纳米技术在医学上的应用

1、纳米技术在医学上的应用大气科学1102班连俊标201012911216摘要：纳米技术的兴起，对生物医学领域的变革产生了深远的影响。纳米材料 具有许多传统材料所不具备的独特的理化性质，因此在生物医学、传感器等重要 技术领域有着广泛的应用前景。本文主要介绍纳米诊断技术、再生医学中的纳米 材料、纳米药物载体、纳米药物、纳米中药及纳米医学材料安全性等方面的研 究。关键词:纳米医学纳米技术纳米材料随着科学技术的进步和发展，纳米材料学和生物医学的结合越来越紧密，纳 米材料在生物医学领域的应用已取得了很大进展，并展现出良好的发展势头和 巨大的发展 潜力。当然，纳米生物学和纳米医学发展都还是处于起步阶段 纳

2、米材料在生物医学中的应用还尚不完善，还有待进一步研究。一、 纳米材料在生物医药领域的应用纳米材料在生物医药领域的应用主要有纳米药物载体、纳米药物、肿瘤治疗、 抗菌材料、生物传感器等。（一）纳米药物纳米药物与传统的分子药物的根本区别在于它是颗粒药物，而广义的纳米药物 可分为两类：一类是纳米药物载体，即指溶解或分散有分子药物的各种纳米颗 粒，如纳米球、纳米囊、纳米脂质体等；第二类是纳米药物，即指直接将原料 药物加工成的纳米颗粒，或利用崭新的纳米结构或纳米特性，发现基于新型 纳米颗粒 的高效低毒 的治疗或诊断药物。前者是对传统药物的改良，而后者强 调的是把纳米材料本身作为药物。1.纳米药物载体是否能

3、实现细胞和亚细胞层次上药物的靶向传递和智能控制释放，是降低药物 毒副作用、提高治疗效果的共性问题。纳米粒子介导的药物输送是纳米医学领域 的一个关键技术，在药物输送方面具有许多优越性。目前，用作药物载体的材料 有金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒及生物活性纳米颗粒等。理想的纳米药物载体应具备以下性质：毒性较低或没有毒性；具有适宜的制 备及提纯方法；具有合适的粒径与形状；具有较高的载药量；具有较高的包封率; 对药物具有良好的释放特性；具有良好的生物相容性，可生物降解或可被机体排 出；具有较长的体内循环时间，并能在疗效相关部位持久存在等。（1）抗肿瘤药物载体肿瘤的纳米靶向治疗以纳米粒为载体，将药

4、物或制剂定向于肿瘤部位，可 以 大幅度提高药物的生物利用率，提高疗效，降低用药量，减少毒副作用，已成 为国际肿瘤药物研制中的热点和前沿。恶性肿瘤周围及其实质有大量的新生毛细血管形成，这些血管通透性高，400600nm以下的纳米颗粒可穿过血管到达肿瘤组织。恶性肿瘤的纳米粒磁导靶 向热疗也是有效的方法，热疗本身可以破坏肿瘤细胞。将磁性纳米粒子经包裹或 修饰后选择性地注射到肿瘤部位，然后施加交变磁场，纳米粒子受到交变作用而 产热，可提高放疗和化疗的效果。口腔颌面部肿瘤位置相对表浅，是最适合作磁 导靶向化疗和磁导靶向热疗的部位。此外，由于纳米脂质体载体具有较好的药物、基因和成影剂包封率，在肿瘤造 影成

5、像等方面显示出较好的优势。（2）中枢神经系统（CNS）药物载体血脑屏障对于维持CNS的相对稳定起着重要作用，但其毛细血管连接紧密， 大多数药物很难通过血脑屏障进入CNS。因此，如何使CNS药物跨越血脑屏障 从血液进入脑内且发挥药效是药物传递系统需要解决的一个难题。纳米粒子作为 药物载体，为不能透过血脑屏障的CNS药物入脑提供了新途径。（3）其他载体胰岛素（insulin，INS）的降糖疗效明显，但普通制剂的INS 口服给药不易吸收， 且容易被胃蛋白酶、胰蛋白酶和肠激酶等降解，因此目前临床上INS的常规给 药途径为注射给药。大量的研究工作证实，口服纳米囊可保护INS不被酶破坏， 提高INS的生物

6、利用度，减少用药次数。用纳米颗粒，包括纳米胶束、纳米脂质体等作为基因转移载体，已引起医学界 广泛重视。其原理是纳米颗粒作为载体将 DNA、RNA、PNA（肽核苷酸）、 dsRNA（双链RNA）等基因治疗分子包裹其中，或者通过静电引力或吸附将治疗 分子固定在其表面形成复合物，在胞吞作用下纳米颗粒进入细胞，释放基因治疗 分子，发挥治疗效能。2.纳米药物直接以纳米颗粒作为药物的应用之一是抗菌药物。纳米抗菌药物具有广谱、亲 水、环保、遇水后杀菌力更强、不会诱导细菌耐药性等多种性能。通过表面化学 改性方法将抗菌剂接枝到电纺纳米纤维表面，控制接枝反应在纳米纤维的表面进 行，不影纤维膜的本体力学性能。此外，

7、纳米纤维巨大的比表面被具有高密 抗 菌基团的合物链覆盖，并稳定、牢固地以共价键结合，这不仅大大提高了抗菌效 率，小剂量即可产生强的抗菌作用，而且还具有长效及重复使用的优势，可以有 效避免抗菌剂污染等问题。相对于微米尺度，纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞生长的自然环境更为相 似。纳米拓扑结构的构建有可能从分子和细胞水平上控制生物材料与细胞间的相 互作用，引发特异性细胞反应，对于组织再生与修复具有潜在的应用前景和重要 意义。肿瘤治疗在肿瘤治疗方面，基因治疗的关键是基因导入系统、基因表达的可控性以及更 多更好的治疗基因。常规使用的病毒载体常伴 随着对宿主产生免疫、炎症反应 和引起疾病等负面影响。采用纳

8、米材料作为基因传递系统具有显著优势，如聚丙交酯一乙交酯(PLGA)、 聚乳酸(PLA)、聚乙二醇(PEG)，由于具有良好的生物安全性，可方便有效地实 现基因靶向性及高效表达和缓释，而纳米材料成为制备高效、靶向基因治疗载体 系统的良好介质。具有热塑性及可溶性的生物可降解高分子材料如聚乳酸、聚乙 醇酸、尤其是乳酸一羟基乙酸共聚物(PL-GA)，因其良好的生物兼容性、生物 可降解性及机械强度得到了很大的发展。PLGA已被食品和药物管理局(FDA) 批准用于药物输送系统，它不仅安全性高，而且可以大大改进肿瘤药物输送方法， 延长药物释放时间，实现了药物的可控释放。用PL-GA包裹携带小分子干扰 核糖核酸

9、(Ribonucleic acid，RNA)治疗患有尤文肉瘤的实验鼠，能够抑制生长基 因，从而控制癌细胞的扩散。抗菌材料抗菌材料是指具有抗菌或杀菌功能的材料，其主要机理为：干扰细胞壁的合成、 损伤细胞膜、抑制蛋白质的合成和干扰核酸的合成等4点。目前，抗菌材料使用 的方法主要是通过添加抗菌剂或化学改性的方法使材料具有抗菌的效果。在抗菌实验的研究中，含硝酸银或二氧化钛的复合纳米纤维对金黄色葡萄球菌 和大肠杆菌的抗菌效果明显高于聚乙烯醇壳聚糖复合纤维。在硝酸银浓度达到最 大值时，复合纳米纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效率分别为99%和 98%；在二氧化钛浓度达到最大值时，复合纳米纤维对金黄色葡

10、萄球菌和大肠杆 菌的抗菌效率分别为90%和85%。表面含季铵盐阳离子的聚合物纳米纤维，采用平板涂布法测试纳米纤维膜对革 兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性细菌大肠杆菌的抗菌效果，结果表 明，纳米纤维膜对这2种细菌均显示出优异的抗菌效果，4h的抑菌率超过 99. 999%。特别是在溶液浓度为10%的改性聚乳酸纤维中，观察到破裂的革兰 氏阴性细菌大肠杆菌细胞碎片，验证了季铵盐阳离子抗菌剂的“接触 死亡”和 “溶菌”机理。通过表面化学改性方法将抗菌剂接枝到电纺纳米纤维表面，控制接枝反应在纳 米纤维的表面进行，不影响纤维膜的本体力学性 能。此外，纳米纤维巨大的比 表面被具有高密度抗菌基团的聚合物链

11、覆盖，并稳定、牢固地以共价键结合，这 不仅大大提高了抗菌效率，小剂量即可产生强的抗菌作用，而且还具有长效及重 复使用的优势，可以有效避免抗菌剂污染等问题。生物传感器生物传感器是信息科学、生物技术和生物控制论等多学科交叉融合而形成的新 兴高科技领域。随着微电子机械系统技术、纳米技术不断整合入传感器技术领 域，生物传感器越来越趋向于微型化。在纳米技术中，纳米器件的研究水平和 应用程度标志着一个国家纳米科技的总体水平，而纳米传感器又是纳米器件研究 中的一个最重要的方向。由中国科学院理化技术研究所唐芳琼研究员带领的纳米材料可控制备与应用 研究组，在纳米增强的酶生物传感器研究方面取得了重要进展。此研究成

12、果是采 用四氧化三铁纳米颗粒构建高灵敏度葡萄糖生物传感器。研究表明，该生物传感 器具有良好的抗干扰性，在实际血清的检测中表现出很好的检测效果，与现有临 床方法检测结果相比，标准偏差均在3%以内，具有很强的实用性。二、 纳米材料应用可能存在的问题目前，纳米材料在医学领域的应用越来越广泛。但是，纳米材料也因其独特的 小尺寸效应、量子效应和巨大比表面积等而具有特殊的物理、化学性质，它在进 入生命体后与生命体相互作用所产生的化学特性、生物活性，与化学成分相同的 常规物质有很大的不同，这有可能给人类健康带来严重损害，并成为许多重大疾 病的诱因，因此也会大大限制其在医学领域的应用范围。（一）对肺部的损伤纳

13、米材料作为药物输送载体时，纳米颗粒可能会在器官内部转移。研究表明， 纳米颗粒在肺部的吸收、转移、分布，可能引起严重的肺部炎症、上皮细胞增 生、肺部纤维化及肺部肿瘤，甚至死亡。Shvedova等人给实验鼠使用含少量杂 质的单壁碳纳米管（SWCNTs），观察到在1040g/kg剂量时，小鼠随着肺功 能的降低，出现了肺纤维化、急性炎症等反应。病理学观察表明，纳米TiO：可 以引起炎症、肺细胞增生等病理改变。（二）可破坏脑细胞Thrall等人险研究证实，TiO纳米粒子进入小鼠的小神经胶质细胞（即保护脑部 免受外来有害物刺激的特殊细胞），会引发迅速而持久的防卫反应。虽然小神经 胶质细胞制造活性氧分子可作

14、为防卫机理，但长时问释出活性氧分子会损害脑 部，情况就好像某些神经退化性疾病（包括帕金逊症和老年痴呆症）导致神经受 损一样。研究发现，幼年大嘴黑鲈鱼在接触质量分数为0. 5X10-6的纳米级无 涂层富勒烯（）水溶悬胶体48h后，出现大脑脂质过氧化损伤；同时，腮中的 还原型谷胱甘肽含量降低。这与C。具有氧化还原活性和亲脂性有关，说明一 定浓度的C。可能对水生鱼类大脑造成损伤。（三）影响DNA的复制和转录利用SiO纳米粒子对人体上皮细胞进行 的体外研究证实，小于70nm的粒子 可进入细胞核；研究亦发现细胞核内积聚蛋白质，并且有迹象显示DNA的复 制和转录过程受到影响。SiO,虽然用作食物添加剂和食

15、物包装材料，但SiO, 连同其他食物物质经胃肠道进入人体会否在体内产生类似的影响，这一点尚不明 确陉。虽然多项体外研究证实某些纳米材料具有潜在毒性，但是这些研究本身有 局限性，因此未能充分反映食品添加剂中纳米材料的毒性。典型问题包括使用与 生理非相关的剂量、粒子群聚、细胞直接接触纳米材料，以及纳米材料与其他食 物成分之间的相互作用。但英国上议院科学及技术特别委员会进行的研究结果显 示，没有事例证明人体食人纳米食物有损健康。纳米材料的安全性评估是一个全球性关注的问题，美国、欧盟、日本纷纷斥巨 资展开纳米材料的安全性研究，我国也已将其列入国家“973”重点基础研究规 划项目。纳米技术涉及很多学科，

16、如电子、生物、物理、化学等等。因此，对医 用纳米材料安全性的评估不是单一的某个学科可以完成的，而是需要临床医学、 基础医学、毒理学、物理学、分子生物学、化学和环境科学等多学科的融合， 充分利用各种先进的分析技术，开展多学科的综合研究。三、纳米技术医学应用的展望虽然纳米医学刚刚问世，但其发展的巨大潜力已经展示在我们面前。21世纪 是纳米科技的世纪，人们将以全新的角度和视野看待生物医学问题，在纳米水平 上可以更加深入地研究各种组织的结构和功能，并充分发挥其优势。纳米医学 技术的发展必将为基础与临床研究带来新的机遇，为现阶段尚不能解决的问题带 来新的思路和方法。纳米技术在促进医药、工业发展的同时，对

17、人类健康和环境卫生也同样构成潜 在的威胁。相同化学组成的纳米材料与其他材料相比具有许多不同的物理、化 学和生物学特性，其潜在毒性、次级效应、生物降解能力也存在质疑。如何评价 纳米医药的安全性和毒性，如何优化纳米技术使这些医药材料适合于人体生 物系统，以及如何避免或降低可能出现的毒副反应，成为摆在人们面前的一个 重要问题。但在医学方面，尚难找到只有治疗作用而没有不良反应的物质，问 题的关键是怎样利用物质的性质。对于纳米技术也是一样，只要我们能够认识 到其负性效应，就能够解决它、避免它，从而对其进行安全利用。综上所述，和其他前沿学科一样，纳米医学也充满了机遇和挑战。但我们完全 可以相信，在不远的将来，随着对其在生物医学中应用研究的深入及生物安全 性问题的阐明和解决，纳米技术将成为医学研究和临床治疗中的一个重要手段， 为许多重大疾病患者带来福音。参考文献张阳德.戴阿霉素磁性白蛋白纳米粒一一一种高效靶向抗肿瘤系统J】.中国现代医学杂志， 2