸酯量子产率相对较低，但发射波长较长(em=620nm)，因 此样品中来自短波长区域的生物物质自发荧光干扰较少 四乙基罗丹明异硫氰酸酯与异硫氰酸醋荧光素相近异硫氰酸醋荧光素黄色结晶，光稳定性较好，但Stocks位移较小，且对样 品散射敏感丽红胺罗丹明B磺酰氯通过磺酸基与蛋白质氨基结合，其最大吸收波长
