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碳纳米材料在生物医学领域的应用

来源：进出口服务网 | 时间：2014/9/4 14:12:06 | 阅读次数：

发布单位：CIEDATA

• 发布人：
• 小杨

随着纳米技术的飞速发展，纳米材料已成为一种新型材料。纳米材料具有独特的物理化学性质，如小尺寸效应、巨大比表面积、极高的反应活性、量子效应等，这些特性使纳米科学成为当今世界三大支柱科学之一。碳纳米材料是纳米材料领域重要的组成部分，主要包括碳纳米管、富勒烯、石墨烯、纳米钻石及其衍生物等。由于其独特的理化特性，它们在生物医学领域具有广泛的应用前景。另外，随着碳纳米材料的产业化，各种形式的碳纳米材料将以不同途径进入人们的生活，纳米材料的生物安全性问题正受到世界各国科学家的广泛关注。
    组织工程
    1.骨组织工程
    碳纳米管是Lijima于1991年发现的一种新型纳米材料，是一种由碳原子sp2杂化形成的石墨烯片层卷成的无缝中空的管体，根据管壁层数的差别，一般可以分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管。研究表明，碳纳米管不仅具有相当高的强度和韧性，还具有优异的电学、磁学以及吸收等性能，是一种公认的超强一维增强材料，可以很好地解决组织修复领域中存在的一些问题。
    众所周知，羟基磷灰石是骨骼的天然组分之一，在生理环境下性能稳定，纳米级材料为骨细胞的黏附、生长提供了良好的支撑，使骨细胞易于贴附，分泌多种成骨分化因子，并且在骨细胞钙化过程中，纳米羟基磷灰石还为骨细胞钙化成骨提供晶核，发挥骨传导作用。因此，纳米羟基磷灰石是骨修复领域中研究最为广泛的材料。但是，现有的研究结果表明，纯的羟基磷灰石的力学性能较差，不能用作承重植入材料。研究证实，将碳纳米管和羟基磷灰石制成复合材料，有望在保持其生物相容性的同时大大提高其力学性能。研究表明，多壁碳纳米管负载骨水泥之后，能够显著提高骨水泥的力学性能。
    2.神经组织工程
    碳纳米管独特的性质也引起了人们对其在神经组织学领域的研究兴趣，碳纳米管增强型复合材料能够有效地重建神经缺损的大鼠斜方肌的运动机能，术后再生神经电生理与组织学指标检测结果与自体神经移植材料相当，部分指标结果甚至超过自体神经移植。这些研究表明，碳纳米管增强型复合材料是桥接修复周围神经的理想材料。据报道，富勒烯具有良好的清除自由基的能力，许多神经退行性病变，如阿尔兹海默症 帕金森症，都是由于谷氨酸受体过度激活，产生过量的活性氧自由基和NO自由基造成的，实验证明富勒烯可以有效减少神经元的死亡。
    药物/基因载体
    1.药物载体
    碳纳米管独特的中空结构和纳米管径，为容纳药物或生物特异性分子提供了有利的空间，但它不溶于任何溶剂的特性限制了它在生物医学领域的应用。因此，对其表面进行修饰，以提高它的水溶性、生物相容性及靶向性成为一个非常热的研究领域。据报道，通过对单壁碳纳米管进行修饰，在其表面连接叶酸就可以靶向叶酸受体阳性的肿瘤细胞，在红外线的照射下特异地杀伤肿瘤细胞，但对正常细胞不会造成不良影响。
    2.基因载体
    基因治疗是目前一种新兴的研究领域，是通过将目的基因送到靶细胞中，使之进行复制和表达，从而特异性的治疗疾病的一种方法。基因治疗的实施，首先需要合适的基因载体，以保护DNA不被核酸酶降解。因此，寻找合适的基因载体是目前基因治疗研究的主要方向。
    生物成像
    1.生物成像剂
    生物体在近红外区基本不产生荧光，由于SWNTs独特的结构，不需要通过荧光基团对其修饰就能产生较强烈的荧光，且具有较高的抗猝灭和抗光漂白等性能。因此，科研人员研究了碳纳米管在成像方面的应用。据报道，SWCNTs 进入细胞后，其本身带有的拉曼光谱信号及荧光信号能在细胞正常分裂增殖及分化过程中保留达3个月，利用这一特性可以使其作为生物标记物长期跟踪观察。除了细胞成像，碳纳米管的近红外荧光在活体成像上也得到应用。
    2.MRI成像剂
    临床用的 MRI 对比剂主要是一些由高顺磁性金属与配体形成的螯合物，主要以含La系金属配合物为主，其中以Gd- DTPA应用最为广泛。目前MRI成像剂的研究主要以基于Gd的化合物为主。
    肿瘤治疗
    1.肿瘤热疗
    碳纳米管本身不具有任何抗肿瘤的特性，但由于它暴露在激光或近红外辐射时，会通过震动产生热能，使肿瘤局部产生大量热能，由于肿瘤组织血液供给不足，热量散发较慢，局部温度升高，导致肿瘤细胞死亡，故碳纳米管可以用于深组织热疗。结果表明，单壁碳纳米管处理组能够有效抑制肿瘤生长，明显提高治愈率。
    2.光动力疗法
    光动力疗法是在20世纪70年代末问世，而在近几年迅速发展的一种新技术，是通过光照射活化聚集在病灶组织中的光敏剂，产生活性氧和自由基来达到使细胞损伤和坏死的目的。药物和光敏剂的双向选择作用赋予了其抗肿瘤靶向性高的特点，成为肿瘤治疗研究最活跃的领域之一。研究显示，C60羧酸衍生物在可见光照射下能够使DNA断裂，抑制毒性细胞的生长，使其有希望用于光动力疗法。由于富勒烯分子中的 - 共轭体系可以有效的吸收可见光，产生活性氧，使得其作为光敏剂在光动力疗法领域有极高的应用前景。
    据报道，富勒烯在避光条件下，能够作为自由基清除剂，而在光照条件下，则成为优良的光敏剂。然而由于富勒烯的高度疏水性，其作为光敏剂的生物利用率差，肿瘤亲合性低，所以需要对其进行表面修饰。
    3.抗肿瘤药物
    纳米颗粒抗肿瘤作用具有下面5个方面的特点：(1)能够抑制肿瘤生长但不杀死细胞；( 2)同时抑制多种肿瘤血管生长因子的表达；(3) 能够逆转抗癌药物的抗药性；(4)不同于传统的抗肿瘤药物导致的免疫系统被破坏，反而能够激活机体的免疫功能；(5)不损伤细胞，却能够清除自由基，增强细胞抗氧化的能力。
    生物传感器
    目前，生物传感器主要有酶生物传感器、免疫传感器和DNA生物传感器。碳纳米管用来修饰电极，可以降低化学物质的氧化还原电位，碳纳米管大的比表面积有利于生物分子的固定化，促进生物活性中心与电极表面的电子传递，因此，碳纳米管在生物传感器方面具有潜在的应用。

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