学术服务内容

在线编辑 学术顾问

咨询率高的核心期刊

教育论文

浅谈医学纳米材料的应用与发展

时间:2020年07月21日 所属分类:教育论文 点击次数:

摘要:本文评述了纳米材料在生物医学领域的最新应用及研究状况,介绍了纳米生物材料所具有的特殊性能,以及纳米材料在国内外的应用实例和产业发展现状发展情况,并对其前景进行了展望。 关键词:纳米材料;生物医学;应用 纳米材料与生物体在尺寸上有着密切的关系

  摘要:本文评述了纳米材料在生物医学领域的最新应用及研究状况,介绍了纳米生物材料所具有的特殊性能,以及纳米材料在国内外的应用实例和产业发展现状发展情况,并对其前景进行了展望。

  关键词:纳米材料;生物医学;应用

化学教育

  纳米材料与生物体在尺寸上有着密切的关系,例如,构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体的线度在15-20nm之间,生物体内各种病毒的尺寸也在纳米尺度范围。纳米技术的诞生使人类改造自然的能力直接延伸到分子和原子水平,使人类按照自己的意志操纵单个原子成为可能。纳米生物医用材料就是纳米材料与生物医用材料的交叉,将纳米微粒与其他材料相复合制成各种各样的复合材料。

  一.纳米生物医学材料的分类

  按照材料科学的分类方法,纳米生物医学材料可以分为纳米金属生物材料、纳米无机非金属生物材料、纳米高分子生物材料、纳米复合生物材料几种。但是按照其在生物医学领域的应用则可分为:细胞分离用纳米材料、细胞内部染色用纳米材料、抗菌及创伤敷料用纳米材料、组织工程中的纳米生物材料、生物活性材料几种,本文将照此分类进行介绍。

  1.细胞分离用纳米材料

  病毒尺寸一般约80~100nm,细菌为数百纳米,而细胞则更大,因此利用纳米复合粒子性能稳定、不与胶体溶液反应且易实现与细胞分离等特点,可将纳米粒子应用于诊疗中进行细胞分离。该方法同传统方法相比,具有操作简便、费用低、快速、安全等特点。美国科学家用纳米粒子已成功地将孕妇血样中微量的胎儿细胞分离出来,从而简便、准确地判断出胎儿细胞中是否带有遗传缺陷。

  2.细胞内部染色用纳米材料

  利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏感程度和亲和力的显著差异,选择抗体种类,将纳米金粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合,制备成多种纳米金/抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物,在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色(如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色),从而给各种组合“贴上”了不同颜色的标签,因而为提高细胞内组织的分辨率提供了一种急需的染色技术。

  3.抗菌及创伤敷料用纳米材料

  按抗菌机理,纳米抗菌材料分为三类:一类是Ag+系抗菌材料,其利用Ag+可使细胞膜上的蛋白失活,从而杀死细菌。在该类材料中加入钛系纳米材料和引入Zn2+、Cu+等可有效地提高其的综合性能;第二类是ZnO、TiO2等光触媒型纳米抗菌材料,利用该类材料的光催化作用,与H2O或OH-反应生成一种具有强氧化性的羟基以杀死病菌;第三类是C-18A°纳米蒙脱土等无机材料,因其内部有特殊的结构而带有不饱和的负电荷,从而具有强烈的阳离子交换能力,对病菌、细菌有强的吸附固定作用,从而起到抗菌作用。

  二.纳米生物医学材料的应用

  上文介绍了纳米生物材料的应用分类,下面就通过一些具体实例来进一步说明纳米材料在生物医学领域的应用。

  1纳米人工红细胞

  我们知道,脑细胞缺氧6~10分钟即出现坏死,内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。纳米人工红细胞的原理是用一个可以双向旋转涡轴的选通栅门来控制氧气从小球中释放,通过调节涡轴旋转的速度和方向,使小球内的氧气根据人体需氧的多少以一定的速率释放到外部血液中,同时使供氧装置在富氧的地方具有吸收氧气的功能而在需氧的地方具有释放氧气的功能;同理,它还必须能在适当的地方吸收和释放二氧化碳。初步设计的人工纳米红细胞是一个金刚石的氧气容器,内部有1000个大气压,泵动力来自血清葡萄糖,它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的233倍,并具有生物碳活性。它可以应用于贫血的局部治疗、人工呼吸、肺衰竭和体育运动需要的额外耗氧等。

  2纳米人工线粒体

  当细胞中的线粒体部分失去功能的时候,再来增加氧供给水平,并不一定能使组织有效地恢复,这时就需要直接释放三磷腺苷同时伴随着有选择地释放和吸收其他的一些代谢产物,后者是迅速恢复组织功能的有效手段。人工线粒体装置,如同前面的供氧装置一样,只不过在这里释放的是三磷腺苷而不是氧。

  3纳米人工眼球

  我国四川大学研制的纳米人工眼球通过电脉冲刺激大脑神经,使患者可“看”到外部的精彩世界。纳米眼球的外壳是用纳米材料制成,纳米材料是一种活性复合材料,眼球的外壳里面安置微型摄像机与集成电脑芯片,通过这两个部件将影像信号转化成电脉冲刺激大脑的枕叶神经,从而实现可视功能。

  4纳米人工鼻

  纳米人工鼻实际上是一种气体探测器,与燃气监视器道理相同,可同时监测多种气体。英国伯明翰大学正在研制“纳米鼻”来预报致哮喘病发作的环境因素,一旦空气中含有易引发哮喘病的气体如臭氧、一氧化碳及氮的氧化物时,其显示器就发出信号。

  三.产业发展现状

  纳米生物医学技术的应用挽救了千万计危重病人的生命,降低了心血管、肿瘤及其它严重疾病患者的死亡率。由于心血管系统修复材料和器械的使用和医疗技术的提高,美国心脏病死亡率已从1950年每100000人的586.8人,降至2001年的247.8人,下降近60%;纳米生物医学技术的应用还提高了生命质量,降低了残疾人的数量。2003年全球人工髋关节和膝关节的年植入量已分别超过100万套。医用骨材料在国内外有着广阔的市场和巨大的经济效益。由于肿瘤、外伤及某些遗传性疾病造成的骨缺损是临床上面临的一大难题。2000年我国的骨外科临床治疗超过50万例。在美国,每年大约有90万人由于各种原因而接受骨损伤的手术治疗,其中80万人需要植入组织替代物。目前采用的自体骨移植和异体骨移植因存在种种弊端,不能解决临床实践中的大范围骨缺损。骨组织工程的临床应用前景为大范围骨缺损修复带来了曙光。

  以纳米生物医学技术为代表的新一轮产业正在发展初期,这些产业具有进一步提高人类生活质量、延长人类寿命的潜力。近10年来,因为国家对科学技术越来越重视,和纳米相关的基础研究已经在中国取得长足进展,中国已经成为仅次于美国的纳米科学研究大国。如何把这些基础研究成果转化为产品,特别是将其运用于生物医学的发展,将需要科研界、医疗卫生系统、产业界和国家支持这几方面力量通力合作。

  教育论文投稿刊物:化学教育的任务是放眼化学学科的发展方向,围绕我国化学教育事业的发展,重点报道化学教育领域内的改革动态和研究成果,介绍化学学科的新成就和新发展;化学教育的新理论、新观念;化学教育教学改革新经验,为提高化学教育工作者的业务水平服务,为我国化学教育事业的发展服务。

  四.纳米材料在生物医学中应用的展望

  纳米技术与生物医学的结合,为医学界提供了全新的思路,纳米材料在医学领域的应用取得了显著效果。但纳米材料应用还很有限,尤其是在生物医学上面,目前大多数研究还处于动物实验阶段,还需大量临床试验予以证实,纳米材料应用的生物安全性有待进一步提高。这就要求生物医学研究者与纳米材料的研究人员合作需进一步加强,制造出更先进的生物医用纳米材料。我们有理由相信,随着纳米材料在生物医学领域更广泛的应用,临床医疗将变得节奏更快、效率更高,诊断、检查更准确,治疗更有效,人们的生命安全将得到更大的保障。

  参考文献:

  【1】李霞,彭蜀晋,张云龙;纳米材料在生物医学领域的应用【J】;化学教育;2006年第11期。

  【2】金海龙,王新宇,王洪森等;纳米材料在生物医学领域的应用与发展【J】;仪器仪表学报;第27卷第6期增刊2006年6月。

  作者:郭翔