纳米生物医用材料
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纳米材料在生物医学领域的应用随着科学技术的飞速发展,纳米材料因其独特的物理和化学性质,逐渐成为生物医学研究的重要工具。
纳米材料通常具有极小的尺寸,通常在1到100纳米之间,这一微小的尺度赋予了它们许多非凡的特性,如增强的反应性、优良的生物相容性和良好的分散性等。
这些特性使得纳米材料在生物医学领域展现出广泛的应用潜力,包括药物递送、成像诊断、抗肿瘤治疗等方面。
纳米材料的基本特性尺寸效应纳米材料独特的尺寸效应使得它们在许多应用中表现出与宏观材料截然不同的性质。
在这一尺度下,材料表面原子所占比例大增,导致其表面能、反应性和电子特性等均有所变化。
这使得纳米材料能够更有效地与生物分子相互作用。
增强的比表面积纳米材料具有极大的比表面积,这意味着它们能够与更多的生物分子进行接触,从而提高了药物载体或者催化剂的效率。
这一特性尤其适用于药物释放系统,在体内能够更快速地与靶细胞结合,实现更高效的药物传递。
有序结构许多纳米材料可以通过控制合成条件而获取有序的结构,这种有序性对提高材料性能和功能至关重要。
在生物医学中,有序结构能够提升治疗效果,通过优化载药能力、降低毒性等方式达到更佳效果。
纳米材料在药物递送中的应用药物递送系统是纳米医学研究的重要组成部分。
通过使用纳米材料,可以实现目的性药物释放,即在特定条件下(如pH值、温度或酶的存在)释放药物。
靶向递送靶向递送是指将药物精确地输送到病变部位。
纳米粒子可通过表面修饰结合抗体或配体,从而增强对靶细胞的亲和力。
例如,利用功能化金纳米粒子可以将化疗药物包装并通过靶向肿瘤细胞表面的特定受体进行释放。
这种智能化药物递送系统显著减少了对周围健康组织的损伤,提高了治疗效果。
控释技术基于纳米技术的控制释放系统能够实现药物在体内的持续释放。
例如,聚合物基纳米珠可以设计为在一定时间内逐步释放药物,相较传统给药方法,大大提高了给药频率与患者依从性。
同时,这种系统可以提供更稳定、更持久的药效,减少患者服用次数及可能带来的不适,被广泛应用于慢性病以及癌症等疾病治疗中。
纳米材料在生物医学中的应用一、纳米材料在生物医学领域的应用1. 生物传感器:纳米材料可以用于生物传感器的制备和运载。
由于其特殊的物理和化学特性,纳米材料能够在低浓度下高度灵敏地探测生物分子,如蛋白质、DNA、RNA等。
纳米材料的高比表面积也能够提高生物分子的靶向性和识别能力,因此在生物传感器中的应用前景广阔。
2. 药物传输:纳米材料在药物传输方面有着巨大的应用前景。
基于其独特的尺寸和表面性质,纳米材料可以实现药物的高效载体和传输,可以改善药物的生物利用度和保留时间,降低药物的副作用。
纳米材料还可以通过靶向控制药物的释放,提高药物的效力和准确性。
3. 治疗:纳米材料的生物学特性还可以被用来治疗疾病。
纳米材料可以通过特定的靶向途径有效地将药物输送到病灶部位,实现对肿瘤、炎症等疾病的治疗。
纳米材料本身也具有良好的生物相容性和生物降解性,可以大大减少对人体的副作用和不良反应。
4. 影像检测:纳米材料在影像检测方面也有很大的应用潜力。
纳米材料可以被用作造影剂,可以通过在体内对比增强显像的方式,帮助医生更准确地进行检测和诊断。
纳米材料还可以通过特定的结构设计和表面修饰,提高对特定靶向组织或细胞的识别和检测能力。
二、纳米材料在生物医学领域的研究进展1. 纳米生物传感器的研究进展纳米生物传感器是将纳米材料作为传感器材料,能够感知和转换生物分子的信号。
近年来,许多基于纳米材料的生物传感器已经被开发出来,并且在许多生物医学领域得到应用。
一种基于纳米金材料的葡萄糖生物传感器已经被研发出来,能够检测血液中的葡萄糖浓度,用于糖尿病的监测和治疗。
2. 纳米材料在药物传输方面的研究进展纳米材料在药物传输方面的研究也越来越受到关注。
以纳米脂质体为载体的药物传输系统已经在临床中得到应用,并被用于多种疾病的治疗。
纳米材料的特殊表面性质也为药物的靶向控制提供了很多可能性。
一种基于聚合物纳米粒子的药物传输系统已经被成功研发出来,并能够实现对癌细胞的高度靶向,从而提高了治疗效果。
生物医用纳米纤维材料的制备及应用一、生物医用纳米纤维材料概述生物医用纳米纤维材料是一种新型的生物医用材料,它具有独特的物理和化学性质,在生物医学领域具有广泛的应用前景。
纳米纤维材料的直径通常在1 - 1000纳米之间,其比表面积大、孔隙率高、机械性能良好等特点使其在生物医用方面表现出独特的优势。
1.1纳米纤维材料的分类生物医用纳米纤维材料可以根据其组成成分进行分类。
主要包括有机纳米纤维材料和无机纳米纤维材料。
有机纳米纤维材料如天然高分子纳米纤维材料(如纤维素纳米纤维、壳聚糖纳米纤维等)和合成高分子纳米纤维材料(如聚酯纳米纤维、聚酰胺纳米纤维等)。
无机纳米纤维材料包括金属氧化物纳米纤维(如二氧化钛纳米纤维、氧化锌纳米纤维等)和陶瓷纳米纤维(如羟基磷灰石纳米纤维等)。
1.2纳米纤维材料的特性(1)高比表面积:纳米纤维材料的直径很小,这使得其比表面积非常大。
高比表面积有利于细胞的附着和生长,同时也能增加材料与生物分子之间的相互作用。
(2)良好的孔隙率:纳米纤维材料具有较高的孔隙率,能够为细胞的生长和营养物质的传输提供良好的空间环境。
(3)可调节的机械性能:通过改变纳米纤维材料的组成和制备工艺,可以调节其机械性能,使其能够适应不同的生物医用需求。
(4)生物相容性:许多纳米纤维材料具有良好的生物相容性,能够与生物组织和细胞良好地相互作用,减少免疫反应和炎症反应。
二、生物医用纳米纤维材料的制备方法2.1静电纺丝法静电纺丝法是制备纳米纤维材料最常用的方法之一。
该方法基于静电作用,将聚合物溶液或熔体在高压电场下拉伸成纳米纤维。
静电纺丝法具有操作简单、可制备多种材料、纤维直径可控等优点。
(1)静电纺丝的基本原理:在静电纺丝过程中,聚合物溶液或熔体在喷头处形成液滴,当施加高压电场时,液滴表面的电荷聚集,产生静电斥力,使液滴克服表面张力形成泰勒锥,并进一步拉伸成纳米纤维。
(2)影响静电纺丝的因素:包括聚合物溶液的浓度、粘度、表面张力,电场强度、喷头到接收屏的距离等。
纳米材料在生物医学中的应用一、纳米材料简介纳米材料是一种尺度在 1-100 纳米(1nm=10^-9m)之间的材料。
随着纳米技术的不断发展,纳米材料的种类也越来越多,包括碳纳米管、纳米金属、纳米氧化物、纳米化合物等。
纳米材料具有独特的物理和化学特性,在生物医学领域有着广阔的应用前景。
二、纳米材料在生物医学中的应用1. 纳米药物纳米药物是指纳米材料作为载体,将药物包裹其中,以此实现针对性输送和控制释放。
这种药物具有高效、低剂量、较少毒副作用等优点。
例如,近年来研究的纳米抗癌药物在治疗肺癌、乳腺癌等疾病中显示出显著的疗效,成为靶向治疗的重要手段。
2. 纳米生物传感器纳米生物传感器是指将纳米材料与生物体相互作用,通过监测生物体内的物质浓度、生物物质分子等信息,实现对生物体状态的检测、分析和诊断。
例如,纳米粒子的表面修饰可实现对病毒、细菌等病原体的高灵敏性检测,从而提高疾病早期诊断的准确性。
3. 纳米材料的组织工程和再生医学纳米材料在组织工程和再生医学中应用广泛。
例如,纳米材料可以通过与生物体组织细胞相互作用,促进细胞生长和分化。
这种作用可应用于骨折愈合、心脏组织修复等方面。
同时,纳米材料还可以用于人工关节、血管、器官等的研究和制造,应用效果显著。
4. 纳米光学成像纳米光学成像是一种通过光学手段对微观物质进行成像的技术。
纳米材料在这方面的应用虽然有限,但正在逐渐发展。
例如,纳米金颗粒的表面修饰可实现在体内的光学成像,用于疾病诊断和研究。
三、纳米材料在生物医学中的优势与传统医疗技术相比,纳米技术具有以下优势:1. 高效性:纳米药物能够精准靶向病变部位,达到更高的药效和更少的伤害。
2. 安全性:在合理使用下,纳米材料的毒副作用很小,对人体安全。
3. 可控性:纳米药物的性质可以通过合理设计进行调控,达到更好的治疗效果。
4. 生物相容性:多数纳米材料具有很好的生物相容性,不会被生物体的免疫系统排斥。
四、纳米材料在生物医学中的挑战虽然纳米技术在生物医学领域有着广阔的应用前景,但其面临以下挑战:1. 在生物体内的稳定性问题;纳米药物在体内易受生物环境的影响,失去原有的性质和效果。
纳米材料在生物医学中的应用近年来,纳米科技的迅猛发展给各个领域带来了巨大的变革,其中生物医学领域尤为显著。
纳米材料的独特物理和化学特性赋予其在生物医学中广泛的应用前景。
本文将探讨纳米材料在生物医学中的应用,包括纳米药物递送系统、纳米生物传感器及纳米材料在组织工程中的应用。
1. 纳米药物递送系统纳米材料在药物递送系统中担任着重要的角色。
纳米颗粒的尺寸亚微米级别,使得药物可以更好地穿越细胞膜,提高药物的生物利用度。
例如,利用具有药物载体功能的纳米颗粒,可以包裹药物并在合适的时机和地点释放,从而实现药物的靶向递送。
此外,纳米颗粒表面的功能化修饰也赋予其与靶细胞特异性结合的能力,提高治疗效果。
2. 纳米生物传感器纳米生物传感器是一种将纳米材料与生物传感器相结合的新型技术。
纳米颗粒的高比表面积和可调控的光、电、磁性能使其成为优秀的生物传感器材料。
例如,通过将荧光染料修饰在纳米颗粒上,可以利用纳米颗粒的荧光信号来监测生物体内某种特定分子的浓度变化,实现疾病早期检测。
此外,利用纳米颗粒的磁性,还可以对生物体内的特定区域进行标记和定位,为疾病的诊断和治疗提供辅助。
3. 纳米材料在组织工程中的应用组织工程是一门旨在修复和再生受损组织器官的技术。
纳米材料在组织工程中具有广阔的应用前景。
纳米颗粒可以作为支架材料,提供细胞附着的平台和微环境,促进组织再生。
此外,纳米材料的表面特性也可以调控细胞的黏附和增殖,促进组织再生过程。
利用纳米材料的这些特性,可以修复骨骼、肌肉、皮肤等各种组织和器官的损伤。
总结起来,纳米材料在生物医学中的应用涵盖了多个方面,包括纳米药物递送系统、纳米生物传感器和纳米材料在组织工程中的应用。
这些应用不仅提高了药物递送的效果和准确性,还为疾病的早期诊断和治疗提供了新的手段。
纳米材料的广泛应用将进一步推动生物医学的发展,为我们的健康提供更多可能性。
常用的纳米生物材料引言纳米科技的开展带来了许多新的应用领域,其中纳米生物材料在生物医学领域中有着广泛的应用。
纳米生物材料具有独特的物理和化学特性,能够在微观和宏观层面上改善生物材料的性能。
本文将介绍一些常见的纳米生物材料及其在生物医学领域的应用。
金纳米颗粒金纳米颗粒是一种常见的纳米生物材料,具有优异的生物相容性和稳定性。
由于其外表等离子共振现象和光热效应,金纳米颗粒在光学成像、光热疗法和药物输送等方面具有广泛的应用。
例如,通过将药物包裹在金纳米颗粒上,可以实现针对性的药物输送,提高药物的疗效并减少不良反响。
石墨烯石墨烯是由碳原子组成的二维材料,具有高导电性、高强度和高透明性等特点。
在生物医学领域中,石墨烯被广泛应用于生物传感、基因递送和组织工程等方面。
由于其大的比外表积和薄膜结构,石墨烯可以用于构建高灵敏度的生物传感器,实现对生物分子和细胞的检测。
纳米蛋白质纳米蛋白质是一种通过重组蛋白质工程技术制备的纳米颗粒。
纳米蛋白质具有高度的结构可控性和功能可调性,因此在药物递送、生物成像和组织工程等方面有着广泛的应用。
通过改变纳米蛋白质的外表性质,可以实现针对性的药物输送和生物成像,提高治疗效果和诊断准确性。
纳米多孔材料纳米多孔材料是一种具有高比外表积和多孔结构的材料,能够提供大量的载药空间。
通过控制材料的孔径和孔壁结构,可以实现对药物的控制释放。
纳米多孔材料在药物递送和组织工程等方面有着广泛的应用。
例如,在药物递送领域,纳米多孔材料可以作为药物的载体,将药物封装在孔内,实现持续和控制释放,提高药物的疗效。
纳米生物传感器纳米生物传感器是一种能够检测和传递生物信息的纳米材料。
纳米生物传感器结合了生物分子的特异性和纳米材料的灵敏性,可以实时、准确地检测生物分子的存在和浓度。
纳米生物传感器在生物医学诊断和监测等方面有着重要的应用,例如,可以用于检测疾病标志物、监测环境污染物等。
结论纳米生物材料是生物医学领域中的重要工具,在药物递送、生物成像、组织工程和生物传感等方面发挥着重要作用。
生物医用纳米材料的合成与应用随着科技的发展,纳米材料已经成为一个重要的领域,越来越多的功能性材料被制造出来。
其中,生物医用纳米材料不仅有着广泛的应用,而且也是研究领域中最激动人心的话题之一。
生物医用纳米材料的合成与应用,是一个既复杂又重要的研究领域。
在这篇文章中,我们将会介绍纳米材料的概念,探讨纳米材料在生物医学领域的应用,以及纳米材料的合成过程。
一、纳米材料的概念纳米材料是指粒径尺寸在1~100纳米之间的材料,在这个尺寸大小下,原本的物理和化学性质将会发生很多变化。
比如纳米颗粒有更大的比表面积、更高的表面能和更多的缺陷,其导致的局部物理性质的变化,被广泛应用于化学、物理、生物医学等领域。
二、纳米材料在生物医学领域的应用1、医疗器械生物医学领域最重要的应用是使用纳米材料来制造医疗器械和药品。
例如,纳米金球被用来制造纳米尺度的医用探针和荧光探针,这类探针可以无创地检测肿瘤,详细描绘出了组织和细胞的结构,可提供高分辨率超声成像、磁共振成像等技术方案。
2、癌症治疗纳米颗粒也被广泛应用于癌症治疗。
比如纳米出泡治疗技术,通过纳米颗粒的包覆以及负电荷增强癌细胞的穿透能力,来释放致癌细胞相关的药物,增强了药物的杀伤力并减少了药物毒性。
3、药物传递纳米颗粒还被用于药物传递,这些纳米颗粒包裹着药物,可以通过血液中的蛋白质到达病变组织,降低药物的毒性,起到更好的治疗效果。
三、纳米材料的合成过程1、化学合成化学法是纳米材料合成中最常用的方法之一。
化学法是一种以化学方法,通过固-液或者气-液方案来合成纳米材料。
不同于传统的化学反应,这种方法需要很好的反应控制和单分散性质的严格控制;实现这种控制需要很高的技术成就。
2、物理合成物理合成是通过物理原理,如熔体冷却、机械合成等方式来制备纳米材料。
人们进一步开发了更高的物理技术,如溶胶凝胶等方法,用于纳米材料的制备。
3、生物合成生物合成是通过生物体内或者生产过程中自然形成的方式来制备纳米材料。
纳⽶⽣物医⽤材料纳⽶⽣物医⽤材料余传威滁州学院材料与化学⼯程学院摘要:⽣物医⽤材料作为功能材料的⼀种,早在距今约7000年前就有使⽤记录。
⽬前⽣物医⽤材料需求巨⼤且对各⽅⾯性能要求越来越⾼。
20世纪30年代以来,⽣物医⽤材料随着⼯业的发展得到长⾜进步。
近年来,随着纳⽶技术的重⼤突破,纳⽶⽣物医⽤材料应运⽽⽣。
纳⽶⽣物医⽤材料因其独特的⼒学性能、可靠地⽣物相容性、良好的降解性能、⾼度的靶向性等等优点成为⽣物医⽤材料中的新星。
专家预计,在20世纪⼈类未能彻底攻克的主要疾病,如⼼脏病、艾滋病、中风、糖尿病等,都有望在21世纪纳⽶⽣物和医学的成功应⽤中得到解决[1]。
本⽂主要针对纳⽶⽣物医⽤材料的概念、分类、进展、应⽤、发展趋势等⽅⾯进⾏评述,并在最后作出结论。
关键词:⽣物医⽤材料;功能材料;纳⽶⽣物医⽤材料;性能;医学⽣物医⽤材料是⽤于和⽣物系统结合治疗或替换⽣物机体中的组织器官或增进其功能的材料[2]。
纳⽶⽣物医⽤材料则由现代化的纳⽶技术和⽣物材料交叉、融合的全新⾼科技领域,其应⽤前景也必定会带来⽣物医学界的新⼀代⾰新。
颗粒在1~100nm范围内的材料被称为纳⽶材料,纳⽶⽣物医⽤材料体现在纳⽶级药物(可以有很强的靶向性,能制作“⽣物导弹”药物,增强疗效)、纳⽶表⾯特性置换物(对⼈⼯脏器进⾏表⾯或者整体纳⽶处理改性,减⼩毒副作⽤,延长使⽤寿命和安全性)、纳⽶级微⼩检测仪器(纳⽶级颗粒可有效进⼊体内细⼩组织,⼤⼤提⾼疾病的诊断率)等⽅⾯。
⽬前,⽣物医⽤材料应⽤很⼴泛,⼤到器官移植,⼩到⽛齿修复和⼿术缝合线等。
纳⽶⽣物医⽤材料的研究还很有限,离⼴泛应⽤于临床还有相当⼤距离。
很多技术上的难题难以解决。
即便如此,其如此多的优越性让各国政要⼤商以及科研机构和个⼈异常狂热。
纳⽶⽣物医⽤材料是⼀个多学科交叉前景⼗分⼴阔的领域,它所具有的独特结构使它显⽰出独特的性能如量⼦尺⼨效应、⼩尺⼨效应、表⾯效应和宏观量⼦隧道效应,故⽽显⽰出许多特有的性质诸如磁引导靶向性、⽣化相容性、耐持久磨损等等。
纳米生物材料纳米生物材料是一种具有微观尺度特征的生物材料,其特殊的结构和性能使其在生物医学领域具有广泛的应用前景。
纳米生物材料的研究和应用已成为当今生物医学工程领域的热点之一。
本文将从纳米生物材料的定义、特点、应用和发展趋势等方面进行介绍和分析。
首先,纳米生物材料是指具有纳米级尺度特征的生物材料。
纳米生物材料通常由纳米颗粒、纳米纤维或纳米薄膜等纳米结构组成。
这些纳米结构赋予纳米生物材料特殊的物理、化学和生物学性质,使其在生物医学应用中具有独特的优势。
其次,纳米生物材料具有许多独特的特点。
首先,纳米生物材料具有较大的比表面积和较高的表面活性,使其能够更好地与生物体内的细胞和组织相互作用。
其次,纳米生物材料具有良好的生物相容性和生物降解性,能够减少对生物体的损伤和排斥反应。
此外,纳米生物材料还具有可调控的物理、化学和生物学性能,可以根据具体的应用需求进行设计和调整。
纳米生物材料在生物医学领域具有广泛的应用前景。
首先,纳米生物材料可以用于生物医学成像。
由于其特殊的光学、磁学和声学性质,纳米生物材料可以作为生物医学成像的对比剂,用于提高成像的分辨率和对比度。
其次,纳米生物材料还可以用于药物传输和释放。
纳米载体可以将药物载运到靶细胞或组织,实现靶向治疗,减少药物的副作用。
此外,纳米生物材料还可以用于组织工程和再生医学,如修复受损组织和器官。
纳米生物材料的发展趋势主要体现在以下几个方面。
首先,纳米生物材料的设计和制备技术将更加精密和多样化,以满足不同应用领域的需求。
其次,纳米生物材料的性能评价和安全性评估将更加全面和严格,以确保其在生物体内的安全性和有效性。
此外,纳米生物材料的应用领域将进一步拓展,涉及到生物医学诊断、治疗和监测等多个方面。
总之,纳米生物材料具有独特的结构和性能,在生物医学领域具有广泛的应用前景。
随着纳米生物材料技术的不断进步和完善,相信纳米生物材料将会为生物医学工程领域带来更多的创新和突破。
材料科学中的新型生物医用材料随着现代科技的不断发展,人们对于生物医学材料的需求与日俱增。
为了更好地满足医疗领域的需求,材料科学也在不断地探索创新。
新型生物医用材料的研发将在医学领域产生重要的影响,或许在未来不久就能为人们的健康提供更好的保障。
1. 纳米生物医用材料:随着纳米技术的逐渐成熟,纳米生物医用材料逐渐得到了人们的重视。
纳米生物医用材料是指具备纳米结构的生物医用材料,在医疗领域有着多种应用,比如生物传感、肿瘤诊疗、组织修复及再生等领域。
纳米生物医用材料不仅可以在病情诊断时发挥作用,还可以在药物治疗及手术治疗时发挥重要的作用。
目前,纳米生物医用材料已成为医学领域研究的热点之一。
其不同于传统医用材料的独特特性和优势,使其成为材料科学领域的前沿领域。
对于纳米生物医用材料的研究,将有望为生物医学和基础科学提供新的思考和解决方案。
2. 生物降解医用材料:传统的医用材料一般都具有较长的生命周期,难以降解。
而生物降解医用材料可以在体外或体内环境下降解或被吸收,从而避免对环境造成污染,减少废弃物产生。
因此,生物降解医用材料被认为是更加环保和可持续的生物医用材料,具有更广泛的应用前景。
目前,生物降解医用材料已经成为生物医学领域的研究热点之一。
生物降解材料在医学领域有着广泛的应用,如生物修复、组织工程、药物缓释等领域。
生物降解材料的研究不仅可以解决传统医用材料对于环境的影响,还能够提高医疗的效率和成功率。
3. 生物仿生医用材料:生物仿生医用材料是以生物系统为模板,根据仿生学原理设计并制造的具有特殊形态或结构的生物医用材料。
生物仿生医用材料可以具有与生物体相似的特性和结构,从而在治疗实践中更加贴合人体需要,增强治疗效果,提高治疗成功率。
在生物仿生材料的研究中,科学家们运用了多种材料学、生物学和仿生学的方法,从而不断改进医用材料的性能。
目前,生物仿生材料在医学领域的应用也越来越多,如仿生心脏瓣膜、仿生角膜等。
未来,生物仿生医用材料的研究将成为材料科学的又一重要领域,相关研究在生物医学领域中具有广泛的应用前景。
生物医用材料作为功能材料的一种,早在距今约7000年前就有使用记录。
目前生物医用材料需求巨大且对各方面性能要求越来越高。
20世纪30年代以来,生物医用材料随着工业的发展得到长足进步。
近年来,随着纳米技术的重大突破,纳米生物医用材料应运而生。
纳米生物医用材料因其独特的力学性能、可靠地生物相容性、良好的降解性能、高度的靶向性等等优点成为生物医用材料中的新星。
专家预计,在20世纪人类未能彻底攻克的主要疾病,如心脏病、艾滋病、中风、糖尿病等,都有望在21世纪纳米生物和医学的成功应用中得到解决[1]。
本文主要针对纳米生物医用材料的概念、分类、进展、应用、发展趋势等方面进行评述,并在最后作出结论。
生物医用材料;功能材料;纳米生物医用材料;性能;医学生物医用材料是用于和生物系统结合治疗或替换生物机体中的组织器官或增进其功能的材料[2]。
纳米生物医用材料则由现代化的纳米技术和生物材料交叉、融合的全新高科技领域,其应用前景也必定会带来生物医学界的新一代革新。
颗粒在1~100nm范围内的材料被称为纳米材料,纳米生物医用材料体现在纳米级药物(可以有很强的靶向性,能制作“生物导弹”药物,增强疗效)、纳米表面特性置换物(对人工脏器进行表面或者整体纳米处理改性,减小毒副作用,延长使用寿命和安全性)、纳米级微小检测仪器(纳米级颗粒可有效进入体内细小组织,大大提高疾病的诊断率)等方面。
目前,生物医用材料应用很广泛,大到器官移植,小到牙齿修复和手术缝合线等。
纳米生物医用材料的研究还很有限,离广泛应用于临床还有相当大距离。
很多技术上的难题难以解决。
即便如此,其如此多的优越性让各国政要大商以及科研机构和个人异常狂热。
纳米生物医用材料是一个多学科交叉前景十分广阔的领域,它所具有的独特结构使它显示出独特的性能如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应,故而显示出许多特有的性质诸如磁引导靶向性、生化相容性、耐持久磨损等等。
这些优异性能符合了人们期望安全有效经济地使用脏器替代品和药物增效(这给传统中药很大的发展空间)的愿望。
纳米生物医用材料按照组成一般可分类为纳米无机生物医用材料、纳米高分子医用材料、纳米生物医用复合材料等。
一、纳米无机生物医用材料纳米生物医用无机材料可分为纳米生物陶瓷材料、纳米生物碳材料、纳米生物玻璃陶瓷、纳米生物复合无机材料等几类,其中应用最广泛的是纳米生物医用陶瓷材料与纳米生物碳材料等。
纳米陶瓷的问世,将会使陶瓷材料的强度、硬度、韧性和超塑性都大为提高。
生物陶瓷(如磷酸钙、生物玻璃、氧化铝等)是一类重要的生物医用材料,在临床上已有广泛的应用,主要用于制造人工骨、骨螺钉、人工齿、牙种植体以及骨的髓内固定材料等。
纳米陶瓷的制备,将会使陶瓷材料的强度、硬度、韧性和超塑性都大为提高,一些材料学家指出:纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径,纳米陶瓷材料将会比传统陶瓷有更广泛的应用和发展前景。
由于量子尺寸效应和具有极大的比表面积及不同的抗菌机制,无机纳米抗菌剂(如纳米TiO2,ZnO,SiO2。
的银系纳米复合粉)具有传统无机抗菌剂(TiO2、ZnO、沸石、磷灰石等多孔性物质以及银、铜、金等金属及其离子化合物)所无法比拟的优良抗菌效果,其综合抗菌效果也优于有机类和天然类抗菌剂,对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、芽枝菌和曲霉等具有很强的杀伤能力。
这种抗菌剂不仅抗菌能力强、范围广,而且具有极高的安全性,是~种长效抗菌剂,可用作伤口敷料订[3]。
Ag可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌,添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用[4]。
另外,如HAP纳米颗粒在体外细胞培养实验中发现,其对正常细胞活性无影响。
作用机理解释为HAP纳米微晶对癌细胞DNA合成翻译有抑制作用。
纳米无机生物医用材料的研究方向将从植入体在人体内随时间变化、力学性能(包括抗磨损、耐疲劳、柔韧性等)、可降解、生化活性等方面切入。
将来的课题还是会围绕三个方面:一是系统地研究纳米生物无机材料的性能、微结构和生物学效应通过和常规材料对比,找出其特殊的规律;二是发展新型的纳米无机生物材料;三是进行应用研究,开创新的产业。
与人体相容性高或者接近人体组织,力学性能优良且不影响组织正常恢复,不残留有害物质的绿色高效产品是纳米无机生物医用材料的研究大趋势。
二、纳米高分子生物医用材料现代医学的发展,对材料的性能提出了愈来愈高的要求,大多数金属材料和无机材料难以满足,而合成高分子材料与天然高分子材料有着极其相似的化学结构,而且来源丰富,能够长期保存,品种繁多,性能可变化,应用范围广。
从坚硬的牙齿和骨头、强韧类似筋腱和指甲,到柔软而富于弹性的肌肉组织、透明角膜和晶状体等,都可用高分子材料制作,而且可加工成各种复杂的形状。
因此,生物医用高分子材料在生物医用材料领域占绝对优势。
[5]纳米生物医用高分子材料可分为天然生物医用高分子材料和合成生物医用高分子材料;根据其稳定性可分为生物降解型医用高分子材料和不可降解型生物医用高分子材料;根据其应用可分为人工脏器,固定、缝合材料,药用高分子材料,诊断用高分子材料及血液净化高分子材料等[6]古代人已经开始用天然高分子材料治病,古埃及人用棉线和马鬃等做伤口缝合线,中国人使用假牙假肢,印第安人用木片修补颅骨。
1851年发明天然橡胶的硫化法后,用天然高分子硬胶制作人工牙托和颚骨。
1936年邮寄玻璃用于临床。
1943年赛璐珞薄膜用于血液透析。
1950年后高分子材料大发展。
1970年后高分子生物医学材料大量应用。
近年来,纳米级的高分子生物医用材料逐步发展起来,前景光明。
纳米高分子材料可通过微乳液聚合的方法得到,这种纳米粒子可用于某些疑难病的介入诊断和治疗。
由于纳米粒子比红细胞小得多,可以在血液中自由运动,因此,可注入各种对机体无害的纳米粒子到人体的各部位,检查病变和进行治疗。
将载有地塞米松的乳酸乙酸共聚物纳米粒子,通过动脉给药的方法送入血管内,可以有效治疗动脉再狭窄;而载有抗增生药物的乳酸乙醇酸共聚物纳米粒子经冠状动脉给药,可以有效防止冠状动脉再狭窄。
聚合物纳米粒子还可用于生物物质的分离;将纳米颗粒压成薄片制成过滤器,由于过滤孔径为纳米级,在医药工业中可用于血清的消毒等[7]。
通过对纳米粒子的修饰,可以增加其对肿瘤组织的靶向特异性。
有时候药效可以提高几十倍。
纳米粒子作为基因载体输送核苷酸也有很多优越性,结合核苷酸后具有对抗核酸酶的作用,防止了核酸的降解,同时具有靶向输送功能并增加其在细胞内的稳定性。
高分子具有易于大规模合成且一般比无机金属质量小的特点,作为临床需求量大且要求有一定机械性能的医用材料如手术器械、支架等等都很有优势,经过纳米技术处理后对防止手术创伤感染以及支架在人体组织内相容性都有帮助。
技术成熟后,高分子生物医用材料可能大量替代传统医疗器械和医疗辅助产品。
人工器官的应用,纳米高分子生物医用材料可以制作人工脏器、人工血管、人工骨骼、人工关节等,比传统高分子材料性能优越。
纳米高分子生物医用材料凭借其表面效应,具有子材料易于合成,一般成本低廉,纳米高分子材料相对容易获得。
由此可见,高分子医用材料将来的方向必然是与纳米技术结合的。
生物相容性材料、硬组织生物医用材料、药物释放和送达体系高分子材料是纳米生物医用高分子材料的三个主流方向。
随着人口老龄化的到来,各种人工器官组织需求巨大且逐年增加,同时人们对生活水平要求提高,传统的高分子医用材料不能完全满足要求,纳米生物医用高分子材料将是最终正途。
研究以绿色无毒,耐用持久为目标,对血液组织相容性和高度可降解的材料,人们将大力发展。
三、纳米生物医用复合材料纳米无机/有机生物医用复合材料的构想源于天然组织,实际上,人体的绝大多数组织都可以视为复合材料,其中牙齿和骨骼就是由纳米磷灰石晶体和高分子组成的纳米复合材料,它们都具有良好的力学性能,通过对天然硬组织的模仿,人们已经制备出一些纳米生物医用复合材料。
纳米生物医用复合材料一般由经过纳米技术处理的基体材料与增强材料组成。
目前来说,一般方法很难获得一种均匀的复合材料或无法获得纳米级细晶材料,这还是一个技术难题,如果解决,人们将可以制作出很接近人体诸如骨骼等的材料。
复合材料本身一般就具有单纯无机或有机材料所不具备的优良力学等性能,加上纳米技术,形成的纳米生物医用材料性能更加优越,大多具有良好的生物相容性和生物活性,是理想的生物医用材料。
常见于应用于制作骨修复、骨替代、假牙、整形美容填充物、等等。
现在研究比较火热的有HA体系的复合材料等,如HA/PA66复合材料与人体皮质骨很接近,并有软骨诱导性[8]。
可考虑为理想的骨代替或修复材料。
纳米生物医用复合材料各方面性能突出,必然是各种纳米生物医用材料中最具潜力的。
它的比强度、比模量高,抗疲劳性能好,抗生理腐蚀性好,力学相容性好。
将来复合材料如果突破技术上的难题,能够大规模合成具有纳米效应、晶体均匀且无毒副作用的复合医用材料,是广大患者的福音,也能产生巨大经济效益。
总结纳米材料与技术在生物医药、医学中的应用日益受到人们重视。
纳米生物医用材料将解决人们对高性能组织修复、器官替换、疾病诊断与治疗等的迫切需求,必然是将来医用功能材料的主流。
纳米技术还不成熟成为纳米生物医用材料发展的主要制约,随着纳米微粒的表征技术多元化进行,如透射电镜、XRD、扫描电子显微镜、激光散射等等的发展,纳米技术日趋成熟,很多技术难题会一一解决。
纳米生物医用材料的发展是不会止步的。
纳米生物医用材料的发展趋势将会以复合材料为主体兼顾无机和高分子材料,重点研究取材绿色环保且具有大规模进行的课题。
最终产品要求具有高度靶向性增强药物疗效或延长药物作用时间、对外科有微创或无创的益处以及可安全长久替换和修复人体组织脏器等功能。