纳米材料在医学中的应用

?综　述?

纳米材料在医学中的应用

姜会庆　陈一飞

【摘　要】 目的　综述纳米技术在医学的应用及研究。　方法　以文献复习与综合方法进行分析。　结果　纳米

技术的学科交叉性特别明显,在新的生物材料、生物活跃分子的有效传递,纳米级敏感器和传感系统监测生命器官运转

情况、营养运输、血液循环及烧创伤修复调控。纳米技术结合分子生物医学工程,将促进临床诊断、治疗的进步。　结论　

纳米技术的应用,将对临床诊治、烧创伤处理及中医药基础研究发挥重要作用。

【关键词】 纳米材料 基因疗法 生物医学工程

MEDICAL APPLICATION OF NANO-MATERIALS/J I A N G H ui-qing,CH EN Y i-f ei.D ep ar tment of Burn and Plas-

tic Sur ger y,N anj ing General H osp ital of N anj ing M ilitary Command.N anj ing J iang su,P.R.China210002【Abstract】 Obj ective　T o r eview the resear ch pr og ress and m edical application of nano-mater ials.Methods　

T he liter ature r eview and compr ehensiv e ana ly sis,methods wer e used in t his study.Results　T he N anotechnolog y is a

ty pical cro ssing know ledg e.It could be ex tensively applied in the fields o f nov el biomater ials,effective t ransmissio n of bioactive facto r;the detection of funct ions for all v ital or ga n system s,vascular cir culatio n co ndit ion,the co ntro l of repair of bur n t rauma w ounds will be mo nitor ed by t he v aried metho ds of nano techno lo gy co mbined w ith mo lecular biolog ical eng ineering.Conclusion　T he application o f N anotechnolog y will play impor tant r oles in clinical medicine,

w ound r epair and ba sic r esearch fo r the tr aditional Chinese medicine.

【Key words】 N ano ma terials G ene t her apy Bio-medical eng ineering

纳米技术内容十分广泛。2002年2月美国“国家纳米技术倡议”(National Nano technolog y Initiative)以国家科学基金会、国防部、商业部、能源部、运输部、财政部、科学与预算办公室和宇航局等部门形成报告并称纳米技术将对21世纪的经济、国防与社会产生重大影响,可与信息技术或生物技术一样,引导下一个工业革命,应放在科学技术优先地位。纳米技术之所以被如此重视,是因为当物质小到1～100nm(10-9～10-7m)时,由于其量子效应,物质的局域性及巨大的表面与界面效应,使物质的很多性能发生质变,能在原子、分子水平上制造材料和器件,这些变化渗透很多领域,可引导“新的工业革命”。在自然界,植物通过叶片把光能转换为化学能的光合作用就是纳米工厂的典型例子;人类的遗传基因序列做到了原子级的结构精确和完美,如果有一个原子错位就可以导致遗传上的缺陷,人类细胞的再生和自我组合,脑细胞超前记忆能力,神经系统的信息传递和反馈等都是纳米的完美典范。对人类来说,应用生物学来实现科学技术上纳米及控制和操纵而仅仅才是开始[1]。

21世纪是生物和医药研究突飞猛进的年代,纳米技术其学科交叉性特别明显,在新的生物材料、生物活

作者单位:南京军区南京总医院烧伤整形科(南京,210002)性分子的有效传递,纳米级敏感和传感系统等方面在其生物结构及其过程将会取得突破性进展。尤以纳米级敏感器可监视生命器官运转情况、营养运输、血液循环及血脂浓度等。其未来突破重点为以下几方面。

1　纳米技术与材料应用

快速有效决定基因序列,基因和药物的体内走向传送和定位传递,使临床诊断和治疗过程效率得以提高。已有一种具有超高灵敏性激光单元子分子探测术,可通过人的唾液、血液、粪便及呼出的气体及时发现体内只有亿万分之一的各种致病或带病游离分子。根据不同的诊断和监测目的,利用纳米级微小探测针技术,在体内植入传感器,定位于体内不同的部位,也可随血液、淋巴在体内运行,将体内各种生物信息反馈于体外装置。中国医科大学第二临床学院已能应用纳米级的微粒技术制成超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体的研究,用该技术可发现直径3m m以下的肝脏肿瘤,故对早期诊断肝癌十分有利。瑞士苏黎世研究室研究出一种纳米DNA装置(或称纳米机器人),即将一股DNA 链固定到另一个超微固体(软片)上,然后放置于另外能互补的DNA链。根据DNA互补原理形成双螺旋结构,并使这一超微结构弯曲产生足够的能量。按此原理,软片上的DNA链能与人相应的DNA分子形成互

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中国修复重建外科杂志2002年第16卷第6期

补,用以识别癌细胞,如此可使癌在分子水平或几个癌

细胞大小,即能得到早期诊断[2]。

2　纳米医用材料(或称纳米医生)

可进入血液循环中,用其类似机械功能,以清除血管内血栓及动脉血管壁上的斑块,改进血流,以防止心、脑梗塞。还可用于胆道与泌尿系统粉碎结石,以治疗胆道及泌尿系结石症。也可击碎痛风尿酸结晶,再让血流清除碎片,可在一定时间内减轻疼痛,缓解患者痛苦[3]。

3　利用纳米解决药物的靶向性

纳米技术目前已用于药物载体的研究。纳米粒子其直径小于1nm,这些粒子既包括固体物质,还包括脂质或乳胶,可与药物形成复合物,通过不同的方式进入机体,经血液循环到达特定的组织或细胞,发挥诊断与治疗作用。某些特殊的纳米粒子还可进入细胞内,达到基因治疗的目的,已能集中到肝、肺和胃肠系统。以肝为例,纳米复合物粒子进入肝后,被Kupffer细胞吞噬,使药物在肝内聚集,再逐渐降解入血液,使肝药物浓度增加,而不会对其它脏器产生药物的副作用。若纳米粒子小于100～150nm时,其表面覆盖以特殊包膜,Kupffer细胞不能吞噬,则药物可以直接进入肝实质。或靠其连接单克隆抗体等物质靶向定位,从而产生药效作用。故纳米粒子的大小、形态及复合物的制作是实现纳米粒子靶向的关键。用细胞表面配体的特异性又可提高纳米粒子的选择性,省药、省经费,又能防止药物副作用的危害[4]。对烧创伤创面的处理,我院已应用纳米银敷料治疗创面,明显增快愈合时间,对处理烧伤残余创面,疗效更为显著[5]。设想如调控创面正常愈合,用纳米计算机控制的纳米机(细胞聚集机),清除坏死组织,刺激和填充创面修复组织,强化血管结构,在创面修复过程中,组织排列由无序变为有序,各种细胞增殖与凋亡达到正常修复创面需求[6]。从而减少或防止创面瘢痕性畸形愈合。纳米粒子的作用还有可能在严重烧伤者内脏并发症防治方面有着突破性的进展。

4　纳米技术与基因疗法

基因治疗是临床治疗学上的重大发展,质粒DNA 进入目的细胞后,可以修复遗传错误,或可产生的治疗因子(如多肽、蛋白质、抗原等),能超越对症治疗效果。纳米技术能使DNA通过主动靶向作用,定位于细胞。将质粒DNA缩小到50～200nm,且带上负电荷,进入到细胞核,也可插入到细胞核DNA的确切部位。但其理化特性尚待研究[7]。5　纳米材料装上传感器或特异性载体

为帮助体内某些细胞运送物质,在国内组织工程药物释放技术的应用研究中,利用脂肪族聚内酯具有缓释和保持生物活性功能的作用,作为药物载体,以提高细胞的增殖速度和修复效果,成功地修复大鼠坐骨神经5～20mm缺损[8]。或装上特殊手术刀,完成某些微型手术:如微型美容手术,宫内胎儿畸形整复术,切除视网膜的瘢痕,修复关节,缝合血管、神经等。还可直接进入心脏行电击起搏,以及清除坏死组织,修复各种创面。甚至有可能修复大脑或其它脏器的冻伤,使低温储存的人得以复活,将可能不是神话[9]。

6　应用纳米材料特殊的力学性能

如将纳米颗粒压制成陶瓷材料,不像通常的陶瓷易碎,却变为有较好的靶性及一定程度的延展性。有报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。金属——陶瓷等复合纳米材料,则能更大的改变材料的力学性质,因此在医学上可能用来制造人工器官。Bo nfield(1994)已成功研制出模拟骨骼结构的纳米物质,其主要成分为与聚乙烯混合压缩后的羟基磷灰石网,物理特性符合理想的骨骼替代物。其它可用于临床的纳米材料还有人工关节、美容植入假体及口腔正畸材料[10]。预测通过优化纳米管制备制动器,其获得的能量转换效率,将使人工肌肉得到实现。

7　纳米材料的表面效应

有人提出1克纳米颗粒表面积总和可高达100m2,而其颗粒的直径极小,显然与大块物体表面决然不同。用高倍电镜摄影观察2nm颗粒,没有恒定的形态,可自动形成各种形状如八面体、十面体及多晶体等,且表面原子仿佛进入“沸腾”状态。10nm以上的纳米颗粒,其形态才相对稳定。纳米颗粒表面活性很高,利用纳米颗粒的表面活性作用,金属纳米颗粒即将成为新一代高效催化剂。免化领域的作用[11]。纳米技术因其小尺寸效应及特殊的磁学性质,对中草药性能及其疗效的研究,可能带来不可估量的前景。

8　S-层蛋白的研究

晶体样细菌表层(clystalline surface laysers, slay er,S-层)由蛋白质或糖蛋白亚单位聚集而成,构成细菌或古生物的外表面。S-层代表生物进化过程中简单的蛋白膜,为2.5～35.0nm直径的亚单位,溶解后能在悬液中、液体表面、脂质体或固体支持物上自行组合成含有多个2～8nm大小孔隙而规律的晶体单层

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?Ch ines e J Reparative and Reconstru ctive Surg ery,2002,Vol16(6)

结构,可成为生物医学工程的仿生膜型:如S -层微粒或S -层自组产物可用于选择性;固定功能分子(如酶、单克隆抗体,蛋白A 等),S-层可作药物、疫苗载体,其遗传信号可用于自然蛋白的合成。总之,当前纳米技术与蛋白质工程相结合的生物医学工程已成为最热门的研究项目

[12]

。

9　纳米材料中碳纳米管的应用

碳纳米管比钻石还耐用,其弹性如同人发,在1cm 2上可植100亿根,且敏感度很强,大大超过人们的耳蜗纤毛。耳锅纤毛直径为100nm 左右,长度为1～2 m 。而纳米材料碳纳米管则可制造直径只有几纳米,长度则可达60 m 。纤毛越长越细,弹性越大,能得到高敏感度的碳纳米材料人工耳蜗,用以监听水中游动的微生物节奏,监测水质,净化环境。在改善环境卫生方面,美国桑迪亚国家实验所研制一种智能薄膜,实现了分子水平的物质过滤,由于只允许一定尺寸分子进入孔隙,可被用作化学传感器来探测分子,其敏感度比传统材料高500倍,这种“智能”薄膜可以根据临近的分子打开或关闭孔隙,从而使环境污染的空气或水得以净化。在血液循环中流动的纳米听诊器,监测特殊细胞功能失调对各种器官的疾病,癌症可得到早期诊断[13]

。

我国著名科学家钱学森1991年预言:我认为纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展重点,会是一场技术革命,从而将是21世纪又一次产业革命[14]

。今天的纳米技术飞速发展,正将这一预言变成现实,纳米技术在生物医学工程领域的应用将成为21世纪必然的未来发展。

10　参考文献

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2

Bukanov NO,Demidov VV,Nielsen ,et al .PD-Loop:A complex of duplex DNA w ith an oligonucleotide.Proc Narl S ci U SA,1998;95(10):55163

Davis SS .Biomedical application s of nanotech nology -implication s for dru g targetin g and gene therapy.Trends Biotechnol,1997;15(6):2174

Permiakov NK,Anan ian M A,S orok ovoi VI,et al .Scannin g probe-micros copy and medico-biolog ical nanotechnology:History and prospects .Arkh Potol ,1998;60(5):95姜会庆,汪　军,胡心宝,等.纳米银敷料在烧伤创面的应用.医学研究生学报,2001;14(5):439

6付小兵,王正国,盛志勇.正常创伤修复与“失控”创伤修复的研究现状与展望.中国修复重建外科杂志,2001;15(6):385

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9M urph y J,Car r B,Atkins on T.Nanotech nology in medicine and the bioscien ces .Tr ends Biotechnol ,1994;12(8):289

10朱志祥,汪道新.纳米材料研究现状及发展趋势.实用美容整形外科杂志,2001;12(4);200

11汪　军.万灵敷料处理烧伤后期创面的疗效观察.江苏医药,1999;25(1):30

12Sleytr UB ,Pu m D ,Sara M .Advances in S -Layer nanotech nology an d biom imetics .A dv Biophs ,1997;34:71

13张立清,牟季变编著.纳米材料学.沈阳:辽宁科学技术出版社,1994:109～110

14

魏　红,李永同.纳米技术在生物医学工程领域的应用.国外医学生物医学工程分册,1999;22(6):340

(收稿:2001-07-18 二次修回:2002-01-30)

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《中国医学文摘?儿科学》编辑部

2002-09-25

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