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纳米材料在医药方面的应用

纳米材料在医药方面的应用
摘要：本文介绍了什么是纳米材料，纳米材料在生物医学领域的最新应用及研究状况,简要列举了纳米生物材料在医药学应用的最新实例，并对其前景进行了展望。
关键词：纳米材料 生物医药 最新应用 展望
正文：纳米是一个微小的尺度单位，纳米是十亿分之一米（10 ），大约是单个原子直径的4倍，通过对在纳米尺度上新现象、新过程的观察，纳米技术为人们提供了许多性能独特的工具、材料、器件和系统。当前纳米技术的研究正快速地从观察和发现向设计和制造复杂的纳米尺度集合体转变纳米技术研究将是系统的、基于多学科的纳米技术具有巨大的潜能，可望取代现有大多数技术，创造新的工业，并在能源、环境、通信、计算、医药、空间探索、国家安全和基于材料的任何领域中改变基础的科学模型。
我们知道，细胞具有微米(10m)量级的空间尺度，生物大分子具有纳米量级的空间尺度。在它们之间的层次是亚细胞结构，具有几十到几百纳米量级的空间尺度。显然在纳米水平上研究生命现象的纳米生物学，它的研究对象就是亚细胞结构和生物大分子体系。由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径即利用纳米微粒进行细胞分离、疾病诊断，利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。
1、纳米材料在医药、医学领域的应用
目前纳米材料在生物医学领域已经得到广泛的应用，在基础医学、药物学、临床医学和预防医学方面，纳米材料作用的发挥都已不容忽视。纳米材料在生物医学中检测、诊断。药物治疗以及健康预防等方面都取得了很好的发展。
1.1纳米材料在医学检验诊断技术方面的应用
生物医学起源于诊断，没有很好的诊断手段就没有很好的治疗和预防，目前随着科学技术的发展，诊断手段越来越高明、先进，得到了前所未有的发展。纳米材料在检验诊断中主要应用于三个方面：[1]利用纳米材料跟踪生物体内活动，对生物体内元素的积累和排除作出判断。[2]利用纳米颗粒极高的传感灵敏效应对疾病进行早期诊断。利用纳米材料的特性去化验检测试样从而辅助治疗。
在具体应用方面的典型有量子点的荧光效应、磁性纳米材料的磁效应、纳米材料的吸附作用等等。
1.2纳米材料在药物治疗方面的应用
纳米生物材料，具有生物兼容性、可生物降解、药物缓释和药物靶向传递等良好特性已在药物治疗方面取得了很大成功。
药物纳米载体具有高度靶向、药物控制释放、提高难溶药物的溶解率和吸收率优点，提高药物疗效和降低毒副作用。纳米颗粒作为基因载体具有一些显著的优点：纳米颗粒能包裹、浓缩、保护核苷酸，使其免遭核酸酶的降解；比表面积大，具有生物亲和性，易于在其表面耦联特异性的靶向分子，实现基因治疗的特异性；在循环系统中的循环时间较普通颗粒明显延长，在一定时间内不会象普通颗粒那样迅速地被吞噬细胞清除；让核苷酸缓慢释放，有效地延长作用时间，并维持有效的产物浓度，提高转染效率和转染产物的生物利用度；代谢产物少，副作用小，无免疫排斥反应等。
2、纳米材料在生物医学领域的具体应用
2.1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。
2.2纳米粒子用作药物载体
一般来说,血液中红血球的大小为6000~9000nm一般细菌的长度为2000 ~3000 nm引起人体发病的病毒尺寸为80 ~100 nm，而纳米包覆体尺寸约30 nm，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。 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。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、上下呼吸道、肛门以及眼、耳等。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。
2.3 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。
2.4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。
2.5纳米机器人
在最近的十年中,随着纳米材料在癌症治疗、细胞显影和疾病检测方面的应用,由此诞生了一个新的领域———生物纳米技术。生物纳米技术是指在纳米尺度上认识生物分子的精细结构和功能之间的联系,并在此基础上按研究者的意愿组合、装配,创造出满足人们意愿并行使特定功能的生物纳米机器。
“纳米蜘蛛”机器人

有些科学家设想将蛋白质芯片或基因芯片组装成尺寸比人体红细胞还小的纳米机器人．使其具有某些酶的功能，它是纳米机械装置与生物系统的有机结合。在生物医学工程中可充当微型医生，解决传统医生难以解决的问题。将这些纳米机器人注入血管内．可按照预定程序．直接打通脑血栓。清洁心脏动脉脂肪沉积物等，达到预防和治疗心脑血管疾病的目的。除此以外。不同的组合方案还可组装出其他功能的纳米机器人．例如．有的可以吞噬病菌、杀死癌细胞：有的可以作为人体器官的修复工具．修复损伤的器官和组织等。以完成整容手术或其他器官修复手术；有的可以进行基因装配工作，除去基因中错误或有害的DNA片段．并将正常的DNA片段装配进染色体。使机体正常运作。
2.6利用纳米科技可将生物降解性和生物相容性的聚合物与药物一起制成纳米药物
作为靶向药物制剂，直接导入病灶部位的器官、组织甚至细胞，达到提高药物疗效，降低毒性的作用；将纳米材料作为药物载体，可增加某些药物的胃肠吸收，提高其生物利用度；将纳米材料作为载体，可用于基因的输送和治疗；纳米材料作为组织修复、人造器官等生物材料的应用也有很好的前景；另外，纳米材料在疾病的诊断和监测上也有广泛的用途。
3. 纳米材料在生物医学中应用的展望
随着科学技术的发展，材料学和生物医学结合越来越紧密，纳米材料在生物应用上已取得了很大的成就，并展现出良好的发展势头和巨大的发展潜力。但是我们还应看到,很多方面发展还不完善，应用还不安全有待进一步研究。我认为在21 世纪纳米材料在生物医学方面发展应该加强和有巨大应用潜力，将成为今后一段时间研究热点的有:
(1) 生物医学检测诊断用材料: 不可否认，现在纳米材料在生物检测诊断上已发生相当大的发展和应用，各种纳米材料已经在实践中的应用取得了良好的效果。但在各种医学检测中对各种各样的功能性纳米材料的要求还比较高。比如生物医学工程和医疗设备器材两者之间相辅相成,生物医学工程是基础，它的课题研究的深人会催生新的医疗设备器材出现，同时对临床医疗设备器材的需求信息会产生新的研究方向，纳米功能材料在这个方面将大有前途。又如分析与检测技术的进一步优化，势必要求具有更先进性能纳米材料的出现。
(2) 药物治疗上使用的材料: 药物控释纳米材料将继续成为纳米医用材料研究发展的重点。纳米粒子不但具有能穿过组织间隙并被细胞吸收等特性，而且还具有靶向、缓释、高效、低毒且可实现口服、静脉注射及敷贴等多种给药途径等优点，因而在药物输送方面具有广阔的应用前景。
(3) 功能性生物材料: 各种有着特定功能的材料将越来越多地应用到生物医学上去。未来几年生物材料中纳米陶瓷将在人造骨骼中发挥主导作用，有着各种特性的无机———有机复合纳米材料也必将在介入治疗、血液净化方面大展身手。
(4) 生物安全性纳米材料: 目前在一些国家生物纳米材料的安全性研究已经被提上日程，但很多研究还不深入，取得效果也不明显。在全球瞩目安全问题的同时，纳米材料安全性研究必将成为下一热点。生物降解绿色材料将是未来药物的首选。关于生物技术的风险，目前确实还有很多问题没有搞清楚，有待于继续研究。
其发展趋势主要包括：（1）生体相容性好的钛合金等物质将逐步开发，并进入临床试验阶段；(2)纳米技术与分子生物学技术相结合，将有助于揭示生物大分子各级结构与功能的破译；(3)纳米生物技术将使药物的生产实现低成本、高效率、自动化、大规模，而药物的作用将实现器官靶向化；(4)纳米生物技术应用于分子之间的相互作用、分子复合物和分子组装的研究将在病毒结构、细胞器结构细节和自身装配机制上取得进展；(5)纳米生物技术将使生物活性分子诊断、检测技术向微型、微观、微量、微创或无创、快速、实时、遥距、动态、功能性和智能化的方向发展。
[结束语]
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。
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