纳米生物材料
纳米生物医用材料
摘要：纳米生物材料的理论和实验研究正成为现代生物和医用材料的研究热点。随着纳米技术和材料科学、生命科学的不断交叉, 纳米生物医用材料已在新型医用植入材料和介入医用材料、组织工程和再生医学材料、新型药物和基因控释载体及高效生物诊断材料领域取得较大进展。本文主要介绍了纳米技术在止血材料、骨科移植材料、血管支架材料等领域上的应用, 并探讨纳米生物医用材料的发展前景。
关键词：纳米生物材料；应用；发展；
1 引言
生物医用纳米材料是用于和生物系统结合、治疗和替换生物机体中的组织、器官或增进其功能的材料[1]。“纳米生物材料”是生物技术器件的基础, 可以简单地分为两类, 一类是适合于生物体内应用的纳米材料, 它本身即可以是具有生物活性的, 也可以不具有生物活性。它不仅易于被生物体接受,而且不引起不良反应。另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料, 它被用于其它纳米人工器件的制造。比如已经发展的有代表性的人工组织器官替代纳米材料(如人工骨骼、人工牙齿) , 以及用于分离生物分子的功能膜和各种特性化生物分子材料等。
1.1纳米材料的基本效应
因为纳米材料整体尺寸较小, 电子运动受到很大限制, 而且电子平均的自由程较短, 其局域性以及相干性得到增强。纳米材料整体尺度不断下降, 这让纳米体系当中的原子数量降低很多, 致使其宏观固定的连续性逐渐消失[2]。同时使得纳米材料表现出分离能级, 并且量子尺寸这一效应非常显著, 这让纳米体系具有的磁、电、热、光这些物理性质和常规材料有所不同, 其表现出不少新奇特性, 例如热学性能、磁学性能、催化效应以及化学方面的反应能等。
1.2纳米材料的性质
纳米材料具有3个共同的结构特点：(1)纳米尺度的结构单元或特征，维度尺寸在纳米数量级(1～l00nm)；(2)有大量的界面或自由表面；(3)各纳米单元之间存在着或强或弱的相互作用。正是由于这种结构上的特殊性，使纳米材料具有一些独特的效应——表面效应、体积效应、量子效应和宏观量子隧道效应，因而在性能上与传统概念上相同组成的微米材料有非常显著的差异，表现出许多优异的性能和全新的功能，在许多领域展示出广阔的应用前景。
2 医用纳米材料的分类
2.1 纳米生物医用无机材料
纳米生物医用无机材料可分为纳米生物陶瓷材料、纳米生物碳材料、纳米生物玻璃陶瓷、纳米复合生物活性无机材料等, 这里主要介绍的是应用最广泛的纳米生物玻璃陶瓷材料与纳米生物碳材料[3]。纳米微孔玻璃粉是最近科研工作者极力推荐的一种新型的无机纳米材料, 近年来在医学领域被广泛用作功能性基体材料[4]。纳米微孔玻璃可以用作微孔反应器、生化分离基质、药物控制释放体系的载体等;生物陶瓷(如磷酸钙、生物玻璃、氧化铝等) 也是一类重要的生物医用材料, 临床上目前已经应用的有人工骨、人工齿以及骨内固定材料等。纳米陶瓷会增加陶瓷材料的强度、硬度和韧性。材料专家指出, 纳米陶瓷将会比传统陶瓷有更广泛的应用和发展前景[5]。
2.2 纳米生物医用高分子材料
纳米生物医用高分子材料是一类具有广泛用途的高科技产品。随着现代医学的发展, 对纳米材料的性能要求越来越高, 普通纳米材料已经难以满足需求, 而合成的高分子材料具有与天然高分子材料相似的化学结构, 且有着来源丰富, 品种多, 用途广的优势[6]。医用纳米高分子材料不仅可以
用于制作牙齿、骨头、肌肉组织等, 更能用于某些疑难病的介入诊断和治疗。这个得益于纳米粒子比红细胞小得多, 可以在血液中自由运动, 因而能到达全身各个位置, 检查病变和进行治疗。
纳米生物医用高分子材料分为天然医用高分子材料和合成医用高分子材料；纳米高分子材料可以用过微乳液聚合的方法制备。将载有抗生素的乙酸-乙醇酸共聚物纳米粒子经冠状动脉给药, 可以有效预防冠状动脉狭窄。高分子纳米粒子又叫聚合物纳米粒子，这种纳米粒子具有巨大的比表面积, 因此具有新的性质和功能。目前纳米医用高分子材料已经应用于血清消毒、免疫分析、介入性诊断、肿瘤药物靶向、作为转基因载体等。已研制出的常见聚合物有:抗肿瘤药Zn Pc F16装载到聚乳酸(PLA)纳米粒子、聚乙二醇(PEG) 修饰的PLA纳米粒子、L一丙交酯、聚氰基丙烯酸酷(PCA) 等。
2.3 纳米生物医用复合材料
纳米生物医用复合材料是指由两种或两种以上的不同材料复合而成的生物医用材料, 即用于诊断、治疗、修复或替换人体组织器官或改善其功能的材料[7]。纳米生物医学复合材料主要分为四类:有机/有机复合、金属/无机复合、金属/有机复合、有机/无机复合。实际上, 人体的绝大多数组织可以视为复合材料, 其中牙齿和骨骼就是由纳米磷灰石晶体和高分子组成的纳米复合材料, 它们具有优良的性能。
3纳米医用材料的应用
3.1纳米止血材料
日常生活中不可避免的偶然性失血一直都是一个很头疼的问题，对于失血患者首要的事情就是如何才能迅速使血液凝集，以便能很快的止血，降低患者危险。一般的方法是采用绷带止血，而对于那些失血较多的人来说如何处理使绷带的效果更加明显或如何对绷带进行修饰以提高其止血效
果无疑将是一个很好的研究方向。Roy等[8]对二氧化钛纳米管对于血凝的效果影响进行了测试，将加入了CO2纳米管的血液、被纳米管修饰后绷带接触的血液作为实验观察对象，未加入任何物质的新鲜血液作为对照组。从凝血时间、凝块的强度角度进行了比较。结果发现对于纳米管修饰的绷带所接触的血液或加入了纳米管的新鲜血液相对于对照组未经过任何处理的血液其凝血时间大约降低了10%，凝块的强度也从2.21kPa增加到3.87 k Pa，增加了75%左右。由此发现以二氧化钛纳米管修饰后的绷带能很明显的促进血液凝集速率，并且能提高最终形成的凝块强度。
3.2纳米血管支架材料
目前心血管疾病中的动脉粥样硬化已经成为威胁人类生存的头号杀手，对于这些疾病来说，临床可以采用血管移植的方法，但由于其来源有很大的限制而局限了它的使用及推广。组织工程化的血管将是一个很有前景的治疗方案。对于组织工程化产品，如何制备出合适的支架材料直接关系到产品的成功与否。生物材料要能很好的和周围组织相互匹配不仅要求其材料的力学性能而且要求其形态都要和周围组织相互吻合。细胞对材料的反应可以通过改变材料表面的粗糙度，以使细胞把其识别为体内的细胞外基质而得以提高。为了实现这一目的，Miller等[9]在聚乳酸-乙醇酸共聚物表面通过腐蚀的方法形成了从微米到纳米级别不同级别的粗糙度，并对其和血管内皮细胞或平滑肌细胞共培养，结果表明这些细胞的密度相比于微米级的表面而言，纳米级粗糙度的表面能显著提高细胞密度。其他研究结果亦得到了相似的结论[10]。由此可见，对于这种修饰技术有望被应用于下一代组织工程化血管移植，并能使其移植成功。
3.3纳米关节移植材料
临床上的关节移植等手术因为种种原因需要大量能适合骨骼特性的生物学材料，这些特性包含很重要的因素就是其必须具备良好的力学性能以及优良的生物相容性。Ni Ti合金由于具有很好的形状记忆效应、超弹性等
力学性能而在临床得以广泛应用。然而，金属合金材料在生理体液下很容易腐蚀，并且，Ni离子释放所产生的毒性也不容忽视[11]。体外实验结果表明，细胞形态变化以及染色体的损伤和Ni2+呈现一定的浓度效应，另外Ni 2+在体内可以取代酶中部分二价金属离子(Ca2+、Mg2+、Zn2+)，进而改变生物大分子的结构和功能。鉴于此，Liu等[12]采用sol-gel法在Ni Ti合金表面制备一层二氧化钛薄膜，通过TEM等技术测得膜的厚度大约在200 nm，而且二氧化钛主要是以锐钛矿形式存在，膜很紧密光滑。电化学腐蚀测试表明二氧化钛薄膜相对于没镀上薄膜的合金抗腐蚀能力显著增强。而且，体外从血液凝集时间、一定时间内血小板贴附数量等角度进行的血液相容性实验也证明了这种修饰后的合金具有更强的生物相容性。采用三氧化二铝，碳化硅等所做的修饰实验也都证明了类似结果。
4发展前景
纳米生物医用材料的研究与纳米科技、医疗水平的发展密切相关,其用途十分广泛。除上述提到的止血材料、血管支架材料、关节移植材料等内容外,还有如基因治疗,介入性诊疗,细胞移植、分离与染色和人造皮肤等。纳米生物医用材料是一个多学科交叉发展前景十分广阔的领域,它所具有的独特结构使它显示出独特的性能。尽管对纳米生物医用材料的制备、结构与性能进行了大量的研究,但在基础理论及应用开发等方面还有许多工作尚待进行,随着材料学、医药学、生物工程学、纳米科技等学科的进一步发展,纳米生物医用材料的基础研究和应用研究必将迎来一个新的发展阶段。
参考文献
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