納米生物材料的定義

      1959年，美國(guó)著名物理學(xué)家,、諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者Richard Feynman曾經(jīng)預(yù)言：在設(shè)定的空間內(nèi)可以用特定的技術(shù)逐個(gè)地排列原子去制造物質(zhì),。這被人們認(rèn)為是對(duì)納米材料和納米技術(shù)做出的最早的描述。20世紀(jì)70年代末,，德雷克斯勒成立了NST（Nanoscale Science and Technology）研究組,。1981年，第二屆國(guó)際冶金和材料科學(xué)會(huì)議上,，德國(guó)科學(xué)家Gleiter報(bào)告他已制成了人工納米材料,。1987年，德國(guó)和美國(guó)同事報(bào)道已制備出具有清潔界面的陶瓷二氧化鈦,。但真正標(biāo)志著納米技術(shù)正式登上人類(lèi)歷史舞臺(tái)的是1990年在美國(guó)巴爾的摩召開(kāi)的第一屆NST會(huì)議,。1994年，在德國(guó)斯圖加特舉行的第二屆NST會(huì)議,，表明納米材料已成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的焦點(diǎn),。

       納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1-100nm）或由納米粒子作為基本單元構(gòu)成的材料。目前，國(guó)際上將處于1-100nm尺度范圍內(nèi)的超微顆粒及其致密的聚集體以及由納米微晶所構(gòu)成的材料統(tǒng)稱(chēng)為納米材料,，其中包括金屬,、非金屬、有機(jī),、無(wú)機(jī)和生物等多種粉末材料,。納米材料與生物體息息相關(guān)，生物體中存在大量精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)如核酸,、蛋白質(zhì),、細(xì)胞器等；骨骼,、牙齒,、肌腱等器官與組織中也都發(fā)現(xiàn)有納米結(jié)構(gòu)存在。此外,，據(jù)研究,，在自然界廣泛存在的貝殼、甲蟲(chóng)殼,、珊瑚等天然材料是由某種有機(jī)黏合劑連接的有序排列的納米碳酸鈣顆粒構(gòu)成的,、納米生物材料是指應(yīng)用于生物領(lǐng)域的納米材料與納米結(jié)構(gòu)，包括納米生物醫(yī)用材料,、納米藥物及藥物的納米化技術(shù),。從狹義上講，納米生物材料即為納米生物醫(yī)用材料,，是指對(duì)生物體進(jìn)行診斷,、治療和置換損壞的組織、器官或增進(jìn)其功能的具有納米尺度的材料,。納米材料所具有的獨(dú)特性能,，使其在藥物載體控釋、組織工程支架,、介入性診療器械,、人工器官材料、血液凈化,、生物大分子分離等眾多方面具有廣闊的應(yīng)用前景,。因此，發(fā)展納米生物材料意義重大,。

納米生物材料的特性

納米尺度效應(yīng)

   納米尺度效應(yīng)包括量子尺寸效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)（或體積效應(yīng)）,。當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連接狀態(tài)變?yōu)殡x散狀態(tài)的現(xiàn)象,，納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高占據(jù)分子軌道和最低未占分子軌道能級(jí),，能隙變寬的現(xiàn)象均稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng),。當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或投射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí),，晶體周期性的邊界條件將被破壞,；在非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，磁性,、內(nèi)壓,、光吸收、熱阻,、化學(xué)活性,、催化性及熔點(diǎn)等與普通粒子相比都有很大變化，這就是納米粒子的小尺寸效應(yīng),。

界面效應(yīng)

   隨著納米晶體尺寸的減小,，界面（表面）原子數(shù)增多。通過(guò)界面引入的缺陷導(dǎo)致原子配位不足,，這就使界面（表面）上的原子間間距與顆粒內(nèi)的原子間間距有較大差別,，如這些界面（表面）原子具有較高的活性而極不穩(wěn)定，特別容易吸附其他原子或與其他原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),。這種界面（表面）原子的活性不但引起納米粒子界面（表面）輸運(yùn)和構(gòu)型的變化,，同時(shí)也引起界面（表面）電子自旋、構(gòu)象,、電子能譜的變化，稱(chēng)為界面效應(yīng),。

納米生物材料的分類(lèi)

無(wú)機(jī)納米生物材料

   無(wú)機(jī)納米生物材料是研究最早并且在臨床上應(yīng)用最為廣泛的納米生物材料,，包括納米陶瓷材料、納米磁性材料,、納米碳材料等,。

納米陶瓷材料

   納米陶瓷材料是指由處于納米尺寸的晶粒所構(gòu)成的陶瓷材料。納米陶瓷材料在臨床上已有廣泛的應(yīng)用,，主要用于制造人工骨,、骨螺釘、人工齒,、牙種植體以及骨的髓內(nèi)固定材料等,。納米羥基磷灰石是納米生物陶瓷中最具代表性的生物活性陶瓷，羥基磷灰石與骨骼主要成分的性能一致,，其密度指數(shù)和強(qiáng)度數(shù)值與骨骼相似,，物理特性符合理想骨骼替代物的模數(shù)匹配，并且與正常骨骼的相容性好,、不易產(chǎn)生骨折,，因此,，它在組織工程化人工器官、人工植入物等方面的應(yīng)用前景越來(lái)越受到各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注,。1994年,，英國(guó)科學(xué)家Bonfield將聚乙烯與壓縮后的羥基磷灰石網(wǎng)混合后成功合成了模擬骨骼亞結(jié)構(gòu)的納米物質(zhì)，該物質(zhì)可取代目前骨科常用的合金材料,。1996年,，Li等采用浸漬的方法將羥基磷灰石納米晶涂覆在Ti金屬的表面，所得到的材料與組織的結(jié)合強(qiáng)度比單獨(dú)的Ti金屬與組織的結(jié)合強(qiáng)度高兩倍,。

納米磁性材料

   納米磁性材料主要是由納米級(jí)的金屬氧化物（如鐵,、鈷、鎳等的氧化物）組成的,，具有超順磁性,、磁量子隧道效應(yīng)等。磁性納米生物材料多為核殼式的納米級(jí)微球,，主要有三種結(jié)構(gòu)形式：①核-殼結(jié)構(gòu),，即由磁性材料組成核部，高分子材料作為殼層,；②殼-核結(jié)構(gòu),，即將高分子材料作為核部，外面包裹磁性材料,；③殼-核-殼結(jié)構(gòu),，即最外層和核部為高分子材料，中間層為磁性材料,。

納米碳材料

   由碳元素組成的碳納米材料統(tǒng)稱(chēng)為納米碳材料,。1963年Gott等在研究人工血管時(shí)發(fā)現(xiàn)碳元素具有良好的抗血栓性。此后,，碳材料在人工血管,、人工心臟瓣膜和人工齒根、骨骼,、關(guān)節(jié),、韌帶、肌腱等方面都獲得了廣泛的應(yīng)用,。1985年,，Kroto、Smalley和Curl等在Nature上發(fā)表了一篇題為：C₆₀：Buckminsterfullerene的文章,，引起學(xué)術(shù)界強(qiáng)烈反響,。他們根據(jù)質(zhì)譜上的一個(gè)尖峰推算出C₆₀的結(jié)構(gòu)，而當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)不能制備出足夠的量用于其他光譜表征,，所以受到了許多科學(xué)家的質(zhì)疑,。直到1990年,，Huffman和Kratschmer等合成大量富勒烯（C₆₀），確證這種碳元素單質(zhì)的新種類(lèi)是碳的同素異形體,，為封閉的空心球形結(jié)構(gòu),，具有芳香性。富勒烯,、金屬內(nèi)嵌富勒烯及其衍生物由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì),，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如抗氧化活性和細(xì)胞保護(hù)作用,、抗菌活性,、抗病毒作用、藥物載體和腫瘤治療等,。在發(fā)現(xiàn)并大量生產(chǎn)富勒烯后,，1991年，日本物理學(xué)家Iijima研究富勒烯的副產(chǎn)物時(shí),，發(fā)現(xiàn)了碳納米管,，由于其良好的物理和化學(xué)性質(zhì)，引起人們極大的研究興趣,，使得碳納米材料成為材料學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),。

有機(jī)納米生物材料

  有機(jī)納米生物材料包括有機(jī)小分子納米生物材料和有機(jī)高分子（聚合）納米生物材料。與無(wú)機(jī)化合物相比,，有機(jī)分子具有結(jié)構(gòu)多樣,、易于裁剪、組裝成本低等優(yōu)點(diǎn),，從而使有機(jī)納米材料具備無(wú)機(jī)納米材料所沒(méi)有的許多功能,。因此，近年來(lái)有機(jī)納米材料引起了科研工作者的廣泛關(guān)注,。1992年，日本科學(xué)家Nakanishi首次利用再沉淀法制備得到的有機(jī)納米材料在水相中具有良好的分散性,，此后,，越來(lái)越多具有不同形貌、結(jié)晶性和光電性能的有機(jī)納米材料被相繼制備出來(lái),，極大地?cái)U(kuò)展了有機(jī)納米材料的應(yīng)用,。有機(jī)納米材料在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用主要包括以下三個(gè)方面：①由于其具有較強(qiáng)的熒光量子產(chǎn)率、較長(zhǎng)的熒光壽命,、較低的光致漂白性和非特異性吸收,，因此廣泛用作于生物熒光探針；②由于其具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率和較強(qiáng)的光敏化產(chǎn)生活性氧的能力,，因此在腫瘤光熱治療和光動(dòng)力治療方面具有不可替代的地位,；③有機(jī)納米材料特別是有機(jī)高分子納米材料作為藥物載體在生物醫(yī)學(xué)上應(yīng)用廣泛,。

復(fù)合納米生物材料

   復(fù)合納米生物材料是指由兩種或兩種以上的物質(zhì)在納米尺度上雜合而成的材料。得到的復(fù)合材料不僅具有納米材料的小尺寸效應(yīng),、表面效應(yīng),、量子尺寸效應(yīng)等性質(zhì)，而且將無(wú)機(jī)物的剛性,、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與聚合物的韌性,、易加工性及介電性能揉合在一起，從而可以集許多特異性能于一身,。

      1991年,，Hench報(bào)道了具有生物活性的玻璃后，在世界范圍內(nèi)掀起了對(duì)生物玻璃的研究熱潮,。Yamanaka等制備得到的生物凝膠以SiO₂為基質(zhì),，葡萄糖-6-磷酸脫氫酶作為活性中心。Pope通過(guò)溶膠-凝膠技術(shù)將酒酵母包裹,，固定在SiO₂網(wǎng)絡(luò)中,，制備了能循環(huán)使用多次并且具有生物活性的復(fù)合材料，Rusu等以殼聚糖和羥基磷灰石為原料,，采用逐步沉淀法,，制得了顆粒大小可調(diào)的羥基磷灰石/殼聚糖復(fù)合材料，其在骨骼修復(fù)方面有一定的應(yīng)用價(jià)值,。

納米生物材料的生物安全性

生物降解

   生物降解指材料在生物體內(nèi)通過(guò)溶解,、酶解、細(xì)胞吞噬等作用,，在組織長(zhǎng)入的過(guò)程中不斷從體內(nèi)排出,，修復(fù)后的組織完全替代植入材料的位置，而材料在體內(nèi)不存在殘留的性質(zhì),。納米材料進(jìn)入機(jī)體后,，進(jìn)入血液系統(tǒng)或組織，除了肺部纖維上皮的運(yùn)動(dòng)以物理方式將其排出體外,，其余主要經(jīng)過(guò)吞噬細(xì)胞吞噬,，然后將其轉(zhuǎn)運(yùn)至肝、腎,、肺等組織,，在腎臟隨尿液排出，或經(jīng)肝,、膽通過(guò)消化道隨糞便排出

生物相容性

  生物相容性是指任何一種外源性物質(zhì),，對(duì)生物體和生物組織造成損傷，或引起生物體,、生物組織發(fā)生反應(yīng)的能力和性質(zhì),，和（或）生物體容許這種材料在體內(nèi)存在及與這種材料的相互作用的能力和性質(zhì),。對(duì)于納米生物材料，生物相容性是影響其應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的一個(gè)至關(guān)重要的因素,。因此,，越來(lái)越多的科研工作者研究納米生物材料的生物相容性,。據(jù)研究報(bào)道,，在碳納米顆粒中,，相對(duì)于單壁碳納米管和多壁碳納米管,，富勒烯具有更好的生物相容性,。而相對(duì)于碳納米顆粒,，金屬納米顆粒和半導(dǎo)體納米顆粒的生物相容性較差,。金屬納米顆粒（包括金納米顆粒,、金納米棒以及超順磁性氧化鐵等）的生物相容性都是濃度依賴(lài)的,，而半導(dǎo)體納米顆粒中最主要的一類(lèi)——量子點(diǎn)的生物相容性是限制其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的一大障礙,。

  大部分有機(jī)納米生物材料的生物相容性是濃度依賴(lài)的，但是基于可生物降解的聚合物如聚乳酸,、淀粉,、聚已內(nèi)酯等納米復(fù)合材料具有良好的生物相容性，因此具有廣闊的應(yīng)用前景,。

生物安全性

      2003年,，Service等在Science期刊上發(fā)表論文，討論納米材料的生物效應(yīng)及其對(duì)環(huán)境,、健康的影響問(wèn)題,。在隨后的一年中，Nature和Science期刊先后多次討論納米材料的生物毒性和環(huán)境安全問(wèn)題,。美國(guó)化學(xué)會(huì),、歐洲許多學(xué)術(shù)雜志等也紛紛發(fā)表文章探討納米材料與納米技術(shù)的生物環(huán)境安全性問(wèn)題。世界衛(wèi)生組織呼吁要優(yōu)先研究超細(xì)顆粒物,，尤其是納米尺度顆粒物的生物機(jī)制,。自2004年起，美國(guó),、英國(guó),、法國(guó)、德國(guó),、日本,、中國(guó)等相繼召開(kāi)納米生物環(huán)境效應(yīng)學(xué)術(shù)會(huì)議,，同時(shí)在各自“國(guó)家納米計(jì)劃”中均著重增設(shè)了有關(guān)納米生物環(huán)境安全性的研究計(jì)劃,。近年來(lái)，納米生物材料安全性的理論與實(shí)驗(yàn)研究已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),，目前已經(jīng)初步建立了系統(tǒng)地,、科學(xué)地評(píng)價(jià)納米材料毒性的方法,。納米生物材料與其他多個(gè)學(xué)科相互滲透，顯示出巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值,，并且已經(jīng)在一些領(lǐng)域獲得了初步的應(yīng)用,。隨著研究的進(jìn)一步深入和技術(shù)的發(fā)展，有望建立一套系統(tǒng)地,、科學(xué)地評(píng)價(jià)納米材料的方法,，從而指導(dǎo)人們更合理地使用納米材料造福人類(lèi)。

本文整理由長(zhǎng)三角肺癌之納米工程青年團(tuán)隊(duì)完成,。