納米技術在生物醫學的應用范文
時間：2023-11-10 18:14:50
導語：如何才能寫好一篇納米技術在生物醫學的應用，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。
篇1
1.納米材料的特性
當一種物質被不斷切割至一定程度，其粒子小至納米量級，即為納米材料。科學家發現納米材料有許多鮮為人知的性質，比如體積效應、表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應和介電限效應等。而出現許多特性：光學性質、催化性質、化學反應性質、硬度高、可塑性強、高比熱和熱膨脹、高導電率和擴散性、高磁化率和高矯頑力等。正由于納米材料具有諸如上述的性質，為生物醫學、藥學等許多領域帶來新的生機。
2.1生物兼容性物質的開發
在生物醫學中應用納米技術，可以使得材料生物的相容性得到最大限度的提升，同時還能夠降低生物的毒性、增強生物的傳導性從而使得材料生物可以最大限度的滿足生物組織的需求，達到生物組織規定的標準。納米技術應用到生物醫學中，衍生出各種納米材料，如納米無機金屬生物材料，這種材料不具有毒副作用，其與人體的組織具有相容性，有利于人體相關組織的生長。同時納米具有較強的生物活性，能夠對人體的血液進行有效的凈化處理，將人體中的有毒物質排出人體的體外，從而使得人體的抵抗力得到進一步的提升，降低人體患病的可能性。
另外，相關的生物醫學研究學者利用納米技術已經研制出一種新型的骨骼亞結構納米材料，這種材料在實際的臨床應用中應用較為廣泛，現如今已經成功的取代了原有的合金材料，并且其他成功研制的納米材料也在臨床中得到了應用，可以說，在生物醫學領域中，納米技術無處不在。
2.2 DNA納米技術
DNA納米技術主要是依據DNA的理化性質來實現對納米技術的合理設計和應用，這種DNA納米技術在實際的應用中，主要是用來實現對分子的組裝，在對DNA進行復制的過程中，也能夠應用這種技術實現對堿基各種特性的體現，同時也能夠使得遺傳信息的多樣性得到最大限度的體現，在納米技術進行設計的過程中，所遵循的原理也包括這幾方面的特性和內容。
3.納米技術在藥學領域中的應用
3.1納米控釋系統改善藥動學性質
將藥物制成納米制劑后，不但達到緩控釋效果，而且改變其藥物動力學的特性。比如有人以環抱素A為模型藥物，以硬脂酸制備了納米球以市售CYA微乳型口服液為對照，測得口服CYA-SA-NP在大鼠體內相對利用度接近80%，達峰時間推遲，具有明顯效果。還有人以鏈脈霉素糖尿病大鼠為模型，皮下注射胰島素納米囊實驗，其結果降糖作用持續3天，且在藥物吸收相具有明顯的量效關系。本品3天一次與一天3次的常規胰島素療效相當。
3.2納米釋藥系統增強藥物靶向性
納米材料生物相容性好，采用可生物降解的高分子材料作藥物載體制成納米釋藥系統，可增強抗腫瘤藥物靶向性，就相關的阿霉素免疫磁性毫微粒的體內磁靶向定位研究可以了解到，AIMN具有超順磁特性，在給藥部位近端和遠端磁區均能產生放射性富集，富集強度為給藥量的60%-65%，同時其在臟器的分布顯著減少，從而證實了AIMN具有較強的磁靶向定位功能，為靶向治療腫瘤奠定了結實的基礎。
3.3納米技術在藥理學研究上的應用
在藥理學研究上，人們可以利用尖端直徑小到可以插入活細胞內而又不嚴重干擾細胞正常生理過程的超微化傳感器或納米傳感器用以獲得活細胞內大量的動態信息，反映出機體的功能狀態并深化對生理及病理過程的理解，為藥理學研究提供精確的細胞水平模型。
4.展望
納米技術屬于一種新型的學科技術，在未來的社會發展中，這種技術將會對生物醫學以及藥學領域帶來更為積極的影響，在未來的社會中，這種技術的應用會使得生物醫藥與藥學領域之間的聯系性得到進一步的加強，就這方面來說，這項技術在生物醫學以及藥學領域中的應用主要包括以下幾個方面：
（1）在未來的生物醫學以及藥學領域中，對于分子的研究會更加的深入，而其對于分子的要求也會進一步的提升，而納米技術的應用就會進一步的提高分子之間相互的作用效果，從而實現對分子的有效組裝，而且其在未來的社會發展中，主要的應用方向會是細胞器結構細節以及自身裝配機理上等方面。
（2）隨著納米技術的深入發展，這種技術在應用于生物醫學以及藥學領域中后，會使得診斷以及檢測技術的水平更上一層樓，同時這種技術的應用也會在微觀上以及微量上實現有效的應用，并且在未來的發展中，這種技術也會逐漸向著功能性以及智能化的方向發展，以實現生物醫學以及藥學領域各項技術功能水平的提升，還會使得生物醫學以及藥學領域在管理上實現智能化和數字化，從而對生物醫學以及藥學領域的發展形成有效的推動作用。
（3）納米技術在未來的生物醫學中以及藥學領域中會實現靶向性的轉變，納米技術會將藥物的作用進行有效的轉向處理，在一定程度上可以將藥物的藥效得到最大限度的提升，同時也能夠對藥物的成本進行有效的降低，從而推動生物醫學以及藥學的發展。
篇2
關鍵詞：納米材料 生物醫學 應用
1應用于生物醫學中的納米材料的主要類型及其特性
1.1納米碳材料
納米碳材料主要包括碳納米管、氣相生長碳纖維也稱為納米碳纖維、類金剛石碳等。
碳納米管有獨特的孔狀結構［1］，利用這一結構特性，將藥物儲存在碳納米管中并通過一定的機制激發藥物的釋放，使可控藥物變為現實。此外，碳納米管還可用于復合材料的增強劑、電子探針（如觀察蛋白質結構的afm探針等）或顯示針尖和場發射。納米碳纖維通常是以過渡金屬fe、co、ni及其合金為催化劑，以低碳烴類化合物為碳源，氫氣為載體，在873 k～1473 k的溫度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在醫學領域中有廣泛的應用前景。類金剛石碳（簡稱dlc）是一種具有大量金剛石結構c—c鍵的碳氫聚合物，可以通過等離子體或離子束技術沉積在物體的表面形成納米結構的薄膜，具有優秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。資料報道，與其他材料相比，類金剛石碳表面對纖維蛋白原的吸附程度降低，對白蛋白的吸附增強，血管內膜增生減少，因而類金剛石碳薄膜在心血管臨床醫學方面有重要的應用價值。
1.2納米高分子材料
納米高分子材料，也稱高分子納米微粒或高分子超微粒，粒徑尺度在1 nm～1000 nm范圍。這種粒子具有膠體性、穩定性和優異的吸附性能，可用于藥物、基因傳遞和藥物控釋載體，以及免疫分析、介入性診療等方面。
1.3納米復合材料
目前，研究和開發無機—無機、有機—無機、有機—有機及生物活性—非生物活性的納米結構復合材料是獲得性能優異的新一代功能復合材料的新途徑，并逐步向智能化方向發展，在光、熱、磁、力、聲［2］等方面具有奇異的特性，因而在組織修復和移植等許多方面具有廣闊的應用前景。國外已制備出納米zro2增韌的氧化鋁復合材料，用這種材料制成的人工髖骨和膝蓋植入物的壽命可達30年之久［3］。研究表明，納米羥基磷灰石膠原材料也是一種構建組織工程骨較好的支架材料［4］。此外，納米羥基磷灰石粒子制成納米抗癌藥，還可殺死癌細胞，有效抑制腫瘤生長，而對正常細胞組織絲毫無損，這一研究成果引起國際的關注。北京醫科大學等權威機構通過生物學試驗證明，這種粒子可殺死人的肺癌、肝癌、食道癌等多種腫瘤細胞。
此外，在臨床醫學中，具有較高應用價值的還有納米陶瓷材料，微乳液等等。
2納米材料在生物醫學應用中的前景
2.1用納米材料進行細胞分離
利用納米復合體性能穩定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應的特性進行細胞分離在醫療臨床診斷上有廣闊的應用前景。20世紀80年代后，人們便將納米sio2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，使所需要的細胞很快分離出來。目前，生物芯片材料已成功運用于單細胞分離、基因突變分析、基因擴增與免疫分析（如在癌癥等臨床診斷中作為細胞內部信號的傳感器［5］）。倫敦的兒科醫院、挪威工科大學和美國噴氣推進研究所利用納米磁性粒子成功地進行了人體骨骼液中癌細胞的分離來治療病患者［6］。美國科學家正在研究用這種技術在腫瘤早期的血液中檢查癌細胞，實現癌癥的早期診斷和治療。
2.2用納米材料進行細胞內部染色
比利時的de mey博士等人利用乙醚的黃磷飽和溶液、抗壞血酸或檸檬酸鈉把金從氯化金酸（haucl4）水溶液中還原出來形成金納米粒子，（粒徑的尺寸范圍是3 nm～40 nm），將金納米粒子與預先精制的抗體或單克隆抗體混合，利用不同抗體對細胞和骨骼內組織的敏感程度和親和力的差異，選擇抗體種類，制成多種金納米粒子—抗體復合物。借助復合粒子分別與細胞內各種器官和骨骼系統結合而形成的復合物，在白光或單色光照射下呈現某種特征顏色（如10 nm的金粒子在光學顯微鏡下呈紅色），從而給各種組織“貼上”了不同顏色的標簽，為提高細胞內組織分辨率提供了各種急需的染色技術。
2.3納米材料在醫藥方面的應用
2.3.1納米粒子用作藥物載體
一般來說，血液中紅血球的大小為6000 nm～9000 nm，一般細菌的長度為2000 nm～3000 nm［7］，引起人體發病的病毒尺寸為80 nm～100 nm，而納米包覆體尺寸約30 nm［8］，細胞尺寸更大，因而可利用納米微粒制成特殊藥物載體或新型抗體進行局部的定向治療等。專利和文獻資料的統計分析表明，作為藥物載體的材料主要有金屬納米顆粒、無機非金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒和生物活性納米顆粒。
磁性納米顆粒作為藥物載體，在外磁場的引導下集中于病患部位，進行定位病變治療，利于提高藥效，減少副作用。如采用金納米顆粒制成金溶液，接上抗原或抗體，就能進行免疫學的間接凝聚實驗，用于快速診斷［9］。生物降解性高分子納米材料作為藥物載體還可以植入到人體的某些特定組織部位，如子宮、陰道、口（頰、舌、齒）、上下呼吸道（鼻、肺）、以及眼、耳等［10］。這種給藥方式避免了藥物直接被消化系統和肝臟分解而代謝掉，并防止藥物對全身的作用。如美國麻省理工學院的科學家已研制成以用生物降解性聚乳酸（pla）制的微芯片為基礎，能長時間配選精確劑量藥物的藥物投送系統，并已被批準用于人體。近年來生物可降解性高分子納米粒子（nps）在基因治療中的dna載體以及半衰期較短的大分子藥物如蛋白質、多肽、基因等活性物質的口服釋放載體方面具有廣闊的應用前景。藥物納米載體技術將給惡性腫瘤、糖尿病和老年癡呆癥的治療帶來變革。
2.3.2納米抗菌藥及創傷敷料
ag+可使細胞膜上蛋白失去活性從而殺死細菌，添加納米銀粒子制成的醫用敷料對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠濃桿菌等臨床常見的40余種外科感染細菌有較好抑制作用。
2.3.3智能—靶向藥物
在超臨界高壓下細胞會“變軟”，而納米生化材料微小易滲透，使醫藥家能改變細胞基因，因而納米生化材料最有前景的應用是基因藥物的開發。德國柏林醫療中心將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入腫瘤部位，使癌細胞部位完全被磁場封閉，通電加熱時溫度達到47℃，慢慢殺死癌細胞。這種方法已在老鼠身上進行的實驗中獲得了初步成功［11］。美國密歇根大學正在研制一種僅20 nm的微型智能炸彈，能夠通過識別癌細胞化學特征攻擊癌細胞，甚至可鉆入單個細胞內將它炸毀。
2.4納米材料用于介入性診療
日本科學家利用納米材料，開發出一種可測人或動物體內物質的新技術。科研人員使用的是一種納米級微粒子，它可以同人或動物體內的物質反應產生光，研究人員用深入血管的光導纖維來檢測反應所產
生的光，經光譜分析就可以了解是何種物質及其特性和狀態，初步實驗已成功地檢測出放進溶液中的神經傳達物質乙酰膽堿。利用這一技術可以辨別身體內物質的特性，可以用來檢測神經傳遞信號物質和測量人體內的血糖值及表示身體疲勞程度的乳酸值，并有助于糖尿病的診斷和治療。
2.5納米材料在人體組織方面的應用
納米材料在生物醫學領域的應用相當廣泛，除上面所述內容外還有如基因治療、細胞移植、人造皮膚和血管以及實現人工移植動物器官的可能。
目前，首次提出納米醫學的科學家之一詹姆斯貝克和他的同事已研制出一種樹形分子的多聚物作為dna導入細胞的有效載體，在大鼠實驗中已取得初步成效，為基因治療提供了一種更微觀的新思路。
納米生物學的設想，是在納米尺度上應用生物學原理，發現新現象，研制可編程的分子機器人，也稱納米機器人。納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的內容，第一代納米機器人是生物系統和機械系統的有機結合體，這種納米機器人可注入人體血管內，進行健康檢查和疾病治療（疏通腦血管中的血栓，清除心臟脂肪沉積物，吞噬病菌，殺死癌細胞，監視體內的病變等）［12］；還可以用來進行人體器官的修復工作，比如作整容手術、從基因中除去有害的dna，或把正常的dna安裝在基因中，使機體正常運行或使引起癌癥的dna突變發生逆轉從而延長人的壽命。將由硅晶片制成的存儲器（rom）微型設備植入大腦中，與神經通路相連，可用以治療帕金森氏癥或其他神經性疾病。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置。這種納米機器人一旦問世將徹底改變人類的勞動和生活方式。
瑞典正在用多層聚合物和黃金制成醫用微型機器人，目前實驗已進入能讓機器人撿起和移動肉眼看不見的玻璃珠的階段［13］。
納米材料所展示出的優異性能預示著它在生物醫學工程領域，尤其在組織工程支架、人工器官材料、介入性診療器械、控制釋放藥物載體、血液凈化、生物大分子分離等眾多方面具有廣泛的和誘人的應用前景。隨著納米技術在醫學領域中的應用，臨床醫療將變得節奏更快，效率更高，診斷檢查更準確，治療更有效。
參考文獻
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篇3
1·1細胞分離用納米材料
病毒尺寸一般約80~100nm,細菌為數百納米,而細胞則更大,因此利用納米復合粒子性能穩定、不與膠體溶液反應且易實現與細胞分離等特點,可將納米粒子應用于診療中進行細胞分離。該方法同傳統方法相比,具有操作簡便、費用低、快速、安全等特點。美國科學家用納米粒子已成功地將孕婦血樣中微量的胎兒細胞分離出來,從而簡便、準確地判斷出胎兒細胞中是否帶有遺傳缺陷。
1·2納米材料用于細胞內部染色
利用不同抗體對細胞內各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和力的顯著差異,選擇抗體種類,將納米金粒子與預先精制的抗體或單克隆抗體混合,制備成多種納米金/抗體復合物。借助復合粒子分別與細胞內各種器官和骨骼系統結合而形成的復合物,在白光或單色光照射下呈現某種特征顏色(如10nm的金粒子在光學顯微鏡下呈紅色),從而給各種組合“貼上”了不同顏色的標簽,因而為提高細胞內組織的分辨率提供了一種急需的染色技術。
1·3納米藥物控釋材料
納米粒子不但具有能穿過組織間隙并被細胞吸收、可通過人體最小的毛細血管、甚至可通過血腦屏障等特性,而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實現口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑等許多優點,因而使其在藥物輸送方面具有廣闊的應用前景。德國科學家將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包覆,在水中溶解后注入腫瘤部位,使癌細胞和磁性納米粒子濃縮在一起,通電加熱至47℃,可有效殺死腫瘤細胞而周圍正常組織不受影響;挪威工科大學的研究人員,利用納米磁性粒子成功地進行了人體骨骼液中腫瘤細胞的分離,由此來進行冶療;SharmaP等[1]用聚乙烯吡咯烷酮包覆紫松醇制得的納米粒子抗癌新藥,體內實驗以荷瘤小鼠腫瘤體積的縮小程度和延長存活時間來評價藥效,其療效較同濃度游離紫松醇明顯增加;Damage等[2]用聚氰基丙烯酸己酯包覆胰島素制得的納米膠囊,給禁食的糖尿病鼠灌胃,2天后使血糖水平降低50%~60%,按每千克體重50單位胰島素以納米膠囊給藥,降血糖作用可維持20天,而同樣條件下,口服游離胰島素卻不能降低血糖水平。
1·4納米抗菌材料及創傷敷料
按抗菌機理,納米抗菌材料分為三類:一類是Ag+系抗菌材料,其利用Ag+可使細胞膜上的蛋白失活,從而殺死細菌。在該類材料中加入鈦系納米材料和引入Zn2+、Cu+等可有效地提高其的綜合性能;第二類是ZnO、TiO2等光觸媒型納米抗菌材料,利用該類材料的光催化作用,與H2O或OH-反應生成一種具有強氧化性的羥基以殺死病菌;第三類是C-18A°納米蒙脫土等無機材料,因其內部有特殊的結構而帶有不飽和的負電荷,從而具有強烈的陽離子交換能力,對病菌、細菌有強的吸附固定作用,從而起到抗菌作用。
由于納米銀粒子的表面效應,其抗菌能力是相應微米銀粒子的200倍以上,因而添加納米銀粒子制成的醫用敷粒對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠濃桿菌等臨床常見的40余種外科感染細菌有較好抑制作用。深圳安信納米生物科技有限公司已開發出粒徑約25nm的銀抗菌顆粒,其具有廣譜、親水、無抗藥性,對大腸桿菌等致病微生物有強烈的殺滅作用。由其進一步研發出的納米創口貼,其外觀、價格都與普通創口貼相近,具有護創作用,還具有超強活性,能激活細胞、修復病變組織、加速傷口恢復的作用;相應方法還制備了納米材料抗菌潰瘍貼。此外,青島化工學院等已開發出具有抗菌功能的多種紡織品;南京希科集團用納米銀粒子同棉織品復合,制成了廣譜抗菌的新型醫用棉。
1·5納米顆粒中藥及保健品
微米級中藥有50%以上不溶于水,而納米級中藥粒子則可溶于水,從而有效提高藥物利用率。利用納米技術將中藥材制成極易被人體吸收的納米粒子口服膠囊、口服液或膏藥,不但克服了中藥在煎熬中有效成份損失及口感上的不足,而且可使有效成份吸收率大幅度提高。將制成的納米中藥膏直接貼于患處,納米粒子很易經皮膚直接被吸收。研發納米中藥產品是促進中藥走向世界、提高產品附加值、實現傳統中藥產業升級的發展方向之一。用納米技術將不易被人體吸收或毒性較大的藥物或保健品制成納米膠囊或納米粒子懸浮液,則可制得具有極高效/費比的納米保健品。如微量元素硒具有防癌、護肝、免疫調節等作用。中國科技大學率先用納米硒開發出“硒旺膠囊”,生物試驗證明,其急性毒性是無機硒的1/7,是有機硒的1/3,其清除羥基自由基活性是無機硒的5倍,清除過氧陰離子和過氧化氫的活性也大幅度提高,使其在免疫調節和抑制腫瘤方面的靈敏性顯著提高,納米硒的安全性和生物活性使硒的保健功能可以更充分地發揮出來。
1·6納米醫用陶瓷
納米陶瓷在人工骨、人工關節、人工齒以及牙種植體、耳聽骨修復體等人工器官制造及臨床應用領域有廣闊的應用前景。四川大學李玉寶教授等[3~4]用硝酸鈣、磷酸銨為原料,二甲基甲酰胺為分散劑,在常壓下制備出晶體結構類似于人骨組織的納米級羥基磷灰石針狀晶體,可用作人骨組織修復材料;Luo等[5]用TEOS在氫氟酸催化下,經溶膠/凝膠法制得納米孔結構的SiO2,再用TEGDMA經光引發原位聚合制得SiO2/PTEGDMA納米復合材料,其比傳統的牙科用復合材料具有更優異的耐磨性及韌性。通常方法制備的羥基磷灰石人工骨植入物,其強度和韌性都較低,不能滿足應用要求。國外已制備出含有ZrO2的納米羥基磷灰石復合材料,其硬度、韌性等綜合性能可達到甚至超過致密骨骼相應性能。通過調節ZrO2含量,可使該納米復合人工骨材料具有優良的生物相容性[6]。美國Arizona材料實驗室和Princeton大學的研究人員用聚二甲基丙烯酸酯、聚偏氟乙烯和鈦鹽作原料,應用溶膠/凝膠工藝合成的納米TiO2/聚合物復合材料,用其作人工骨,其強度和韌性等力學性能與人體骨相當。
1·7生物活性材料
自Hench[7]首先報道某些組成的玻璃具有生物活性以來,國內外對生物玻璃的研制十分活躍,但生物玻璃較脆、不能滿足人工骨材料的使用要求。隨著納米技術發展,生物活性雜化材料在保持柔韌性的同時,彈性模量已接近硅酸硼玻璃,而且便于加入活性物質,因此是一種開發生物材料的理想途徑。Jones等[8]用TEOS、甲基丙烯酰胺在偶氮類引發劑作用下,加入氯化鈉制備出含鈣鹽的納米SiO2/聚合物復合材料,將其在人體液中(SBF)放置1周后,可以觀察到其表面有羥基磷灰石層形成,因而具有較好的生物活性,OKelly等[9]總結了借助仿生過程制備具有生物活性的納米復合材料的思路和研究成果。應用溶膠/凝膠技術制備納米復合材料,同時在體系中引入胺基、醛基、羥基等有機官能團,使材料表面具有反應活性,可望在生化物質固定膜材料、生物膜反應器等方面獲得較大應用。
Schtelzer等[10]較早研究了在凝膠玻璃中固定胰蛋白酶的特性;Cho等[11]開發了有機—無機納米復合材料固定α-淀粉酶,其穩定性超過1個月,可望用于研制生物膜反應器。含鈦硅的納米復合材料具有優良的透光率、氧氣透過率和吸濕性,是理想的隱形眼鏡材料。Schmidt等[12,13]在環硅氧烷、TEOS、異丙醇鈦、甲基丙烯基硅烷、丙烯酸甲酯體系中,加入稀酸,使其在酸性條件下水解/聚合,得到隱形眼鏡材料。該材料具有良好的透氧性、潤濕性及較高的強度,良好的彈性和柔韌性,其透明度和折光率等均滿足隱性眼鏡的性能要求。我國浙江大學及華南理工大學等單位也開展了類似研究并已取得良好進展[14]。聚氨酯材料是重要的生物醫學材料,因其良好的生物相容性和優異的力學性能常用來制作血管移植物、介入導管、心臟輔助循環體系及人工心臟等。許海燕等[15]用聚醚型聚氨酯與納米碳經溶膠/凝膠法制得的納米碳/聚氨酯復合材料,具有較好的微相分離結構,改善了材料表面的血溶相容性;Huang等[16]用帶羥基的線性聚氨酯(Mn=6000)與TEOS作用,調節二者配比,可得到從柔韌的彈性體到堅硬的塑料等不同性能的納米復合材料,以滿足不同使用要求;Xu等[17]用聚氨酯和有機蒙脫土經溶液插層、溶膠/凝膠制得的納米復合材料,在改善聚氨酯材料力學性能的同時,顯著地降低了水蒸氣及空氣的透過率,更好地滿足全人工心臟等植入人工器官的應用要求。
用溶膠/凝膠法制備的納米微孔SiO2玻璃,可用作微孔反應器、功能性分子吸附劑、生物酶催化劑及藥物控釋體系的載體等[18];利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)/納米SiO2復合材料無毒及優良的生物相容性,通過調節PDMS含量控制其硬度和彈性,可用作生物活性材料;用納米粒子直接分散法制得的表面帶有胺基或羥基的SiO2/聚吡咯納米復合材料,可用作凝集免疫測定中高顯色的“標記器”微粒;利用聚吡咯的良好導電性,其納米復合材料在組織工程及神經修復等領域具良好應用前景[19,20]。
2展望
篇4
synthesis and applications of gold nanoparticle probesma li-na，liu dian-jun，wang zhen-xin*(state key laboratory of electroanalytical chemistry，changchun institute of applied chemistry，chinese academy of sciences，changchun 130022)abstract during last decade，gold nanoparticled(aunps)-based assays have been well-developed and widely used in biological analysis and biomedical detection because aunps have unique physical and chemical properties which depend on the size，shape and degree of aggregation.the aunps-based assays have already been employed for detecting practical samples with high simplicity and selectivity.this review discusses the recently development of the synthesis and biological molecular functionalisation of aunps and their applications on the heavy metallic cations，small organic compounds，nucleic acids and proteins detection and cellular analysis.
keywords gold nanoparticles；probe；synthesis and functionalization；chemical sensing；review
1 引言
納米技術與化學、生物學、物理學和醫學等領域的結合，對分析科學和生命科學領域的超靈敏檢測和成像方法的發展起著越來越重要的作用[1~5]。由于aunps具有獨特的光學性質（表面等離子體吸收和共振光散射）、易進行表面修飾以及良好的生物相容性（通常認為裸aunps是無生物毒性的，而修飾后的aunps的生物毒性由其配體決定），因此功能化aunps的應用領域不斷被拓寬，特別是其在生物分析和生物醫藥等領域的應用引起了人們廣泛關注[2，3]。本文綜述了生物分子修飾的aunps探針的合成及其在檢測金屬離子、小分子、dna、蛋白質和細胞內分析等方面的新進展，以若干應用實例突顯一些技術突破及發展趨勢。
2 金納米粒子的合成、穩定性和功能化
2.1 金納米粒子的合成方法
金納米粒子的制備方法可分為化學法和物理法。化學法是以金的化合物為原料，在還原反應生成金納米粒子時控制粒子的生長，使其維持納米尺度。化學合成法包括氧化還原法、電化學法、晶種法、模板法、微乳液法、微波合成法和光化學法等[2]，其中最具代表性并被廣泛應用的有：（1）turkevich-frens法[6，7]，即在100 ℃下，通過改變還原劑（檸檬酸鈉）和三價金的化合物（氯金酸或氯金酸鈉）的比例來控制aunps粒徑的大小，從而獲得粒徑在10~60 nm范圍內且分散性較好的aunps。該方法制備程序簡單，且包裹在aunps表面的檸檬酸根容易被其它配體置換（如巰基修飾的dna等）[2，4]；（2）brust-schiffrin法[8，9]，即在兩相（液/液）體系或單相體系中，以四正辛基溴化銨（toab）為相轉移劑，將三價金的化合物（氯金酸或氯金酸鈉）轉移到有機相中，以烷基硫醇為穩定劑，nabh4為還原劑，制備粒徑為1~8 nm的aunps；硫醇/金鹽的比例越大、加入還原劑速度越快，冷卻溶液可以制得尺寸更小和單分散性更好的粒子，進一步通過配體交換反應改變aunps表面的配體而實現其功能化；（3）聚合物保護法：通常以含有聚乙二醇、硫醇或硫醚基團的聚合物為配體，以nabh4為還原劑，制備水溶性或具有疏水性的粒徑小于10 nm的aunps。聚合物穩定劑決定納米粒子的溶解性；例如，文獻[10，11] 采用硫醚或硫醇修飾的聚合物配體（烷基硫醚終端修飾的聚甲基丙烯酸等）一步法合成了具有高分散性的粒徑小于5 nm的aunps，粒子的大小和分散性可以通過改變聚合物的結構、濃度和配體上能與金屬結合的基團個數來控制，并且可以將粒徑為1.1~1.7 nm的無熒光納米粒子轉變為熒光納米粒子。
物理法是利用各種技術將塊狀固體金分散為金納米粒子，包括真空沉積法、電分散法、激光消融法等[12]。物理法容易控制aunps的形狀并能獲得圖案化的aunps的陣列，但通常需要特殊的設備和技術，制備過程較復雜。
2.2 金納米粒子的穩定性和功能化
將不同的識別分子（如功能基團）修飾到aunps上，獲得功能化納米粒子（aunps探針），有助于拓寬aunps的應用范圍，發展基于aunps的分析/檢測方法。已有很多文獻對金納米粒子的功能化及應用進行了綜述[1~5，13]。在介質中保持單分散性和穩定性是aunps在實際應用中的關鍵。因此，人們不斷尋找新型穩定劑和修飾方法以提高aunps的分散性。這些方法將有助于改善方法選擇性和準確度，其中最具代表性的方法[1]如圖1所示。在生物分析中可以應用靜電吸附法、共價偶聯（aus共價結合等）法和特異性識別法（抗體-抗原，生物素-親和素，dna雜交等）將生物分子修飾到aunps表面，合成aunps探針。
圖1 金納米粒子探針合成示意圖[1]（略）
fig.1 schematic representation of formation of gold nanoparticle probes[1]
copyright wiley-vch verlag gmbh & co.kgaa and reproduced with permission.
將配體通過靜電吸附作用固定在aunps表面的方法簡單、省時[3]，但是配體與aunps結合強度小，穩定性差。如果反應緩沖溶液中含有二硫蘇糖醇（ddt，含有兩個巰基、不帶電的小分子，常用作蛋白保護劑）或在高鹽緩沖溶液（一般用于dna雜化實驗）進行長時間的孵育時，表面不穩定的aunps探針很容易產生非特異性結合，從而降低了檢測的選擇性。
與靜電吸附法相比，共價偶聯的方法較復雜，需要進行更多的配體合成工作。但是，配體與aunps通過共價鍵結合穩定性好。在共價偶聯中通常以au-s共價結合獲得aunps探針，這種方法必須使用含有s的配體，如硫醇或二硫化物修飾的dna、多肽calnn等[1~5，13~15]，通過共價法獲得的aunps探針可以承受很高的鹽濃度（2 mol/l nacl）， 并在某種程度上可以抵抗二硫蘇糖醇或帶巰基或氨基的分子的攻擊。特別是將具有雙親性的配體（有s端具有疏水性，另一端具有親水性，如烷基硫醇修飾的聚乙二醇、多肽calnn等）通過共價鍵法修飾到aunps上，在其表面形成疏水-親水層，將極大提高aunps在水溶液中的穩定性。
利用某些生物分子之間的特異性識別，如，（1）鏈霉親和素修飾的aunps可以結合生物素化的蛋白（如免疫球蛋白和血清蛋白）或寡聚核苷酸[16]；（2）蛋白a修飾的aunps用于連結不同免疫球蛋白的fc碎片[17]；（3）糖修飾的aunps用于識別其相應的結合蛋白，也可以設計功能化的aunps探針。
3 金納米粒子探針的應用
3.1 重金屬離子檢測
基于aunps的比色法已經被廣泛應用于有毒重金屬離子（pb2+，cd2+和hg2+等）的檢測[18，19]，這種方法克服了傳統方法中諸如使用有機溶劑、光敏感的染料分子，實驗過程繁瑣以及儀器操作復雜等缺點。wang等[19]研制出基于dnazyme修飾的aunps比色傳感器，可以快速、簡單、實時及線性范圍可調地檢測pb2+（見圖2）。他們選擇對pb2+有高特異性識別的dnazyme，dnazyme由底物鏈和識別鏈組成。底物鏈5′末端和識別鏈3′末端分別連有8個互補堿基做為延長鏈，兩個互補堿基鏈可以使底物鏈和識別鏈在特定的溫度下穩定雜交，同時也能夠保證在pb2+存在時，后者將dnazyme另一端分裂后釋放出單鏈dna(ssdna)。該體系在tris和nacl調節離子強度后加入aunps，當pb2+存在時，pb2+作用于dnazyme的識別位點將ssdna釋放出來并與aunps結合，阻止后者聚集，而使溶液呈現納米金單分散狀態的紅色。沒有pb2+或有其它金屬離子存在時，不發生分裂反應，加入的aunps無ssdna保護而發生聚集，溶液變為藍紫色。這種傳感器對pb2+的檢出限為3 nmol/l，遠遠低于美國環境保護局（epa）對飲用水中pb2+濃度的檢出限[18，19]。li等[20]報道了另一種基于dna修飾的aunps探針檢測hg2+的比色方法，這種方法靈敏度更高，檢出限可達1 nmol/l。xue[21]和lee[22]等依據hg2+可與胸腺嘧啶形成t-hg2+-t復合物，建立了一種高靈敏性和高選擇性檢測hg2+的方法，即在特定溫度下因hg2+誘導dna修飾的aunps聚集狀態的改變導致溶液顏色改變來檢測hg2+。如果使用對其它金屬離子具有選擇性的堿基對取代胸腺嘧啶，可實現對其它金屬離子的檢測。
圖2 （a）左圖：包含識別鏈17e(8)和底物鏈(8)17s的dnazyme，右圖：非標記的比色傳感器；（b）ph=7.2時，加入不同濃度的pb2+后aunps溶液的顏色變化圖，線性范圍0.003~1.0 μmol/l；（c）ph=5.5時，加入不同濃度的pb2+后，aunps溶液的顏色變化圖，線性范圍0.120~20 μmol/l [19]（略）
fig.2 (a) left：secondary structure of dnazyme complex，which consists of an enzymestrand(17e(8)) and a substrate strand((8)17s).right：schematic of label-free colorimetric sensor.color change of the gold nanoparticle(aunp) solution with different concentrations of lead in the solution at ph 7.2(b) and 5.5(c)；the dynamic range of the assay is 3 nmol/l to 1 μmol/l at ph 7.2 and 120 nmol/l to 20 μmol/l at ph 5.5，respectively [19]
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3.2 小分子檢測
將對特定小分子具有親和性的官能團修飾到aunps表面，可發展基于aunps的應用于小分子檢測的比色法[23]。ai等[24]基于分子識別原理，建立了原奶和嬰兒配方奶中三聚氰胺的檢測方法，無需借助任何儀器，1 min內裸眼檢出限可達20 nmol/l。最近，發展基于適配子（通過體外篩選技術“指數級富集的配體系統進化技術（selex）”）修飾的aunps比色法并應用于小分子（腺苷，可卡因等）檢測也引起了人們的廣泛關注[25，26]，如wang等[27]用適配子修飾的aunps設計了一種“preudo”夾心反應，通過spr光譜檢測小分子（腺苷）。
3.3 dna檢測
dna修飾的aunps與目標dna雜交后可以形成有序的聚集體，溶液顏色發生改變，從而實現對目標dna的檢測。已有大量文獻對基于aunps比色法檢測dna及其在生物傳感器、疾病診斷、基因表達等方面的應用進行了報道和綜述[1~5]。結合相應的光/電分析方法，人們還發展了一系列新的基于dna修飾的aunps的檢測手段。hill等[28]以dna修飾的aunps為探針，將生物條形碼方法和微流體芯片技術相結合，建立了一種新的生物條形碼分析法（基因組的條形碼分析方法），快速、精確地檢測dna。這種方法使用阻斷鏈抑制靶標物再次雜交，可以檢測雙鏈基因組dna（見圖3）。這項工作為生物條形碼方法從實驗室到實際應用開辟了道路。dai等[29]結合動態光散射（dls）技術，提出了基于aunps探針一步法高靈敏性檢測同源dna的方法。該方法操作簡單且無需分離和信號放大步驟，檢出限約1 pmol/l，優于其它光吸收法4個數量級，并可以很容易地區分單堿基對錯配dnas和完全匹配的靶標物dnas。zhang等[30]研制出一種基于三明治結構的脫氧核糖核酸計時電量傳感器（cds）。將一個單鏈dna探針固定在金電極上，每個探針側面與一個或兩個靶序列的碎片相連，然后浸入含有目標單鏈dna分子的溶液中，此時電極上單鏈dna探針與溶液中互補序列的目標dna單鏈分子雜交并用dna修飾的aunps進行信號放大，用計時電位法觀察[ru(nh3)6]3+與單鏈dna的靜電吸附情況（見圖4）。
圖3 (a）基因組的條形碼分析方法示意圖[28]；（b）掃描芯片圖，檢出限為2.5 fmol/l；（c）5次平行實驗得出的掃描信號密度數據（略）
fig.3 (a) schematic representation of genomic bio bar code assay.for details of the assay，readers are advised to see ref.[28]；(b) representative slide from a single assay showing that 2.5 fmol/l is distinguishable from the 0 fmol/l(no target) sample；(c) the data shown above are the average of 5 independent runs of the genomic dna bio bar code assay[28].
copyright acs and reproduced with permission
圖4 cds法檢測dna示意圖（a）巰基修飾的單鏈dna捕獲探針在金電極上自組裝；（b）單鏈dna探針與溶液中互補序列的目標dna單鏈分子雜交，一個捕獲探針只能與一個目標分子雜交；（c）dna結合aunps放大檢測信號，aunps上成百上千的dna探針可與目標分子雜交[30]（略）
fig.4 chronocoulometric dna sensor(cds) strategy for dna detection.(a) gold electrode self-assembled with thiolated capture probe dna and spacer molecule，mch.(b) dna hybridization brings target dna to the electrode surface.of note，in the absence of amplification，one capture probe only captures one target molecule at the most.(c) aunp-amplified dna detection.one hybridization event brings an aunp loaded with hundreds of reporter probes proximal to the electrode[30]
reproduced with permission from nature publishing group（略）
3.4 蛋白質分析
aunps與蛋白質結合獲得用于電子顯微鏡的aunps探針，在電子顯微鏡甚至光學顯微鏡水平上對抗原、抗體進行定位、定性及定量研究，是aunps應用于免疫細胞和組織化學的重要里程碑[2，3，31，32]。利用aunps的光學和電化學性質結合不同的檢測技術同樣可以檢測蛋白質[33，34]。最近，gupta等[31]設計了一種吸附可控的動力學模型，實現了對稀溶液中抗原的有效檢測。ambrosi等[33]合成了一種新的基于人抗igg過氧化酶（hrp）修飾的雙編碼aunps（dc-aunps）探針，探針與抗體結合后增強了分光光度法和電化學法檢測人抗igg信號，檢出限遠遠低于通過酶聯免疫吸附法（elisa）[33]。依據相同的檢測原理，cui等[34]設計了aunps/碳納米管（cnt）雜化平臺，用辣根過氧化酶修飾的aunps探針檢測人igg。
分子與aunps結合后可以增強拉曼信號，據此可以利用aunps作底物，通過基于表面增強拉曼效應（sers）的光譜分析法來快速檢測蛋白-蛋白之間相互作用[35~38]。manimaran等[35]用熒光素修飾的aunps結合人抗igg檢測1~100 mg/l 人igg。li等[36~38]提出了基于sers的芯片分析法檢測蛋白-抗體之間的相互作用，即將多肽結合到aunps上，然后銀染將信號放大，再用拉曼光譜進行檢測。基于適配子（aptamer）修飾的aunps也可以用來檢測蛋白質。wang等[39]研制出基于aptamer-aunps的比色傳感器，通過aptamer和α-凝血酶的反應檢測α-凝血酶，這種傳感器具有高靈敏性和高選擇性，可以檢測人血漿中的蛋白。
酶的活性檢測和動力學參數分析是生物分析和生物醫學的一個重要課題。研究人員結合aunps的光學和電學性質提出了許多新的檢測酶活性的方法[40~44]。文獻[14]詳盡闡述了aunps探針用于分析蛋白激酶和蛋白磷酸酶的新進展。xu等[44]用aunps作指示劑，分析dnase ⅰ酶的活性并篩選酶抑制劑。該方法可以通過裸眼觀察，并且能高通量的篩選核酸內切酶的抑制劑。根據aunps的生物催化過程，willner研究組設計了幾種納米粒子-酶（葡萄糖氧化酶（godx）、乙醇脫氫酶(nad(p)+-dependent enzyme)、乙酰膽堿酯酶[40]和酪氨酸酶等）雜化膜電化學傳感器，通過酶催化反應增大電極上aunps的粒徑使其導電性顯著地增強，加速了godx電子的轉移[45~49]。
3.5 細胞分析
利用aunps獨特的光學性質及良好的生物相容性還可以進行細胞表面和細胞內多糖、蛋白質、多肽、抗原、激素、核酸等生物大分子的精確定位，因而在臨床診斷及藥物檢測等方面受到廣泛關注[13，50]。癌癥的早期精確檢測通常需要昂貴的儀器且耗時，為了克服這些缺點，medley等建立了一種可直接檢測癌細胞的比色分析法[50]。這種方法將aptamer的高選擇性和高親和性與aunps的光譜性質相結合，高靈敏地檢測癌細胞。在癌細胞存在的情況下，加入aptamer修飾的aunps探針，樣品溶液顏色能發生明顯的變化，可以通過裸眼直接觀察，獲得相對靈敏的檢測結果[51，52]。kneipp等[52]在aunps探針存在下測得了活體上皮細胞膜和巨噬細胞的表面增強拉曼（sers）光譜，并結合tem等表征手段分析細胞內物質。
4 結論和展望
aunps因其具有特殊的穩定性、小尺寸效應、量子效應、表面效應和良好的生物親和效應等，已被廣泛應用于化學和生物學研究。生物分子修飾aunps探針拓寬了aunps的應用范圍，然而，aunps探針的應用仍然有許多亟待解決的問題，如實驗結果的可重復性，合成方法的可靠性，aunps的使用壽命以及修飾后的aunps的生物相容性等。可以相信，通過各學科研究者的共同努力，一定能克服aunps探針的缺點，研制出新型簡單、高靈敏度和高選擇性的分析方法，從而實現其在實際樣品，特別是臨床樣品檢測中的應用。
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