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纳米材料在医学上的应用
---疾病的检测与治疗
因其在科学研究与临床应用，特别是生物医药方面潜在的重要应用前景，纳米科技已发展成为一个新兴的多学科交叉领域，吸引了人们更多的研究兴趣。
一应用于生物医学中的纳米材料的主要类型及其特性
纳米碳材料、纳米高分子材料、纳米复合材料、磁性纳米颗粒等。
二.工作原理
A.纳米碳材料
主要包括碳纳米管、气相生长碳纤维也称为纳米碳纤维、类金刚石碳等碳纳米管有独特的孔状结构［1］，利用这一结构特性，将药物储存在碳纳米管中并通过一定的机制激发药物的释放，使可控药物变为现实。此外，碳纳米管还可用于复合材料的增强剂、电子探针（如观察蛋白质结构的AFM探针等）或显示针尖和场发射。纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂，以低碳烃类化合物为碳源，氢气为载体，在873 K～1473 K的温度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在医学领域中有广泛的应用前景。类金刚石碳（简称DLC）是一种具有大量金刚石结构C—C键的碳氢聚合物，可以通过等离子体或离子束技术沉积在物体的表面形成纳米结构的薄膜，具有优秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。资料报道，与其他材料相比，类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低，对白蛋白的吸附增强，血管内膜增生减少，因而类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要的应用价值。
B. 纳米高分子材料
纳米高分子材料，也称高分子纳米微粒或高分子超微粒，粒径尺度在1 nm～1000 nm范围。这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能，可用于药物、基因传递和药物控释载体，以及免疫分析、介入性诊疗等方面。
C.纳米复合材料
目前，研究和开发无机—无机、有机—无机、有机—有机及生物活性—非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的新途径，并逐步向智能化方向发展，在光、热、磁、力、声［2］等方面具有奇异的特性，因而在组织修复和移植等许多方面具有广阔的应用前景。国外已制备出纳米ZrO2增韧的氧化铝复合材料，用这种材料制成的人工髋骨和膝盖植入物的寿命可达30年之久［3］。研究表明，纳米羟基磷灰石胶原材料也是一种构建组织工程骨较好的支架材料［4］。此外，纳米羟基磷灰石粒子制成纳米抗癌药，还可杀死癌细胞，有效抑制肿瘤生长，而对正常细胞组织丝毫无损，这一研究成果引起国际的关注。北京医科大学等权威机构通过生物学试验证明，这种粒子可杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细胞。
此外，在临床医学中，具有较高应用价值的还有纳米陶瓷材料，微乳液等等。
D.磁性纳米材料
铁氧体纳米颗粒一般由三种主要成分构成：含铁的核，聚合物涂层和功能部分。这种具有生物降解功能的颗粒可被设计制备成具有超顺磁性的纳米粒子，这更有利于其在生物检测治疗方面的应用。另外，通过在其表面连接不同功能基团的配体，可在很大程度上扩大其检测诊断的范围。
三.应用方向
1纳米粒子用作药物载体
　　一般来说，血液中红血球的大小为6000 nm～9000 nm，一般细菌的长度为2000 nm～3000 nm［7］，引起人体发病的病毒尺寸为80 nm～100 nm，而纳米包覆体尺寸约30 nm［8］，细胞尺寸更大，因而可利用纳米微粒制成特殊药物载体或新型抗体进行局部的定向治疗等。专利和文献资料的统计分析表明，作为药物载体的材料主要有金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物活性纳米颗粒。
　　磁性纳米颗粒作为药物载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，进行定位病变治疗，利于提高药效，减少副作用。如采用金纳米颗粒制成金溶液，接上抗原或抗体，就能进行免疫学的间接凝聚实验，用于快速诊断［9］。生物降解性高分子纳米材料作为药物载体还可以植入到人体的某些特定组织部位，如子宫、阴道、口（颊、舌、齿）、上下呼吸道（鼻、肺）、肛门以及眼、耳等［10］。这种给药方式避免了药物直接被消化系统和肝脏分解而代谢掉，并防止药物对全身的作用。如美国麻省理工学院的科学家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片为基础，能长时间配选精确剂量药物的药物投送系统，并已被批准用于人体。近年来生物可降解性高分子纳米粒子（NPs）在基因治疗中的DNA载体以及半衰期较短的大分子药物如蛋白质、多肽、基因等活性物质的口服释放载体方面具有广阔的应用前景。药物纳米载体技术将给恶性肿瘤、糖尿病和老年痴呆症的治疗带来变革。
2纳米抗菌药及创伤敷料
　　Ag+可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌，添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。
　　3智能—靶向药物
　　在超临界高压下细胞会“变软”，而纳米生化材料微小易渗透，使医药家能改变细胞基因，因而纳米生化材料最有前景的应用是基因药物的开发。德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入肿瘤部位，使癌细胞部位完全被磁场封闭，通电加热时温度达到47℃，慢慢杀死癌细胞。这种方法已在老鼠身上进行的实验中获得了初步成功［11］。美国密歇根大学正在研制一种仅20 nm的微型智能炸弹，能够通过识别癌细胞化学特征攻击癌细胞，甚至可钻入单个细胞内将它炸毁。

　4纳米材料用于介入性诊疗
　　日本科学家利用纳米材料，开发出一种可测人或动物体内物质的新技术。科研人员使用的是一种纳米级微粒子，它可以同人或动物体内的物质反应产生光，研究人员用深入血管的光导纤维来检测反应所产生的光，经光谱分析就可以了解是何种物质及其特性和状态，初步实验已成功地检测出放进溶液中的神经传达物质乙酰胆碱。利用这一技术可以辨别身体内物质的特性，可以用来检测神经传递信号物质和测量人体内的血糖值及表示身体疲劳程度酸值，并有助于糖尿病的诊断和治疗。
5纳米材料在人体组织方面的应用
　　纳米材料在生物医学领域的应用相当广泛，除上面所述内容外还有如基因治疗、细胞移 植、人造皮肤和血管以及实现人工移植动物器官的可能。
　　目前，首次提出纳米医学的科学家之一詹姆斯贝克和他的同事已研制出一种树形分子的 多聚物作为DNA导入细胞的有效载体，在大鼠实验中已取得初步成效，为基因治疗提供了一种更微观的新思路。
　　纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗（疏通脑血管中的血栓，清除心脏脂肪沉积物，吞噬病菌，杀死癌细胞，监视体内的病变等）［12］；还可以用来进行人体器官的修复工作，比如作整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行或使引起癌症的DNA突变发生逆转从而延长人的寿命。将由硅晶片制成的存储器（ROM）微型设备植入大脑中，与神经通路相连，可用以治疗帕金森氏症或其他神经性疾病。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。
　　瑞典正在用多层聚合物和黄金制成医用微型机器人，目前实验已进入能让机器人捡起和移动肉眼看不见的玻璃珠的阶段［13］。
　　纳米材料所展示出的优异性能预示着它在生物医学工程领域，尤其在组织工程支架、人工器官材料、介入性诊疗器械、控制释放药物载体、血液净化、生物大分子分离等众多方面具有广泛的和诱人的应用前景。随着纳米技术在医学领域中的应用，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。
四.具体应用
1. 磁性纳米材料在肿瘤检测中的应用
磁粒用于肿瘤热疗(磁致热疗)治疗癌症是因 为磁粒在磁场的引导下, 可靶向病变部位, 同时在交变磁场的作用下,磁滞后效应(magnetic hysteresiseffects) 而产生热量将富有磁粒的肿瘤部位加热到43～48℃之间, 选择性杀死癌细胞同时又不伤害正常细胞。该方面有所进展的例子是A.Jordan 博士领导的研究团队发现用糖衣包裹氧化铁粒子伪装后, 可以成功逃过人体免疫细胞的攻击而安然进入肿瘤组织内, 加上交换磁场, 在维持治疗部位45～47℃的温度下, 氧化铁粒子便可杀死肿瘤细胞, 临近的健康组织却不受到明显影响。Kouji Tanaka[1]结合细胞免疫技术采用磁性阳离子脂质体对小鼠的瘤灶进行热疗, 能使小鼠75%的瘤块消退。ManfredJohannsen 等[2]把磁流体热疗与放疗结合起来对移植性前列腺癌的哥本哈根Copenhagen 老鼠模型进行实验, 发现在第一个疗程, 热疗温度可达到42.7℃～58.7℃两个疗程后, 与对照组比较, 抑制肿瘤增生87.5%～89.2%。颜士岩等【8】采用Fe2O3 纳米磁流体对荷瘤鼠热疗, 实验显示纳米磁流体【9】热疗对肝癌的体积和质量有明显的抑制作用。
五.目前面临的问题与未来展望
1.面临的问题：
⑴人体的排斥问题：在纳米机械的研发过程中，最大的挑战是人体医疗系统对纳米机械人的注入引发的排斥问题，由于纳米机械人是由光滑且无瑕的碳涂层构成的钻石的成分构成。其它为达到特定的目地亦采用许多轻元素包括氧与氮等做为材料。钻石涂层是材料中最好的选择。由于涂层光滑无瑕，人体引发免疫系统的响应愈少，就愈不会招致人体的排斥现象。纳米医疗机械在早些年前就已进行设计工作，但截至目前为止，尚无可用雏型产出。
⑵机械人的操作问题：一旦机械人注入人体后，他们必须去感应体内的运作目标，可能是细菌、病毒或其它细胞等，能否制造出具有可以辨识这些环境的传感器成为最大的关键：因为必需考量放置可提供对所有运行纳米机械人高准确度定位的动态导航网络于其内。这种系统可使医生追踪体内纳米机械人的踪迹，困难度极高纳米机械人因必需具有分辨不同细胞的能力，这种功能可以由Chemotactic传感器的安装达到目的。但技术上受到空前的挑战。
⑶机械人的能源问题：纳米机械人能源可以藉由体内葡萄糖或氧的新陈代谢来解决，亦可靠体外能源供应。其它体内的能源亦或是可行之道。
⑷纳米机械人解除问题：当纳米机械人在体内完成任务后，必须取出体外。这个问题可以利用内建式程序设定取出时间的方式处理，或者使用体外声波传送时间讯息方式处理。当纳米机械人完成任务后，机械人本身亦可被设计成由体内排泄系统自行排出或者藉由主动清道夫系统移除。
2.未来的展望：
纳米技术使人类认识自然和改造自然的能力扩展到原子和分子领域在生物医学检测方面，纳米技术与传统的检测方法相比有以下几点优势：微型化分析、实时多重分析、低样品量和试剂的消耗、高灵敏度以及分析速度快等。这意味着基于纳米粒子的分析甚至有可能超越现在占主导地位的技术，如PCR和酶联免疫吸附反应。结合纳米技术在分析中出现的问题，纳米技术真正应用于生物检测还需要改善纳米粒子的合成方法以达到提高纳米粒子的单分散性及分析时良好的重现性目的；另外，通过对纳米粒子的表面修饰进一步研究，改善纳米粒子在水溶液和高离子强度环境中的稳定性、获得表面的多功能性以及有利于生物分子结合到其表面。寻求新型纳米材料和具有多功能性的纳米粒子，发展可以在复杂的生物体液，如血液、尿液、血清等中检测分析物的有效传感器，将其更好的应用于生物医学检测方面也是未来的一个发展方向。