淺析納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用方向與特性的論文
摘要： 納米料誕生于20世紀80年代末。作為一項新技術(shù), 它正在迅速崛起。納米材料逐漸與許多學(xué)科交叉, 具有很大的應(yīng)用價值, 并已初步應(yīng)用于某些領(lǐng)域。納米材料作為納米技術(shù)的重要組成部分, 也引起了各領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。本文主要介紹了納米材料的一些基本概念和特征, 重點討論了石墨烯、碳納米管、碳點、碳納米角在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用方向與特性, 提出了納米材料的一些熱點和可能存在的全新生長點。
關(guān)鍵詞： 納米材料; 石墨烯; 碳納米管; 碳點; 碳納米角;
前言
納米材料是結(jié)構(gòu)單元尺寸小于100nm的晶體或非晶體。以下所述納米材料都具有三個共同的結(jié)構(gòu)特點:1.納米尺度的結(jié)構(gòu)單元或特征維度尺寸在納米數(shù)量級 (1-100nm) ;2.有大量的界面或自由表面;3.各納米單元之間存在著或強或弱的相互作用。由于這種結(jié)構(gòu)上的特殊性, 使納米材料具有一些獨特的效應(yīng), 包括小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)等, 因而表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能和全新的功能。1984年GIeiter首次用惰性氣體蒸發(fā)原位加熱法制備成功具有清潔表面的納米塊材料并對其各種物性進行了系統(tǒng)研究。從那時以來, 用各種方法所制備的人工納米材料已多達數(shù)百種, 人們正廣泛地探索新型納米材料, 石墨烯、碳納米管、碳點、碳納米角迅速成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的新星。
1. 氧化石墨烯
(1) 氧化石墨烯的特性
石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究是近兩年才開始的, 氧化石墨烯 (或稱石墨烯氧化物) 被應(yīng)用的方面較為廣泛。氧化石墨烯 (GO) 是在石墨烯的基礎(chǔ)上進一步氧化, 表面富含羥基、羧基、環(huán)氧樹脂等官能團, 這些都稱之為含氧活性集團, 因而具有較好的生物相容性和水性能, 比表面積高。GO的表面活性羧基被酰胺化或酯化, 是一種與各種小有機分子、聚合物和生物酰胺相連接的生物活性分子, 生物相容性和功能化都得到了相應(yīng)的提高。除此之外, 良好的溶液穩(wěn)定性也是其獨特特性, 對提高中藥和化學(xué)合成藥物的療效具有重要作用。
(2) 氧化石墨烯在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
(1) 氧化石墨烯作為生物載體材料。因為其具有突出的藥物負荷性能和優(yōu)良的生物相容性, 較高載藥率、靶向性藥物傳遞等。作為一種運載工具, 它不但能與DNA、抗體、蛋白質(zhì)和其他大分子結(jié)合, 而且可以運載小分子。起到了降低藥物不良反應(yīng), 改善藥物穩(wěn)定性的作用。作為一種遞送載體, 其結(jié)構(gòu)的特殊性使其具有一定的殺菌作用。水溶液中氯霉素的穩(wěn)定性低, 易于水解。張雁雯等根據(jù)氯霉素和β-CD-GO分子間存在氫鍵作用, 將β-CD-GO作為氯霉素的運載體, 包封率達到115%, 經(jīng)過了兩項實驗包括加速和長期穩(wěn)定實驗, 測定出了二醇物含量7.28%, 含量低于市面上所含的10.13%處方, 表明該藥物載體體系能提高藥物的穩(wěn)定性, 改善氯霉素的生物利用度。除此之外, GO自身有抗菌活性。Akhavan等在做實驗來確定GO的毒性時, 偶然發(fā)現(xiàn)并且證實它不僅對革蘭氏陽性菌的活性, 而且革蘭氏陰性菌的活性都有破壞作用。其機理是細菌的細胞膜當它與GO片層比較鋒利的尖銳邊緣直接接觸后被破壞從而產(chǎn)生了殺菌作用。因此, 結(jié)合藥物可以起到更優(yōu)的抗菌療效。
(2) 氧化石墨烯作為生物傳感器。細菌分析、DNA和蛋白質(zhì)都可以用氧化石墨烯的生物裝置或生物傳感器來檢測。另外, 與碳納米管比較可知, 石墨烯不僅成本廉價, 而且大規(guī)模生產(chǎn)比較有優(yōu)勢, 有希望在生物傳感中得到實際應(yīng)用。
我們課題組通過堆垛π-π等物理吸附方式制針使用—用藍色光激發(fā)時Fluo·G發(fā)射綠色熒光。同時在p H4.6~8.0時, 伴隨p H值升高Fluo—G熒光密度而升高。研究表明, 與主動跨膜方式相比, Fluo—G被細胞吸收以自由擴散的方式。由于GO的良好的生物相容性, 以及易于合成的特性, 有希望將在細胞成像領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
(3) 氧化石墨烯治療腫瘤的應(yīng)用。光動力學(xué)療法是在某一波長下光敏劑受到激發(fā)后產(chǎn)生單線態(tài)氧從而使腫瘤細胞失活。氧化石墨烯具有較低的生物毒性和良好生物相容。在近紅外區(qū)附近, 石墨烯衍生物具有吸收光的能力。吸收能量后, 腫瘤部位的溫度升高, 癌細胞被殺死。因而增強其在光動力治療腫瘤中的應(yīng)用。Hu等合成了GO/Ti O2的復(fù)合物, 研究了可見光的吸收和催化活性。在可見光下, Ti O2的光動力活性低于GO/Ti O2復(fù)合物, 活性氧自由基更少。實驗表明, GO/Ti O2復(fù)合物對宮頸癌Hela細胞的毒性作用隨著細胞內(nèi)活性氧自由基濃度增加而加強。隨著曝光時間的增加, GO/Ti O2復(fù)合物可以明顯提高細胞中半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3 (caspase一3) 的生物活性, 使細胞凋亡的速率加快。
2. 納米管
(1) 納米管的特性
1991年, 日本NEC的lijima首先發(fā)現(xiàn)了多壁碳納米管, 它可以看作是一個單層或多層石墨薄片, 在一定的螺旋角上繞著中心軸線卷曲的無縫碳納米級管。許多有機物 (這也包括生物) 或無機分子結(jié)合到碳納米管的表面以共價或非共價的方式, 就是因為它具有較大的比表面積, 然后可以進行表面修飾或功能化。碳納米管的功能化可分為兩類:共價修飾和非共價鍵。前者是通過采用羧基與胺基之間的酯化反應(yīng)或羧酸鹽與銨鹽之間的離子作用力將目標分子連接到碳納米管表面。后者是非共價作用吸附其它分子, 附著在碳納米管表面。這種方法的優(yōu)點是能夠保存碳納米管表面的sp2雜化結(jié)構(gòu)。碳納米管表面的缺陷被氧化形成羧基。兩種功能化作用相比, 共價修飾的特異性更為突出。
(2) 納米管在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
(1) 碳納米管作為生物傳感器。以碳納米管作為新型生物傳感器時, 它表現(xiàn)出突出的優(yōu)點有以下幾點:該傳感器體積小、響應(yīng)快速, 并有效檢測區(qū)域縮小到適合的單生物分子檢測水平;傳感器靈敏度高, 因為幾乎所有的電流通過傳感器的檢測位置, 所以高度敏感。更重要的是通過官能化的碳納米管具有了特異性檢測生物分子的能力。例如人們利用SWNT獨特的電學(xué)性質(zhì), 制成了納米碳納米管場效應(yīng)晶體管, 并且它具有半導(dǎo)體特性, 如 (NTFET) 。Star等發(fā)現(xiàn), 在加以電壓時, NTFET表面的生物素分子與其配體-抗生物素蛋白鏈霉素結(jié)合前后FET中電流發(fā)生特征性的變化-其原理可能是蛋白分子與碳納米管之間發(fā)生了電荷的轉(zhuǎn)移。由于NTFET尺寸極為微小和對蛋白分子的高靈敏度檢測, 檢測到NTFET約10個蛋白質(zhì)分子的一個數(shù)量級, 使原檢驗的結(jié)果進一步微型化。
(2) 碳納米管作為藥物載體。碳納米管作為藥物載體材料有以下優(yōu)勢:A.具有大共軛結(jié)構(gòu)的類石墨表面, 可以裝載蛋白質(zhì)、DNA、RNA及其他含有苯環(huán)的藥物, 而且其運載的藥含量也高;B.強跨膜能力, 藥物可以被有效地載到細胞中;C.管壁可進行功能化修飾, 接上羥基、氨基等多種高反應(yīng)活性基團, 然后可將抗腫瘤藥物分子、靶向分子通過共價反應(yīng)接枝到納米管上, 實現(xiàn)抗腫瘤藥物分子的靶向運輸, 從而降低藥物的全身毒副作用。管壁可以通過將多種活性基團 (如羥基和氨基) 進行官能化, 然后通過共價反應(yīng)將抗腫瘤分子和靶分子接枝到納米管上, 不僅達到了抗腫瘤藥物分子的靶向運輸, 而且降低藥物的全身毒副作用。吳等將羥基喜樹堿的酰胺鍵與酶在生物作用下導(dǎo)致酰胺鍵斷裂, 藥物是從納米管分離出來的。許多藥物難溶于水, 通過化學(xué)反應(yīng)將它們共價接枝到可溶性納米管中, 既提高了藥物的溶解性, 又減少了藥物分子聚集引起的毒性。而且環(huán)境響應(yīng)性刺激使藥物釋放。
3. 碳點
(1) 碳點的特性
碳點 (Carbon dots, Cdots) 的粒徑尺寸小于10nm。2004, xu等人在純化的碳納米管時, 偶然發(fā)現(xiàn)具有熒光性質(zhì)的物質(zhì)且證實其主要組分為碳點, 掀起了人們研究碳點的熱潮。碳點具有獨特的性能:A.目前合成的熒光碳點大多在紫外區(qū)有強烈的光吸收, 還可延伸至可見光區(qū), 一般位于270~320nm處;B.碳點具有寬而連續(xù)的激發(fā)光譜, 與傳統(tǒng)量子點一樣, 在單色光源激發(fā)下可以得到不同發(fā)射波長的熒光, 即“一元激發(fā), 多元發(fā)射”, 這為實現(xiàn)生物分子的多組分同時檢測提供了可能;C.熒光穩(wěn)定性高且耐漂白, 即使在持續(xù)激發(fā)光照射幾個小時后其熒光強度也幾乎沒有降低;D.熒光強度可調(diào)性, 可根據(jù)溶液p H值的變化而變化, 且不同條件合成的碳點對p H響應(yīng)也不同;E.具有光電荷轉(zhuǎn)移特性。鑒于Cdots具有良好生物相容性和低毒性等優(yōu)點, 已廣泛應(yīng)用于生物檢測、基因傳遞、藥物遞送和生物成像等領(lǐng)域。
(2) 碳點在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
(1) 在生物傳感方面。熒光碳點可以用來檢測體內(nèi)各種生化物質(zhì)組分的動態(tài)變化過程, 其具有性能好, 操作簡便, 高靈敏度, 小的背景干擾的特點。例如用加有硼的熒光碳點來檢測葡萄糖, 檢測水平不僅能達到實際檢測的標準, 而且具有干擾小的優(yōu)點。Cu2+體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的變化的結(jié)果是會導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變, 而細胞內(nèi)Cu2+的濃度在病理和生理狀態(tài)下是不同的, 因此, 監(jiān)測銅離子的濃度是相當重要的。學(xué)者通過構(gòu)建cqd-tpea, 熒光碳點, 可以對細胞內(nèi)銅離子進行監(jiān)測, 并且它特異性高和穩(wěn)定性高。
鑒于Cu2+對碳點熒光猝滅的影響, 研究人員用它檢測細胞中Cu2+。Zhu等制備了AE-TPEA-碳點Cd Se/Zn S, 通過檢測Cu2+的熒光比率確定細胞中Cu的位置。碳點還原石墨氧化物 (Cdots RGO) 可用于乙酰膽堿檢測:乙酰膽堿可以被乙酰膽堿酯酶轉(zhuǎn)化為膽堿, 在膽堿氧化酶的催化作用下, 膽堿能夠產(chǎn)生H2O2。定量檢測得到乙酰膽堿的檢測限為30pmol/L。
另外, 碳點Ag, Au形成Cdots, 可用于檢測生物活性物質(zhì), 以及H2O2和葡萄糖的比色檢測限分別為0.18和1.6?mol。檢測了谷胱甘肽的熒光利用金納米粒子和谷胱甘肽的結(jié)合, 結(jié)果達到了檢測極限50nmol/L。在本實驗中, 以中和熱法合成了碳點, 原料以葡萄糖為碳源, 鄰羥基和硼酸的加入彌補了未碳化的葡萄糖, 實現(xiàn)了糖蛋白的檢測。
碳點也可用于構(gòu)建化學(xué)生物傳感器。Shao等實現(xiàn)對小鼠大腦中的cun的追蹤掃描借助Cdots—TPEA電化學(xué)響應(yīng), Li等利用微波法合成了石墨烯納米點, 構(gòu)建了檢測cd2+的電化學(xué)發(fā)光檢測器基于羧基官能團螯合cd2+的特性, 檢測限為13nmol/L。
(2) 碳點用于基因轉(zhuǎn)移。癌細胞可以被碳點識別, 此種碳點是由酰胺縮合反應(yīng)制備的并且經(jīng)過葉酸修飾, 這種識別方式提供一種全新的思路去做細胞篩選和診斷。帶正電的碳點表面經(jīng)過PEI修飾, 帶負電荷的DNA可以被吸附。Liu等評估了碳點轉(zhuǎn)運能力, 碳點對DNA轉(zhuǎn)運能力類似于帶正電的PEI-25K, 但質(zhì)粒DNA的分布可以被碳點的熒光跟蹤, 結(jié)果為研究其生理功能提供了依據(jù)。細胞被碳點DNA復(fù)合物轉(zhuǎn)染3h, 在激光405, 488和543nm的.照射下分別產(chǎn)生藍、綠和紅光, 說明碳點的多色熒光性質(zhì)并沒有消失在轉(zhuǎn)運過程中。
(3) 碳點用于體內(nèi)成像。斑馬魚通透性較強, 能夠促進熒光成像。該小組研究了它在碳點的熒光成像當其為不同種類時, 并在斑馬魚的眼部和卵黃囊中發(fā)現(xiàn)一些主要的碳點沉積。斑馬魚體內(nèi)的碳點熒光可以保持60h, 這有助于觀察其胚胎發(fā)育的狀況。PEG碳點和Zn S摻雜的CZS-dots-PEG碳點成功地用于小鼠成像, 獲得了綠色和紅色熒光成像結(jié)果。皮下注射經(jīng)上接第161頁過PEG修飾的碳點可以轉(zhuǎn)移到淋巴結(jié), 到達淋巴組織和器官, 實現(xiàn)熒光成像, 發(fā)現(xiàn)碳點與納米點相比, 其轉(zhuǎn)移速率較慢。Tao等使用激光在 (455~704nm) 照射, 做到了小鼠的體內(nèi)成像。
4. 碳納米角
(1) 碳納米角的特性
由于碳納米角 (carbon nanohom, CN) 的特殊結(jié)構(gòu), 其制備工藝獨特。它在催化劑載體、燃料電池、清潔能源技術(shù)和藥物輸送系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中受到了人們廣泛關(guān)注。CN的制備工藝如下:在充氬氣條件下, 石墨棒被二氧化碳灼燒。在此過程中, 卻不必加入催化劑便可成功。在570-580℃條件下, 制備出的CN與02混合灼燒15min后可以在CN的錐部形成微孔, 直徑為0.5-1.5nm。氧化過程中的溫度決定了CN的孔隙率和表面積。在這些微孔中, 有含氧官能團, 如羧基, 以共價鍵可以與其它分子進行連接。因此, 實現(xiàn)了CN表面的化學(xué)改性。在1200℃氫氣條件下, 含氧官能團被含缺陷的氧化碳納米角去除, 得到的頂部為開口狀的碳納米角。它類似于截斷的單壁碳納米管 (SWCNT) , 但CN一端封閉的錐形。同時, CN中存在較大的范德華力, 并且聚集形成, 聚集體結(jié)構(gòu)為球形。
與碳納米管相比CN的顯著優(yōu)點是吸附能力較強, 在3.5MPa的壓力下, 吸附能力達到160cm3/cm3。此外, 還具有自我聚集性和CN并不是游離存在的。但它以自聚集的方式存在于二級聚集體中。它是疏水性的, 不能溶解在水溶液中。
(2) 單壁碳納米角在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
(1) 單壁碳納米角 (SWNHs) 在腫瘤細胞的應(yīng)用。在倒置顯微鏡下進行觀察發(fā)現(xiàn), U251細胞受到多種濃度SWNHs處理后經(jīng)培養(yǎng)48h, 其形態(tài)改變明顯, 有嚴重的變圓趨勢, 并且無法完全正常貼壁、細胞無法呈現(xiàn)鋪展的狀態(tài), 細胞胞質(zhì)固縮, 并出現(xiàn)空泡化和死亡現(xiàn)象;而未經(jīng)處理的對照組U251細胞則沒有出現(xiàn)上述現(xiàn)象。細胞的數(shù)量與SWNHs濃度呈反相關(guān), 表明:細胞的增殖過程受到SWNHs的抑制, 并且這種抑制效應(yīng)具有劑量依賴性。處理濃度為SWNHs40時, 細胞的數(shù)量最少, 抑制效果最佳。 (2) 單壁碳納米角在藥物傳輸體系中。碳納米角具有獨特的管錐狀結(jié)構(gòu), 經(jīng)氧化使碳管壁上;產(chǎn)生微孔可有效負載和緩釋藥物, 可巧妙地用于構(gòu)建獨具特色的藥物傳輸系統(tǒng)。共緩控釋給藥系統(tǒng)可降低藥物的毒性, 同時保證藥效。 (3) 單壁碳納米角用于生物檢測器。碳納米角SWNHS可作為熒光檢測平臺, 用于構(gòu)建生物檢測器。凝血前能使纖維蛋白原轉(zhuǎn)化成纖維蛋白, 在生理和病理條件下發(fā)揮重要作用。2hu等構(gòu)建一個以SWNHS為有效檢測平臺用于檢測凝血酶的新型炎光適配體檢測器。這種檢測器的構(gòu)建是基于經(jīng)染料標記的凝血酶適配體 (Qye-TA) 通過非共價鍵吸附SWNHs, 有凝血酶存在下, 凝血酶使dye-TA轉(zhuǎn)變成其四聚體構(gòu)象, 形成凝血南-dlye-TA四聚體復(fù)合物。該復(fù)合物阻止染料與SWNHS吸附, 抑制染料熒光猝滅。該檢測器具有很高的靈敏度、選擇性和很低的檢測限100pmol/L。隨著該技術(shù)的發(fā)展, 以碳納米角為熒光檢測平臺的檢測器在疾病檢測、臨床診斷等方面的應(yīng)用更加廣泛。
5. 結(jié)束語
納米材料作為一種新型材料, 在八十年代中期迅速發(fā)展, 它表現(xiàn)出優(yōu)良而獨特的性能和新型的功能歸因于它的納米結(jié)構(gòu)。雖然研究者進行了大量的研究關(guān)于納米材料的制備, 結(jié)構(gòu)以及它的功能, 但是在理論以及在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的實際應(yīng)用還存在不少的工作。納米材料所顯示出的優(yōu)異性能預(yù)示著它在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域, 眾多方面具有廣泛的和誘人的應(yīng)用前景。
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