张冬英

(长江职业学院，武汉 430074)

纳米材料在生物医药方面的应用及发展动态

张冬英

(长江职业学院，武汉 430074)

纳米材料和体块材料具有较为特殊的结构层次，有着表面效应、体积效应等许多特殊效应性能，这一系列性能特征都使其在电、光、生物医药学等方面有着非常大的开发和应用价值。依据纳米材料的物理与化学特性, 对纳米材料在生物医药领域的开发应用和发展动态进行了研究分析。

纳米材料；应用；发展动态

纳米材料这一概念始于20世纪80年代初期，这一概念形成之后就受到了世界各国、多个领域或相关行业的关注。纳米技术则是上个世纪90年代慢慢发展起来的一个交叉性新兴学科。因纳米技术具有非常独特的物理及化学性能，人们很快就意识到纳米材料在化学、生物等多个学科可能会有很大的发展应用前景,已经成为一个非常有活力的且对未来经济与社会产生重要影响的新兴学科。

一、纳米材料的含义和性质简介

(一)纳米材料的含义

纳米一词来源于英文单词“namometer”的译名。当物质长度在1到100纳米之间的时候，物质性能就会出现翻天覆地的变化，同时在电、声等其他方面具备一些特殊性能。纳米材料指的就是这种物质微观构成的分子、原子以及宏观物质构成的相关性能的材料，它并不是一种非常具体的材料，而是一种类型材料的统称。

(二)纳米材料的性质

1.力学方面的性质

纳米材料的力学性能较普通材料高，这是因为纳米微晶材料的表面积或者表体积比较大，因而杂质在其界面上的浓度就下降了许多，从这我们也可以了解到物质的力学性能在很大程度上受到晶界的影响。一直以来人们在开发应用纳米微晶材料方面主要是因其具备较高的韧度、硬度以及强度。当前研究结果证明，在弹性范围方面，纳米材料可以被较大幅度的展宽，同时屈服应力也可以有很大程度的提升。

2.磁学方面的性质

通常情况下，磁性金属以及合金物体都存在磁电阻现象，也就是于特定磁场下电阻会发生改变的现象。和一般磁头比起来，纳米多层膜系统的巨磁电阻效应甚至多出了一倍之高，将其应用到存储信息的磁电阻来读出磁头，其灵敏度可以得到很大的提高，同时噪音下降了许多。我们可以将纳米巨磁电阻材料用作新型的磁传感器材料，这是因为该材料的磁电阻和外界的磁场之间有着差不多的线性关系。除此之外，对于可见光而言，r-Fe2O3高分子纳米复合材料的透射率是比较显著的，且其吸收可见光的系数较以前传统的粗晶材料也要低上许多，所以和FeBO3等透明磁体比起来，其磁性最少要高出1个数量级，但它在吸收红外波段方面的系数却要低了3个数量级，虽然透光性稍微低了一点，然而还是可以将其广泛应用到磁光系统以及磁光材料当中。

3.电学性质

纳米材料晶界面上的原子体积分数提高了许多，所以其电阻较同一种类的粗晶材料要高出不少，甚至能够出现尺寸诱导金属，也就是绝缘体转变的情况。使用纳米粒子的隧道量子效应以及库企堵塞效应所制备而成的纳米电子器件有着非常快的速度，且容量大，体积微小，并且能耗很低。此外，在纳米桂薄膜当中有着许多的纯净界面，它的导电机制主要是通过晶粒界面陷阱模型来实现的，所以纳米微晶材料的电导率和同成分的晶态或者非晶态材料的电导率比起来要高出许多，所以在未来很有可能现在存在的常规的半导体器件会被其完全取而代之。

二、纳米材料的类别

(一)纳米固体

纳米固体指的是通过纳米微粒聚集形成的凝聚体。以几何形态的角度来看，可以将其分成三种类型：纳米纤维材料、纳米块状材料以及纳米薄膜材料，这些又被称为纳米结构材料。

(二)纳米微粒

这指的是线度在1-100nm间的粒子聚合体，为该几何范围内的各种类型的粒子聚合体的统称。这种纳米材料的形态有许多种，比如针状、棒状等。通常情况下，其微观粒子聚合体的限度低于1nm则称之为为簇，不过我们平时所说的微粉其线度则是微米级。纳米微粒的限度就正好是在这两者间，因此它又被称之为超微粒。

(三)纳米组装体系

纳米组装体系是经人工组装合成的纳米结构材料的体系，也就是纳米尺度的图案材料。纳米微粒及其构成的纳米丝和管是该体系的基本单元，它能够在一、二、三维空间内组装排列成有着纳米结构的体系。这种排列既可以是有序的，也可以是无序的，它最大的特征在于能够根据人们的想法来随意设计，让体系实现人们所期待的目标特性，因此这也成为化学、物理学以及材料学目前非常重要的研究课题。

三、纳米材料在生物医学方面的应用及其最新发展动态

(一)纳米材料应用在生物医学方面的类型及其特征分析

1.纳米碳材料

纳米碳材料又可细分为多种，如碳纳米管、纳米碳纤维、类金刚石碳等等。碳纳米管为孔状结构，这是一种非常独特的特征，利用该结构特征可以把药物存储到碳纳米管中，然后使用特定的机制使药物释放被激发出来，最终使得可控药物成为现实。纳米碳纤维的应用主要表现在使用过渡金属Fe、Co、Ni及其合金作为催化剂，使用低碳烃类化合物作为碳源，载体是氢气，并于873 K到1473 K的温度下生成，生成的物质有着非常独特的特性以及很好的生物相溶性，目前这种材料在医学领域已经得到了很好的应用，且前景良好。

2.纳米高分子材料

这种材料又被称作高分子纳米微粒，其粒径尺度在1 nm到1000 nm之间。该材料不管是胶体性还是稳定性，或是吸附性能都较为优良，因此在基因传递，免疫分析等方面都得到了很好的应用。

3.纳米复合材料

当前的研究已经发现，在获取性能优良的新一代功能复合材料方面，纳米结构的复合材料是非常不错的选择，因为该材料在光、热等多个方面都表现出了显著且独特的特性，所以在修复组织与移植等医学方面都有很好的应用前景。比如国外就已经制备出了纳米ZrO2增韧的氧化铝复合材料，使用这种材料制备而成的人工髋骨以及膝盖植入物甚至可以有三十年左右的寿命。与此同时，研究也发现，在构建组织工程骨当中纳米羟基磷灰石胶原材料是非常不错的支架材料，而且这种粒子所制备二次的抗癌药物还能够将癌细胞杀死，使得肿瘤生长可以得到显著的抑制效果，且这种杀死癌细胞，控制肿瘤生长的方法对于人体正常的细胞组织不会有任何的损害。目前北京医科大学等多个权威机构组织已经对该方法进行了生物学的试验，试验结果证明，该方法对于杀死肺癌、肝癌等多种肿瘤细胞有显著效果。

(二)纳米材料应用在生物医学方面的最新发展动态

1.使用纳米材料将细胞进行分离

由于纳米复合体有着较为稳定的性能，且其在通常情况下不会和生物溶液、胶体溶液等发生反应，所以使用其特性来进行细胞的分离是纳米材料在医疗临床诊断当中被广泛研究且应用前景广阔的途径。如今，人类已经成功的将生物芯片材料应用到单细胞分离、基因突变分析等医学当中。比如伦敦的儿科医院以及挪威工科大学、美国喷气推进研究所就利用了纳米磁性粒子对人体骨骼液当中的癌细胞成功进行了分离。美国的科学家也对该技术进行了研究，希望能够使用该技术来检测肿瘤早期血液当中的癌细胞，让人类能够成功实现对癌症的早期诊断并进行针对性的有效的治疗。

2.细胞内部染色的应用

De Mey博士(比利时)等人就利用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或者柠檬酸钠，将金从氯化金酸水溶液中进行还原并形成了金纳米粒子，把这种粒子和提前制备好的抗体或者单克隆抗体进行混合，由于不同抗体对于人体细胞以及骨骼内组织的敏感程度以及亲和力都是不一样的，通过该特征来选择抗体的类别，从而制备了多种金纳米粒子—抗体复合物。利用复合粒子分别和细胞内部各种器官与骨骼系统相结合而形成的复合物，其在白光或者单色光的照射下所呈现出来的颜色是不一样的特征，继而给各个类型的组织贴上了各种颜色不一样的标签，这样一来人类在分辨细胞内组织方面的机率就提高了许多，人类急需的染色技术也得以提高。

四、纳米材料在食品包装方面的应用及最新发展动态

(一)延长食品的保鲜时间

生活中，我们不难发现许多水果蔬菜存放时间一旦超长就会腐烂，这是因为果蔬类食品存放时间一长就会释放乙烯，一旦乙烯浓度到达一定量的时候，就会让水果蔬菜类食品的腐烂加快。然而过去较为传统的食品包装材料却很难将乙烯较好的吸收掉，所以也就很难达到使食品保鲜的目的。而纳米银则具备催化乙烯的功效，若在果蔬类食品包装材料当中加入纳米银，则可以将乙烯适当降低，延长食品的保鲜时间。

(二)提高食品包装的封闭性

由于聚合物纳米复合材料和蒙脱土纳米复合材料有着比较好的阻断性能，因此使用其来阻隔氧气、二氧化碳等气体物质，使这些物质的渗透性下降，让食品的保存时间得到延长。和天然橡胶相比起来，有机蒙脱土纳米复合材料的渗透量对于氧气的渗透量足足下降了一半左右，这表明纳米复合材料在阻断气体方面的性能是非常不错的。

(三)提高食品包装的抗菌性能

在抗菌方面纳米复合材料也有着非常不错的性能，它可以很好的抑制微生物的滋长，确保食品不会被细菌所污染。研究表明，把无菌纳米抗菌剂以及增效剂加入到聚烯烃薄膜中，则其杀菌的效果完全可以达到98.13%，并且其封闭性和阻断性并未受到显著影响。

(四)纳米复合材料应用于食品包装方面的最新发展动态

从上述研究来看，纳米复合材料比起过去的食品包装材料，不论是物理化学性能还是抗菌性能等都要好许多，然而最新研究发现，当纳米颗粒产生较多活性氧物质的时候，生物体内会有毒性发生；如果纳米复合材料当中含有金属氧化物或者纳米金属，则这些纳米颗粒就可能会和生物体当中的蛋白质相结合，并导致蛋白功能出现异常，从而致使物质出现基因毒性。虽然目前经研究已经发现，纳米金属或者金属氧化物颗粒是否会产生毒性和其浸泡的温度以及时间有很大关系，然而具体的关系还没有形成统一定论，说法不一，且这些物质颗粒进入到人体内会不会对人体造成身体健康影响，影响如何，该怎么样解决等问题都还在研究当中，需要我们继续探讨。

综上所述，纳米科学是一门新兴起来的科学，它将基础科学与应用科学进行了很好的集合，涉及领域和范围非常广，目前在电子、光学、生物医学等方面都取得了显著应用成果。纳米科学技术的诞生以及纳米材料的广泛应用不仅是现在，在将来很长一段时间内都将对人类和社会发展产生重要影响，而且很有可能会从根本上帮助人类解决许多包括健康、能源等在内的重大问题。相信随着科学技术的深入发展，纳米材料在生物医药、食品等多个领域还将会有更为惊人的发现和应用成果。

[1] 张立德，牟季美.纳米材料和纳米结构[M].北京：科学出版社，2012(5).

[2] 王鹏宇.石墨烯纳米带生产工艺开发成功[J].世界电子元器件，2012(12).

[3] Kong M J, Li X B, Wang C M, et al. Tissue distribution and cancergrowth inhibition of magnetic lipoplex-delivered type 1 insulin-likegrowth factor receptor sh RNA in nude mice[J]. Acta Biochim BiophysSin, 2012(7): 591-596.

[4] 韩伟,于艳军,李宁涛,王利兵.纳米复合材料在食品包装中的应用及其安全评价[J].科学通报,2013(03).

[5] 张宏康,G.S.Mittal.纳米复合食品包装材料研究进展[J].食品工业,2012(5).

[6] 艾茜,胡长鹰,林勤保,王志伟,李河.纳米银/低密度聚乙烯复合食品包装薄膜的表征及性能[J].食品工业科技,2014(22).

The application and Developmental Trend of Nano-materials in Biological Medicines

Zhang dongying

(ChangjiangPolytechnic,Wuhan430074，China)

It is clear that nano-materials are also called ultrafine particles or ultrafine powders. Actually, they are different from bulk material structure and quite different from single atom. Because of their special structure level, nano-materials have many special specifications such as surface effect and volume effect. On the other hand, many kinds of new physical and chemical specifications are still not known. Right now, there are plenty of development and application value, which are used in the electronic, lightning, biological medicine fields. Therefore, the paper tries to conduct nano-materials research on its application and latest trend of development.

Nano-materials；application; development

TB383

A

1673-3878(2017)02-0078-04

2016-12-05

张冬英(1964-)，女，湖北监利县人，长江职业学院生物医药学院教师；主要研究方向：职业教育.