納米材料研究現(xiàn)狀及在生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用

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摘要：納米技術(shù)及材料作為一個比較新興的領(lǐng)域開始于上世紀(jì)的八十年代，隨著技術(shù)的發(fā)展與深入，出現(xiàn)了納米材料和其他學(xué)科不斷滲透與交叉的現(xiàn)象。其巨大的應(yīng)用價值正日趨得以顯現(xiàn)，而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了向諸多領(lǐng)域的成功拓展。本文就納米材料相關(guān)概念與特點(diǎn)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上對陶瓷、納米碳及高分子材料等在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：納米碳；材料；生物醫(yī)學(xué)；應(yīng)用實(shí)踐；研究

納米材料是一種結(jié)構(gòu)比較奇特的晶體，其單元尺寸低于100nm。幾乎全部材料都呈現(xiàn)來三方面的基本特性，一是納米尺度特征或者結(jié)構(gòu)單元其維度為1至100nm之間，二是自由表面或者界面的數(shù)量較大，三是納米不同單元間具有或弱或強(qiáng)的作用。

1納米材料研究情況概述

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)所凸顯的特殊屬性，致使這種材料本身凸顯了極特殊的效應(yīng)。這其中囊括了界面、表現(xiàn)效應(yīng)以及小尺寸效應(yīng)，從性能上看與以往的微米材料差異是很明顯的。在功能上與性能上與以往的材料都有著明顯的區(qū)別，在諸多領(lǐng)域應(yīng)用的前景都十分廣闊。納米材料的研究和應(yīng)用已經(jīng)在世界范圍內(nèi)引起廣泛的關(guān)注，早在上世紀(jì)的八十年代，通過惰性氣體蒸發(fā)原位的方式對清潔表面納米材料進(jìn)行了成功的制備，同時對相關(guān)的物性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究。上世紀(jì)的九十年代初德國等國家對清潔界面陶瓷二氧化鈦進(jìn)行了成功的制備。自這時起，以不同的方式對納米材料進(jìn)行制備種類不斷增多。人類對于新型的納米材料探索的進(jìn)程不斷加快，并且研究的觸角已經(jīng)深入到譜學(xué)特性、微觀層面、材料屬性及應(yīng)用前景等，不僅在理論上實(shí)現(xiàn)了突破，而且在實(shí)踐上也取得了顯著的成效。作為凝聚態(tài)領(lǐng)域及材料科學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，納米材料這一研究課題已經(jīng)成為當(dāng)今世界最具前沿性質(zhì)的課題之一。納米材料本身的研究及其在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢，而其在生物醫(yī)學(xué)方面的運(yùn)用則處于剛剛起步階段。但是，其發(fā)展的進(jìn)程較快。在人類對納米材料本身進(jìn)行研究的不斷深入，可以預(yù)見在不久的將來這項(xiàng)研究會在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中獲得更加廣闊的應(yīng)用空間。

2納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用分析

2.1納米陶瓷材料的應(yīng)用

納米陶瓷作為一種較為先進(jìn)的材料，最先發(fā)展于上世紀(jì)的八十年代。這種新型的陶瓷材料的組成為納米級顯微結(jié)構(gòu)，其缺陷及氣孔的尺寸、晶界寬度與晶粒尺寸都在100nm量級。納米陶瓷與以往的陶瓷相比性能更加獨(dú)特，這一特性的形成緣于納米微粒界面及表面效應(yīng)，也緣于其所具有的小尺寸。納米陶瓷已經(jīng)成籽現(xiàn)代科技關(guān)注的重點(diǎn)，而且更是凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)研究的前沿地帶。作為一種多晶材料，陶瓷由晶界與晶粒所組成，是一種燒結(jié)體。因其工藝較為特殊，所以要想避免小型裂隙與氣孔的存在極為困難。對陶瓷性能起決定性的因素是其顯微結(jié)構(gòu)與相關(guān)組成，主要包括裂紋、孔隙、晶界及晶粒等的組成情形。氧化物陶瓷作為極重要的醫(yī)學(xué)材料，已經(jīng)很廣泛地應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)實(shí)踐。其主要應(yīng)用于耳聽骨修復(fù)、牙種植體、骨螺釘及肘關(guān)節(jié)等方面的制造上。納米陶瓷一經(jīng)問世便使其在超塑性、硬度及強(qiáng)度等方面的性能獲得了顯著的提升。所以，其在制造人工器官方面以及在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景將極其廣闊。

2.2納米碳材料的應(yīng)用

當(dāng)前納米碳管已經(jīng)成為惹人注目的新型材料，這主要是由于該項(xiàng)材料在半導(dǎo)體、機(jī)械與導(dǎo)電等方面凸顯了獨(dú)特的性能。從強(qiáng)度上看，納米碳管較鋼要高過百倍，而且在硬度與彈性方面都比較突出。這種突出的特性使它在許多領(lǐng)域都獲得了極其廣泛的應(yīng)用空間。運(yùn)用納米碳管于隧道顯微鏡掃描方面，可以使通常狀態(tài)下的STM針尖所難以解決的問題解決起來變得相對容易一些。作為一種碳?xì)渚酆衔锏念惤饎偸寄軌驊{借著離子束與離子體等技術(shù)在物體的表面形成一定的沉積，使之出現(xiàn)一層薄膜。通過修飾而造就的金剛石涂層其結(jié)構(gòu)為納米結(jié)構(gòu)，其生物相融性比較突出。特別是在血液方面的相融性能，更是惹人注目。就血液所凸顯的相融性問題，這是材料領(lǐng)域內(nèi)的一相極其關(guān)鍵性的問題。幾乎全部合成材料，當(dāng)其與血液進(jìn)行接觸時，都會在相當(dāng)大的程度上出現(xiàn)凝血現(xiàn)象。通過研究還發(fā)現(xiàn)，與其他方面的材料比較，金剛石碳的表面對蛋白都具有較強(qiáng)的吸附能力。類金剛石碳薄膜在心血管的臨床治療方面應(yīng)用價值較廣，有專業(yè)人士分析認(rèn)為，在不遠(yuǎn)的將來對于醫(yī)用機(jī)器人而言，其外表的薄膜也將會使用這種材料。就納米碳材料而言，這是當(dāng)前碳領(lǐng)域內(nèi)性能高、功能強(qiáng)的新型材料，同時也是研究開發(fā)的新起點(diǎn)。從當(dāng)前的實(shí)際情況看，它的研究與開發(fā)僅僅處于起步階段。應(yīng)該講在整個生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，其應(yīng)用的潛能十分巨大。

2.3納米高分子材料的應(yīng)用

對于納米高分子粒子來講，可以通過在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里的應(yīng)用，完成對某些疑難病癥的診療與救治。這種粒子在直徑上要較紅血球小一些，而且能夠保證在血液內(nèi)的運(yùn)動自由狀態(tài)。所以，將這種于身體并無害處的粒子注入人體當(dāng)中，可以使之在病癥檢查與治療中發(fā)揮作用。通過對動物實(shí)驗(yàn)證明，把載有地塞米松的納米粒子以動脈注射的方式輸入血管中，能夠使動脈狹窄得到控制。而乳酸納米粒子載有抗生藥物可以使冠狀動脈的再狹窄得到有效預(yù)防。另外，一些納米高分子載有抗癌與抗生物質(zhì)，可以憑借動脈用藥的方式注入體內(nèi)，就能夠完成對某些特定器官的專門治療。一些納米球載有藥物，可通過將其制成乳液完成腸內(nèi)外注冊，也可實(shí)現(xiàn)皮層以下部位的注射。納米粒子的直徑比較小，自由表面相對較大，因此膠體穩(wěn)定性較強(qiáng)，吸附性能較高，而且能夠在最短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)吸附平衡。所以，這種粒子能夠?qū)崿F(xiàn)對生物物質(zhì)進(jìn)行吸附方面的分離功能。對納米顆?？梢詫⑵鋲罕∵M(jìn)而形成過濾器，因?yàn)閷?shí)施的是納米孔徑過濾，所以在醫(yī)學(xué)上可以作為血清的消毒之用。通過半胺基、羥基、羧基等的引入，就可以通過氫鍵、靜電等作用使相關(guān)生物大分子彼此間發(fā)生作用，致使沉降作用直接影響到大分子的分離。

2.4納米復(fù)合材料的應(yīng)用

最近一些年里，組織工程作為一種嶄新的領(lǐng)域，吸引了許多學(xué)者對其進(jìn)行關(guān)注。在以工程化對器官及組織進(jìn)行培養(yǎng)的過程里，支架材料作為極關(guān)鍵的因素，主要用作細(xì)胞生長與種植。而能不能使所植的細(xì)胞在增殖與活性方面保持下去，這是對這種材料進(jìn)行應(yīng)用需要考慮的前提條件。在替換與修復(fù)硬組織過程中，納米復(fù)合材料所具有的優(yōu)越性能不斷得到顯現(xiàn)。以兩親化合物及肽分子借助PH誘導(dǎo)，并能過自組裝的形式可以獲取與細(xì)胞外基質(zhì)支架。這種支架呈現(xiàn)出纖維狀，通過對礦化羥基磷灰石進(jìn)行引導(dǎo)，進(jìn)而促進(jìn)納米復(fù)合材料的形成。通過不斷研究還發(fā)現(xiàn)，此種納米材料的微觀形態(tài)和自然骨內(nèi)的相關(guān)結(jié)構(gòu)具有驚人的一致性。通過對齒科材料進(jìn)行研究還發(fā)現(xiàn)，以縮聚及水解的方式可以得到一種較為特殊的納米復(fù)合材料。這種特殊的復(fù)合物和當(dāng)前的齒科材料比較，其耐磨性表現(xiàn)得十分突出。關(guān)于對納米復(fù)合材料的研發(fā)是近年才出現(xiàn)的事情，此項(xiàng)研究是整個納米材料研發(fā)的一個重要分支。隨著研究日趨深入，這種復(fù)合材料的重要性會不斷得到顯現(xiàn)，其必然會在諸多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用。

3結(jié)語

納米材料作為一種新型材料，它的發(fā)展始于上世紀(jì)的八十年代。其所具有的獨(dú)特性能緣于其自身所具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，盡管當(dāng)前在納米材料的性能、結(jié)構(gòu)及制備方面進(jìn)行了深入的研究，但是對許多領(lǐng)域的探索依然存在著大量的空白，因此還需要加大研究與開發(fā)的力度。納米材料的出現(xiàn)已經(jīng)凸顯了極強(qiáng)的優(yōu)異性能，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景必然會更加寬廣。

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作者：張啟俊 單位：韓山師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院