纳米生物材料的研究进展
摘要：纳米生物材料是指具有纳米量级的超微粒构成的固体物质。纳米颗粒具有稳定的物理化学性质，较高的物理强度，较好扩散和渗透能力、吸附能力和化学活性，以及良好生物降解性等特点。使得纳米生物材料在医学领域得到了广泛的应用。纳米生物材料包括了组织工程与再生医学材料、高性能生物诊断纳米材料、生物相容性界面材料、智能纳米药物基因传递材料。然而，那么纳米生物材料作为人体外来物，必然或多或少地会引起人体的各种不适症状，甚至是对人体存在着毒性。对纳米生物材料安全性进行评价的深入研究已经成为当务之急。
关键词：纳米生物材料 特点 分类 安全性 毒性
1. 前言
纳米科技是20世纪80年代末,90年代初发展起来的前沿、交叉新兴学科领域的新技术。所谓“纳米技术”是指量度范围在1-100nm内的物质或结构的制造技术，即纳米级的材料。设计、制造、测量和控制技术。其最终目标是，人们将按照自己的意愿直接操纵单个原子、分子或原子团、分子团(小于10nm)，制造具有特定功能的产品。纳米材料，又称纳米粒，由于其微小的尺寸，是它们具有了一些独特的效应，表现出特殊的光学、热学、力学和磁学等特性。[1]
正是如此，纳米材料不仅在传统材料领域得到广泛的应用和发展，在生物医学领域更是一枝独秀。纳米材料在本世纪很可能成为生物医用材料的核心材料， 这是因为生物体的骨骼、牙齿、肌腱等都发现有纳米结构存在；贝壳、甲虫壳、珊瑚等天然材料具有特异的力学性能， 据分析， 它们是由某种有机粘合剂连接的有序排列的纳米碳酸钙颗粒构成的。从仿生的观点来看， 纳米生物医用材料是重要的发展方向。[2]纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径，利用纳米生物技术操纵生物大分子，被认为有可能引发第二次生物学的革命。[3]
2. 纳米生物材料
2.1 纳米生物材料的特点
纳米生物材料是指具有纳米量级的超微粒构成的固体物质。纳米颗粒具有稳定的物理化学性质，较高的物理强度，较好扩散和渗透能力、吸附能力和化学活性，以及良好生物降解性等特点。[4]
2.1.1 纳米生物材料的粒径较小 1 与传统物质相比，具有较高的表面活性，所以纳米颗粒容易透过血脑屏障、皮肤进入体内，进入血液循环系统，通过血液循环到达人体其他器官和部位。与普通颗粒相比纳米颗粒更易于从肺部转移至其他器官。
纳米生物材料的超微性展现了人体对颗粒性物质的吸收过程和它能引起的生物学影响。皮肤是人类阻挡外源性物质的重要屏障系统，它能有效地阻止宏观颗粒物经皮肤进入体内。而纳米粒子会随着呼吸进入气管和肺部。对于纳米粒子来说，即使在宏观状态时脂/水分配系数小，也完全有可能通过简单扩散或以渗透形式经过肺血屏障和皮肤进入体内。[5]
2.1.2 纳米生物材料的吸附能力和化学活性
纳米材料的另一个显著特点是比表面积大，粒子表面的原子数多，周围缺少相邻原子，存在许多空键，故具有很强的吸附能力和很高的化学活性。[6]与传统材料相比，纳米材料与人体发生相互作用的机率将极大的增加。
2.1.3 纳米生物材料的核酸保护作用
众所周知，寡核苷酸在体内可被核酸酶迅速降解。纳米脂质体和纳米粒可以通过表面电荷吸附作用或通过包裹在脂质体或纳米粒中负载核酸分子。通过纳米载体的负载，无论是吸附在表面，还是包埋在载体中都显著提高了核酸分子对核酸酶的抵抗性，在基因传递过程中起到保护核酸分子的作用。[7]
2.1.4 缓释、控释性基因传递
纳米材料载体在体内的循环时间受粒径大小影响。传统的脂质体经静脉注射后，大部分被机体网状内皮细胞系统迅速摄取，限制其靶向其他部位。纳米脂质体与纳米粒在踢被的循环时间就可明显延长。不同的纳米材料有不同的降解速率。组织细胞摄取了纳米粒子后，通过高分子材料的逐渐降解，达到纳米生物材料的根本目的，也就是医学上的治疗。[8]
2.2 纳米生物材料分类
纳米生物材料从功能上区分，其中包括了组织工程与再生医学材料、高性能生物诊断纳米材料、生物相容性界面材料、智能纳米药物基因传递材料。在21世纪很可能会成为生物医药材料的核心材料，这是因为生物体中存在大量精细的纳米结构。[9]
2.2.1组织工程与再生医学材料
在多学科交叉基础上的组织工程与再生医学为重建或修复组织与器官提供有效手段的同时，也面临在生命体内应用的巨大挑战。细胞、支架与信息传导体系是组织工程不可或缺的组成部分，支架为重建组织与器件提供必要空间与支撑，为信号传导提供有效渠道。支架的研究已逐步走向成熟，可以提供各种孔径及孔径分布，提供薄膜修饰支架、微粒及三维支架、[10]可注射支架及可降解支架。显然支架还在不断发展，如采用电纺相分离技术制备模拟人体细胞外基质一胶原纤维环境下的微结构比传统多孔支架具有更良好传递营养和代谢产物的能力，更好地诱导细胞和组织生长；采用电纺技术和基团技术结合，获得可控释DNA的纳米纤维支架，为调控组织生长过程中生物信号提供了可能。 2 采用多肽和聚肽的分子组装不仅可制备模拟人体细胞外基质-胶原纤维的一维纳米纤维，而且实现聚肽分子纳米纤维和细胞的三维复合。[11]细胞生物学和动物实验表明，这种通过自发组装形成的凝胶具有更好地调控细胞生长、迁移、增殖分化和信息传递的功能。这一研究为突破常规的细胞二维培养、构建新型三维细胞培养系统、实现组织工程和再生医学的应用提供了良好的平台。
采用支架宏观塑形和生物大分子组装方式结合,获得具有诱导分化和再生功能的活性组装体可成为组织工程和再生医学材料的重要发展方向。
2.2.2 高性能生物诊断纳米材料
生物缔合纳米微球将生物分子的识别功能与纳米功能粒子的光、电、磁功能结合在一起为高性能生物诊断材料的研究提供了巨大的潜力。
高生物相容性的两亲或两性分子在溶液中形成的胶束、囊泡和各种组装体为功能纳米微球的组装和生长提供的良好的模板，是制备高性能生物诊断材料的有效手段。通过对模板或组装体的控制，可以形成具有特定形状的纳米微球。而生物分子缔合的纳米微球可直接作为定量化标记物，也可以作为底物用于多元生物分析，还可以通过有效增强信号转换等方式在高灵敏度生物分析中显示出潜力。[12]
功能分子、纳米微球和功能组装体在界面模板的组装为制备各类生物分析芯片提供了良好的手段。通过微流道技术，微纳图案化技术和分子组装技术结合，人们已经实现多生物分子在微纳尺寸，甚至单分子尺寸上的组装，制备具有集成诊断功能的生物芯片。
采用功能纳米微球作为高性能体内显影剂，增强活体分子影像诊断也成为高性能生物诊断纳米材料的重要方向。通过对无机功能纳米微球界面的复合修饰，获得高生物相容性和生物安全性成为研究热点。
2.2.3 生物相容性界面材料
生物相容性和生物功能性问题是生物医用材料研究和应用中经典和关键的问题。利用仿生学思想和微纳技术结合，通过对生命体微纳仿生结构的模拟，研究生物相容性行为和特定微纳结构的内在联系是生物相容性界面材料研究的重要方向。
采用单分子自组装技术和微纳图案化技术结合可构建具有各种特定化学组成、物理拓扑结构的模型表面，深入研究各种特定参数对细胞行为的影响。层层组装技术是一种基于相反电荷组装体交替吸附的一种组装技术，采用该技术已实现了包括合成聚电解质、蛋白质和DNA等大多数生物大分子、功能纳米微球、微米/亚微米尺度的天然生物基元及预组装超分子聚集体在温和的条件下在众多基材上的组装。
通过该技术，人们不仅实现了对天然生物材料结构的模拟，获得了具有贝壳外观和光泽的层状生物材料，[13]更可实现对包括血液相容性、细胞相容性和基因药物释放等功能的调控，为解决生物医用材料的关键问题——生物相容性和功能性问题提供有效途径。通过对层状组装层的设计，制备具有抗菌、抗凝和基因药物释放功能的多功能复合生物相容性界面材料有望在组织工程薄膜支架、心血管药物基因冠脉支架和其他介入医用装置中获得良好的应 3 用。
以表面生物分子，包括蛋白质、多糖和DNA技术为模板进行的生物矿化研究也为构建多种纳米生物材料提供了良好的手段。以有机分子为模板的生物矿化不仅可实现常温条件下的高机械强度仿生生物材料的制备，而且可实现有机生物分子和无机材料的复合与控释。采用DNA和羟基磷灰石的原位组装获得了具有特定纳米结构的DNA纳米复合物，实现了界面介导的高基因转染纳米涂层，为骨和相关组织的再生修复提供了良好手段。[14]
2.2.4 智能纳米药物基因传递材料
实现细胞和亚细胞层次上治疗因素的靶向传递和智能控制释放，是降低各种治疗手段的毒副作用、提高治疗效果的共性问题。药物分子、DNA和载体分子的溶液组装行为为制备这种智能纳米药物传递提供了良好手段。通过分子设计合成各种高生物相容性的两亲或两性药物载体分子，可以利用其在溶液中的自组装行为和药物分子、DNA有效复合获得纳米药物组装体。
纳米组装体的小尺寸易于跨越各层次的生物屏障，实现细胞和亚细胞层次的给药和治疗；高表面积易于通过各种物理、化学和组装的方式制备生物缔合的纳米微粒，通过生物分子的识别功能实现靶向传递。载体分子中对环境敏感因素的引入则可以为实现人为或生物环境控释的材料提供可能。[15]
对构成病毒的生物分子组装和解组装行为的研究、模拟和制备模拟病毒结构和功能的高转染率非病毒基因载体，将为突破基因治疗的大规模临床应用提供可能。[16]
3. 纳米生物材料的安全性评价
即便是纳米生物材料，在人体体内，对于人体便异物，在体内必定会产生某种应答或出现排异现象。生物材料如果要成功，至少要使发生的反应被人体所接受，不产生有害作用。因此要对生物材料进行生物安全性评价，即生物学评价。[17]
不同的纳米生物材料的基体不同，作用方向以及作用原理的不同，和人体的相容性也因此截然不同。大多数纳米生物材料呈现出良好的生物相容性，可是也有部分的纳米生物材料对人体有着莫大的毒性。
纳米生物材料要对人体或其他生物体造成物理伤害，首先人体或其他生物体要能够接触到这种材料，其后它通过一定的途径进入体内，与细胞相互作用。一般而言，纳米材料进入人体主要通过呼吸道吸入或是胃肠道摄入，或涂抹于皮肤透过皮肤吸收，还有很多纳米生物材料都是与人体直接接触的。
3.1 纳米粒子通过呼吸道进入人体
纳米粒子通过呼吸道进入人体，能够穿透血肺屏障进入血液循琢。与普通颗粒相比，更易于从肺部转移至其他器官。[18] 纳米粒子的微小尺寸使得它很容易随空气进入到肺泡当中。肺部拥有大约3亿个肺泡，表面积巨大、而且血流丰富，使得它成为纳米粒子入侵血液的门户。 4 3.2 纳米粒子透过皮肤进入人体
皮肤是一个严格的生物屏障，几乎不转运任何营养物质。颗粒物质一般是无法渗入表皮层的，但表皮层易被损坏或穿孔而降低其抵御异物入侵的能力。大量异物入侵或者是长期受异物入侵时，会引起长期的或重复的皮肤炎症反应，最终会导致皮肤受损，严重时引起癌变。
3.3 纳米粒子透过血脑屏障进入大脑
纳米生物技术的一项重要应用就是纳米靶向药物的开发。研究表明，纳米粒子是通过被动转运、载体介导或者吞噬作用跨越血脑屏障的。[19]能够跨越血脑屏障的纳米生物药物固然受到欢迎，但是意味着毒性物质也有可能通过这种途径进入大脑。
3.4 纳米粒子对心血管系统的作用
已有研究显示自主神经系统将成为吸入纳米粒子的终端作用部位。关于这种作用有两种不同的假说：一种假说认为，由于吸入过量的纳米颗粒，肺部发生大面积炎症，释放各种介质，进一步作用于心脏、凝血系统和心血管系统；另一种则认为，纳米粒子是从肺部直接进入到血液循环中，再作用于凝血系统和心血管系统。[9]
如今，已有多种纳米颗粒显示了生物毒性，且毒性与颗粒粒径、接触剂量以及接触方式有关。粒径减小或剂量增大显示出毒性增强、增大；接触方式不同，对人体的危害程度也不同。纳米颗粒进入人体后，有可能在体内积蓄、自由穿梭，对人体细胞、器官和遗传性存在潜在危害性。[20]
由于纳米材料具有许多与宏观物质不同的特点，比如它们可以在体内转移的事实提示我们，过去对宏观物质的安全性评价方法和结果有可能不适用于其纳米材料。[21]而纳米科技的迅猛发展，与人类生活和健康息息相关，使对纳米材料安全性进行评价的深入研究已经成为当务之急。
4. 结论
综上所述，纳米生物材料为一新型生物材料，作为人体内植入物在组织工程中的广泛应用，将能够很好的解决传统材料的许多弊端，在生物医学领域已表现出独特的优势，具有着良好的应用前景。伴随着高分子材料、生物技术、信息技术、纳米技术、组织工程技术的发展，[22]必将加速推动对纳米生物材料的基础研究和生物医学领域应用研究工作，使之进入一个新的阶段。
纳米生物材料生物相容性的进一步研究，在功能纳米生物材料颗粒全面进入临床应用前，针对纳米微粒安全性研究仍是一个重要的问题，获得高生物相容性和生物安全性的纳米生物材料将成为未来研究的热点。