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(jì)80年代末。作為一項(xiàng)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(jià)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(diǎn)討論了石墨烯、碳納米管、碳點(diǎn)、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(diǎn)和可能存在的全新生長(zhǎng)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 納米材料; 石墨烯; 碳納米管; 碳點(diǎn); 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(gè)共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):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(jí) (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(qiáng)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(dú)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(duì)其各種物性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。從那時(shí)以來(lái), 用各種方法所制備的人工納米材料已多達(dá)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(diǎn)、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(kāi)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(jìn)一步氧化, 表面富含羥基、羧基、環(huán)氧樹(shù)脂等官能團(tuán), 這些都稱之為含氧活性集團(tuán), 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(jī)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(dú)特特性, 對(duì)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?yàn)槠渚哂型怀龅乃幬镓?fù)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(yùn)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(yùn)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(yùn)載體, 包封率達(dá)到115%, 經(jīng)過(guò)了兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)包括加速和長(zhǎng)期穩(wěn)定實(shí)驗(yàn), 測(cè)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(shí)驗(yàn)來(lái)確定GO的毒性時(shí), 偶然發(fā)現(xiàn)并且證實(shí)它不僅對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的活性, 而且革蘭氏陰性菌的活性都有破壞作用。其機(jī)理是細(xì)菌的細(xì)胞膜當(dāng)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(xì)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(lái)檢測(cè)。另外, 與碳納米管比較可知, 石墨烯不僅成本廉價(jià), 而且大規(guī)模生產(chǎn)比較有優(yōu)勢(shì), 有希望在生物傳感中得到實(shí)際應(yīng)用。
我們課題組通過(guò)堆垛π-π等物理吸附方式制針使用—用藍(lán)色光激發(fā)時(shí)Fluo·G發(fā)射綠色熒光。同時(shí)在p H4.6~8.0時(shí), 伴隨p H值升高Fluo—G熒光密度而升高。研究表明, 與主動(dòng)跨膜方式相比, Fluo—G被細(xì)胞吸收以自由擴(kuò)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(xì)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(dòng)力學(xué)療法是在某一波長(zhǎng)下光敏劑受到激發(fā)后產(chǎn)生單線態(tài)氧從而使腫瘤細(xì)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(xì)胞被殺死。因而增強(qiáng)其在光動(dòng)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(jiàn)光的吸收和催化活性。在可見(jiàn)光下, Ti O2的光動(dòng)力活性低于GO/Ti O2復(fù)合物, 活性氧自由基更少。實(shí)驗(yàn)表明, GO/Ti O2復(fù)合物對(duì)宮頸癌Hela細(xì)胞的毒性作用隨著細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基濃度增加而加強(qiáng)。隨著曝光時(shí)間的增加, GO/Ti O2復(fù)合物可以明顯提高細(xì)胞中半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3 (caspase一3) 的生物活性, 使細(xì)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(gè)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(wú)縫碳納米級(jí)管。許多有機(jī)物 (這也包括生物) 或無(wú)機(jī)分子結(jié)合到碳納米管的表面以共價(jià)或非共價(jià)的方式, 就是因?yàn)樗哂休^大的比表面積, 然后可以進(jìn)行表面修飾或功能化。碳納米管的功能化可分為兩類(lèi):共價(jià)修飾和非共價(jià)鍵。前者是通過(guò)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(biāo)分子連接到碳納米管表面。后者是非共價(jià)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(diǎn)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(jià)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(shí), 它表現(xiàn)出突出的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn):該傳感器體積小、響應(yīng)快速, 并有效檢測(cè)區(qū)域縮小到適合的單生物分子檢測(cè)水平;傳感器靈敏度高, 因?yàn)閹缀跛械碾娏魍ㄟ^(guò)傳感器的檢測(cè)位置, 所以高度敏感。更重要的是通過(guò)官能化的碳納米管具有了特異性檢測(cè)生物分子的能力。例如人們利用SWNT獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì), 制成了納米碳納米管場(chǎng)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(shí), 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(duì)蛋白分子的高靈敏度檢測(cè), 檢測(cè)到NTFET約10個(gè)蛋白質(zhì)分子的一個(gè)數(shù)量級(jí), 使原檢驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)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(shì):A.具有大共軛結(jié)構(gòu)的類(lèi)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(yùn)載的藥含量也高;B.強(qiáng)跨膜能力, 藥物可以被有效地載到細(xì)胞中;C.管壁可進(jìn)行功能化修飾, 接上羥基、氨基等多種高反應(yīng)活性基團(tuán), 然后可將抗腫瘤藥物分子、靶向分子通過(guò)共價(jià)反應(yīng)接枝到納米管上, 實(shí)現(xiàn)抗腫瘤藥物分子的靶向運(yùn)輸, 從而降低藥物的全身毒副作用。管壁可以通過(guò)將多種活性基團(tuán) (如羥基和氨基) 進(jìn)行官能化, 然后通過(guò)共價(jià)反應(yīng)將抗腫瘤分子和靶分子接枝到納米管上, 不僅達(dá)到了抗腫瘤藥物分子的靶向運(yùn)輸, 而且降低藥物的全身毒副作用。吳等將羥基喜樹(shù)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(lái)的。許多藥物難溶于水, 通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將它們共價(jià)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(diǎn)
(1) 碳點(diǎn)的特性
碳點(diǎn) (Carbon dots, Cdots) 的粒徑尺寸小于10nm。2004, xu等人在純化的碳納米管時(shí), 偶然發(fā)現(xiàn)具有熒光性質(zhì)的物質(zhì)且證實(shí)其主要組分為碳點(diǎn), 掀起了人們研究碳點(diǎn)的熱潮。碳點(diǎn)具有獨(dú)特的性能:A.目前合成的熒光碳點(diǎn)大多在紫外區(qū)有強(qiáng)烈的光吸收, 還可延伸至可見(jiàn)光區(qū), 一般位于270~320nm處;B.碳點(diǎn)具有寬而連續(xù)的激發(fā)光譜, 與傳統(tǒng)量子點(diǎn)一樣, 在單色光源激發(fā)下可以得到不同發(fā)射波長(zhǎng)的熒光, 即“一元激發(fā), 多元發(fā)射”, 這為實(shí)現(xiàn)生物分子的多組分同時(shí)檢測(cè)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(gè)小時(shí)后其熒光強(qiáng)度也幾乎沒(méi)有降低;D.熒光強(qiáng)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(diǎn)對(duì)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(diǎn), 已廣泛應(yīng)用于生物檢測(cè)、基因傳遞、藥物遞送和生物成像等領(lǐng)域。
(2) 碳點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
(1) 在生物傳感方面。熒光碳點(diǎn)可以用來(lái)檢測(cè)體內(nèi)各種生化物質(zhì)組分的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程, 其具有性能好, 操作簡(jiǎn)便, 高靈敏度, 小的背景干擾的特點(diǎn)。例如用加有硼的熒光碳點(diǎn)來(lái)檢測(cè)葡萄糖, 檢測(cè)水平不僅能達(dá)到實(shí)際檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn), 而且具有干擾小的優(yōu)點(diǎn)。Cu2+體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的變化的結(jié)果是會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變, 而細(xì)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(cè)銅離子的濃度是相當(dāng)重要的。學(xué)者通過(guò)構(gòu)建cqd-tpea, 熒光碳點(diǎn), 可以對(duì)細(xì)胞內(nèi)銅離子進(jìn)行監(jiān)測(cè), 并且它特異性高和穩(wěn)定性高。
鑒于Cu2+對(duì)碳點(diǎn)熒光猝滅的影響, 研究人員用它檢測(cè)細(xì)胞中Cu2+。Zhu等制備了AE-TPEA-碳點(diǎn)Cd Se/Zn S, 通過(guò)檢測(cè)Cu2+的熒光比率確定細(xì)胞中Cu的位置。碳點(diǎn)還原石墨氧化物 (Cdots RGO) 可用于乙酰膽堿檢測(cè):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(cè)得到乙酰膽堿的檢測(cè)限為30pmol/L。
另外, 碳點(diǎn)Ag, Au形成Cdots, 可用于檢測(cè)生物活性物質(zhì), 以及H2O2和葡萄糖的比色檢測(cè)限分別為0.18和1.6?mol。檢測(cè)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(dá)到了檢測(cè)極限50nmol/L。在本實(shí)驗(yàn)中, 以中和熱法合成了碳點(diǎn), 原料以葡萄糖為碳源, 鄰羥基和硼酸的加入彌補(bǔ)了未碳化的葡萄糖, 實(shí)現(xiàn)了糖蛋白的檢測(cè)。
碳點(diǎn)也可用于構(gòu)建化學(xué)生物傳感器。Shao等實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn), 構(gòu)建了檢測(cè)cd2+的電化學(xué)發(fā)光檢測(cè)器基于羧基官能團(tuán)螯合cd2+的特性, 檢測(cè)限為13nmol/L。
(2) 碳點(diǎn)用于基因轉(zhuǎn)移。癌細(xì)胞可以被碳點(diǎn)識(shí)別, 此種碳點(diǎn)是由酰胺縮合反應(yīng)制備的并且經(jīng)過(guò)葉酸修飾, 這種識(shí)別方式提供一種全新的思路去做細(xì)胞篩選和診斷。帶正電的碳點(diǎn)表面經(jīng)過(guò)PEI修飾, 帶負(fù)電荷的DNA可以被吸附。Liu等評(píng)估了碳點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)能力, 碳點(diǎn)對(duì)DNA轉(zhuǎn)運(yùn)能力類(lèi)似于帶正電的PEI-25K, 但質(zhì)粒DNA的分布可以被碳點(diǎn)的熒光跟蹤, 結(jié)果為研究其生理功能提供了依據(jù)。細(xì)胞被碳點(diǎn)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(lán)、綠和紅光, 說(shuō)明碳點(diǎn)的多色熒光性質(zhì)并沒(méi)有消失在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中。
(3) 碳點(diǎn)用于體內(nèi)成像。斑馬魚(yú)通透性較強(qiáng), 能夠促進(jìn)熒光成像。該小組研究了它在碳點(diǎn)的熒光成像當(dāng)其為不同種類(lèi)時(shí), 并在斑馬魚(yú)的眼部和卵黃囊中發(fā)現(xiàn)一些主要的碳點(diǎn)沉積。斑馬魚(yú)體內(nèi)的碳點(diǎn)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(diǎn)和Zn S摻雜的CZS-dots-PEG碳點(diǎn)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(yè)過(guò)PEG修飾的碳點(diǎn)可以轉(zhuǎn)移到淋巴結(jié), 到達(dá)淋巴組織和器官, 實(shí)現(xiàn)熒光成像, 發(fā)現(xiàn)碳點(diǎn)與納米點(diǎn)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(dú)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(guò)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(guò)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(tuán), 如羧基, 以共價(jià)鍵可以與其它分子進(jìn)行連接。因此, 實(shí)現(xiàn)了CN表面的化學(xué)改性。在1200℃氫氣條件下, 含氧官能團(tuán)被含缺陷的氧化碳納米角去除, 得到的頂部為開(kāi)口狀的碳納米角。它類(lèi)似于截?cái)嗟膯伪谔技{米管 (SWCNT) , 但CN一端封閉的錐形。同時(shí), 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(diǎn)是吸附能力較強(qiáng), 在3.5MPa的壓力下, 吸附能力達(dá)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(jí)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(xì)胞的應(yīng)用。在倒置顯微鏡下進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn), U251細(xì)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(yán)重的變圓趨勢(shì), 并且無(wú)法完全正常貼壁、細(xì)胞無(wú)法呈現(xiàn)鋪展的狀態(tài), 細(xì)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(duì)照組U251細(xì)胞則沒(méi)有出現(xiàn)上述現(xiàn)象。細(xì)胞的數(shù)量與SWNHs濃度呈反相關(guān), 表明:細(xì)胞的增殖過(guò)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(shí), 細(xì)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(dú)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(fù)載和緩釋藥物, 可巧妙地用于構(gòu)建獨(dú)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(shí)保證藥效。 (3) 單壁碳納米角用于生物檢測(cè)器。碳納米角SWNHS可作為熒光檢測(cè)平臺(tái), 用于構(gòu)建生物檢測(cè)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?xiàng)l件下發(fā)揮重要作用。2hu等構(gòu)建一個(gè)以SWNHS為有效檢測(cè)平臺(tái)用于檢測(cè)凝血酶的新型炎光適配體檢測(cè)器。這種檢測(cè)器的構(gòu)建是基于經(jīng)染料標(biāo)記的凝血酶適配體 (Qye-TA) 通過(guò)非共價(jià)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(cè)器具有很高的靈敏度、選擇性和很低的檢測(cè)限100pmol/L。隨著該技術(shù)的發(fā)展, 以碳納米角為熒光檢測(cè)平臺(tái)的檢測(cè)器在疾病檢測(cè)、臨床診斷等方面的應(yīng)用更加廣泛。
5. 結(jié)束語(yǔ)
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(dú)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(jìn)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(shí)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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