1 引言

纳米材料是粒径为10～1000nm的由天然材料制造或人工合成的一类新型载体，主要包括有机与无机纳米材料。纳米材料理化性质特殊，环境友好度高、生物相容性佳、成本低、毒性低，在化工、生物学、医学等领域有广泛应用。近年来，随着纳米材料技术的不断发展，生物学、医学领域对于纳米材料的运用范围也更为广泛，其性能测试与新功能研制也得到了更高的重视。

2 纳米材料概述

纳米材料粒径在1～100nm内，位于单个原子、分子和体相材料间，能够同时发挥小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应及体积效应等，性质明显与单个原子、分子、体相材料有区别，电学性能、光学性能、催化性能等都很优异。纳米材料的这些特性使纳米科技飞速发展，通过技术手段调控纳米材料尺寸、形貌、粒度分布、表面性质等，用以制造性能更为优异、应用前景广阔的材料与器件，并用于先进材料、电磁学、生物学、医药学、催化科学、环境科学、光电子学等多个领域。

3 纳米材料在生物学及医学领域的应用

3.1 在细胞与生物分子研究中的应用

第一，生物分子检测。纳米颗粒因粒径小、反应活性较强、物理性质优异、性能可调控性良好，在蛋白质及核酸分子的检测中的广泛的应用，可作为生物传感器。如，纳米石墨烯在细菌分析、蛋白质、DNA分析中均可以采用纳米石墨烯生物装置或生物传感器进行检测。还可以制成纳米探针标记相应检测物，提高检测灵敏度。第二，分离纯化。细胞、生物分子分离纯化技术是干细胞研究、免疫学、细胞生物学、临床医学研究的一个重要工具。分离、纯化、表征细胞是生命科学与临床医学的一种必要手段。近年来，磁性分离技术在细胞与生物分子分离纯化中发挥了重要作用，纳米材料是这种技术应用的重要基础，以纳米材料不基础对细胞、生物分子采用磁性分离，能够实现分离的选择性，保证细胞能够被大批量分离，最终获得更好的靶细胞分离纯度。如，将氨基三乙酸能够与磁性纳米颗粒表面进行连接，纳米颗粒很高的比表面积、快速的移动性与良好的分散性，能够与被组氨酸票房的蛋白分子更好地结合，也不需要预处理细胞裂解液即可分离蛋白质分子。外加磁场作用下，分离组氨酸所标记的蛋白质分子后，再采用SDA-PAGE凝胶电泳法检测分离物纯度，其分离特异性要优于商业性磁性微球，与靶蛋白分子结合力20倍于商业性磁性微球，通过缓冲溶液还能够重生磁性纳米颗粒，完全恢复纳米颗粒对于靶蛋白的选择性、亲和力、分离效率，实现重复利用[1]。

3.2 MRI对比剂

MRI增强扫描是向体内注入对比剂后，进一步增强或弱化病变部位或正常部位信号，使正常组织与病变组织之间能呈现像差对比度更高的图像。MRI信号需要依赖径向与横向质子的弛豫时间，其差异造成了MRI图像中不同组织之间的不同对比度。机体组织中的水分会受到生理环境的影响，出现不同的弛豫时间，并体现在病变组织的相应变化，这种特异性尤其会在病变晚期明显增强。因此，MRI是病变特异性诊断的一个有效手段。通过MRI对比剂能够调控组织内在弛豫时间，提升图像信号强度与对比度。纳米材料对于细胞摄取更有效，因此，成为对比剂制备应用广泛的一种材料，制备后的对比剂，磁性纳米颗粒会在细胞中进行标记，这些标记会随着时间与空间出现移动，MRI可以根据这些移动的标记点追踪组织器官病变情况。同时，将纳米颗粒用于MRI对比剂的制备后，能够提升良性与恶性肿瘤的区分度，并用于肿瘤发展阶段的鉴别诊断[1]。

3.3 靶向药物载体

纳米材料能够承担靶向药物输送载体的功能，载药纳米颗粒能够缓释药物，延长药物作用时间，提高靶向送药目的；能够强化药物正面效应，降低毒副反应；能够提升药物稳定性；能够阻止核酸类药物中的核酸酶对核酸类药物的降解作用，从而保护药物；能够促进核苷酸分子细胞转染的效率，提高靶向定位效果；有助于构建一些新的给药途径。粒径大小在药物输送过程中对于药物向细胞内部的输送有关键性的影响，血管内径仅允许直径在50nm以下的药物自由进出，细胞膜则仅鸡毛100m直径以下的药物自由穿过进入细胞内部。为充分发挥药物疗效，可以将纳米颗粒作为药物载体，在其表面附着药物或生物活性分子后，经口服或注射等途径将纳米颗粒送入体内，施加足够大的外部梯度磁场后，纳米颗粒会聚集到病变部位，对病变组织进行局部靶向治疗，确保药物能够最大限度聚集到靶组织、靶器官中，大幅提升疗效，同时，也不会使药物向正常组织分散，降低甚至消除药物对正常组织或器官的毒副作用，能够最大程度降低药物不良反应与毒副作用。将超磁纳米颗粒作为药物载体，搭载药物或生物活性物质，颗粒本身的超顺磁性特性还能够直接对给药浓度进行控制，保证药物能够在靶组织与靶器官中富集，最大限度增强疗效，减少毒副反应。如，运用壳聚糖与胆固醇两种物质对Fe3O4纳米颗粒表面进行改性处理，与紫杉醇相结合后，制备为粒径仅为20nm左右的超顺磁性紫杉醇Fe3O4纳米颗粒，该复合颗粒团聚不明显，能够产生与Fe3O4磁流体相似的一种磁滞曲线，仅会出现极低甚至不会出现矫顽力与剩磁力，能够将原纳米颗粒所具备的超顺磁性特性有效复合。将复合颗粒经鼠尾静脉注入体内后，头端放置一个外部磁场，强度为0.5特斯拉，磁靶向实验组动物模型机体组织中的紫杉醇浓度显著提高至纯药物注入模型的5～30倍，使局部药物浓度持续16h以上，复合颗粒穿透血脉屏障后，显著提升了脑组织中的药物浓度，使药物地靶器官中的效果显著增强[2]。同时，复合颗粒还能够有效到达特定病变位点，能够在局部病变组织中选择性地提高药物浓度，因此，对于非病变组织的作用几乎为零，不良反应大幅消失，同时支持了药物的缓释发展。此外，多孔硅纳米材料、碳纳米管及其衍生或复合材料、纳米钻石、纳米羟基磷灰石等均具有相应的药物载体功能。目前，临床上还将纳米材料用于蛋白与基因载体中，为基因治疗提供新的途径。

文章来源：《中国病原生物学杂志》 网址: http://www.zgbyswxzz.cn/qikandaodu/2021/0126/413.html