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纳米材料导论论文

纳米材料在生命科学中的

应用研究进展

摘要

纳米材料自发现以来，以其独特的结构，奇特的物理、化学和力学性质以及潜在的应用前景而倍受人们的关注.在过去几年中，生物纳米材料的理论与实验研究已成为人们关注的焦点，特别是核酸与蛋白质的生化、生物物理、生物力学、热力学与电磁学特征及其智能复合材料已成为生命科学与材料科学的交叉前沿。

目前，纳米生物芯片材料、仿生材料、纳米马达、纳米复合材料、界面生物材料、纳米传感器与药物传递系统等方面已取得很大进展。

本文主要对这些材料的特性研究、开发及应用情况进行了综述，简要概述了纳米材料在生命科学方面的主要应用，并探讨了生物纳米材料的发展前景。

关键词

纳米材料，特性，生物化学，生物物理，生物电磁学，分子马达，纳米技术

前言

纳米材料在结构上属于原子簇和宏观物体交界的过渡区域,是由数目很少的原子或分子组成的原子或分子的聚集体。

核酸与蛋白质是执行生命功能的重要纳米成分，是最好的天然生物纳米材料。

这些成分相互作用编织了一个复杂的、完美的生物世界。

生物纳米材料研究，不仅涉及基因与蛋白质的结构与功能，包括它们的识别、结合、相变、特殊因子的释放、生物电化学信号的产生与传导、生物力学与热力学特性，而且还涉及新技术工具的发展。

生物纳米材料可分为4类：

（1）天然纳米材料；

（2）譬物仿生与人工合成的纳米材料；（3）智能纳米复合材料；（4）合成的纳米材料与活细胞形成的复合材料或组织工程纳米材料。

尽管很多根本问题仍然不清楚，但是带有生物与纳米特征的新材料研究与开发已取得很大进展。

1纳米材料简介

纳米材料是指结晶粒度或多层膜的调制波长为纳米级（nm）的多晶材料。

它自本世纪80年代中期以来,研究开发日新月异。

纳米材料在结构上属于原子簇和宏观物体交界的过渡区域,是由数目很少的原子或分子组成的原子或分子的聚集体。

粒子具有壳层结构,其表面层原子占很大的比例并且是无序的类气体状,在粒子内部存在有序-无序结构。

与晶体体相基层的完全长程有序结构不同,纳米粒子的结构的特殊性使它们具有与传统固体材料不同的许多特殊性质,成为材料科学领域中跨世纪的材料科学研究的热门课题。

科学家们把纳米材料誉为“21世纪最有前途的材料”

。

1.1纳米材料的一般特性

1.1.1小尺寸效应（又称体积效应）

当超细微粒的尺寸与光波的波长,传导电子的德布罗意波长或超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,其周期性的边界条件将被破坏,那么光、声、电、磁、热力学等特性会表现出新的小尺寸效应。

利用等离子共振频移随颗粒尺寸的变化的性质,可以通过改变颗粒尺寸来控制吸收边的位移,制成具有一定频宽的微波吸收材料,用于电磁波的屏蔽、隐形飞机等。

1.1.2表面与界面效应

此效率是指纳米材料表面原子与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减少而大幅度地增加。

使其表面能及表面张力也随之增加。

纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境、结合能与内部的原子不同,存在许多悬空键,具有不饱和性质,因而极易与其它原子结合,具有很高的化学活性和电化学活性。

1.1.3量子尺寸效应

当粒子的尺寸小到某一值时,金属的费米能级附近的电子能级由准连续变为离散,对于纳米半导体材料存在的不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道的能级和能隙变宽,此现象称为量子尺寸效应。

此效应使纳米材料的催化、光、热、磁、电和超导等特性与宏观特性显著的不同。

1.1.4宏观量子隧道效应

微观粒子贯穿能垒的能力称为隧道效应。

一些宏观量如磁化强度、磁通量等也具有隧道效应。

例超细微颗粒的磁化强度和量子相干器中的磁通量等也具有量子隧道效应,此现象称为宏观量子隧道效应。

它的研究确立了微电子器件进一步微型化的极限,是未来微电子器件的研究和开发的理论基础。

1.2纳米材料的特性

1.2.1力学性质

高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。

具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。

纳米材料的位错密度很低,位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型,其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大,增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大,所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生,这就是纳米晶强化效应。

金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史,由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。

应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时,其韧性、强度、硬度大幅提高,使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。

使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。

1.2.2磁学性质

纳米微粒的磁性特征是奇异的超顺磁性、高的矫顽力和磁致性。

当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm

在这情况下,感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%,已不能满足需要,而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%,可以用于信息存储的磁电阻读出磁头,具有相当高的灵敏度和低噪音。

目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm

。

同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系,所以也可以用作新型的磁传感材料。

高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率,对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多,而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级,磁性比FeBO

和FeF

透明体至少高1个数量级,从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。

1.2.3电学性质

由于晶界面上原子体积分数增大,纳米材料的电阻高于同类粗晶材料,甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）

。

利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点,有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。

1.2.4热学性质

纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值,这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。

因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。

1.2.5光学性质

纳米材料的光学性质主要有光谱迁移性、光学吸收性、光学发光性、光学催化性。

光学迁移性就是纳米材料的应光发射峰发生蓝移或则红移

，纳米粒子的粒径远小于光波波长。

与入射光有交互作用,光透性可以通过控制径和气孔率而加以精确控制,在光感应和光过滤中应用广泛。

由于量子尺寸效应,纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象,其光吸收率很大,所以可应用于红外线感测器材料。

纳米吸收性主要表现在纳米材料对光的不透射性和不反射性，在外观上，对金属而言，能纳米粒度大，则纳米微粒的颜色较黑或浅黑，随着纳米级粒度减小，均趋向黑色，纳米的粒度越小，黑色程度越大。

纳米材料的发光性质，包括光致发光和电致发光两种现象。

纳米材料的光学催化性主要表现在，纳米利用自然光可催化详解有机化合物染污，最终生成无毒、无味的二氧化碳、水和一些简单的化合物。

另外，还有增强增韧性、储氢性质、润滑性质等。

综上所述纳米材料具有特殊的光学、力学、磁学、电学（超导）、化学（电化学）、催化性能、耐蚀以及特殊的机械性能:

耐磨、减震、巨弹性模量效应等,引起了凝聚态物理界、化学界及材料科学界的科学工作者的极大关注,作为一种崭新的材料,展示出诱人的、广泛的应用前途。

2纳米材料在生命科学中的应用

现代材料科学在亚微米与纳米水平的台成与控制方面不断取得进展，使得制造具有一定特性的功能材料成为可能。

在纳米水平，生物材料展现出新的特性。

材料科学与生物学之间的交叉领域已成为新的研究前沿。

2．1生物芯片材料

生物芯片是一个正在发展中的技术，对遗传诊断、药物发现及基础研究等方面具有重大影响，它的发展取决于生物纳米材料。

它的主要进展包括两方面：

一方面是纳米复合材料在生物芯片制备方面的应用，增强核酸、蛋白质与片基之间静态与动态的粘附力，促进小型化、高分辨率与多功能。

另一方面，生物芯片已拓宽它的应用范围，如植物药有效成分的高通量筛选、癌症等的临床疾病诊断、作为细胞内部信号的传感器。

结合微电子磁技术，生物芯片已应用于单细胞分离、单基因突变分析、基因扩增与免疫分析。

电场作用下自动寻址的细胞芯片也研制成功，既可用于基因功能研究与蛋白质亚细胞定位，又可用于监测基因与蛋白质的瞬间表达〔2〕。

2．2纳米生物仿生材料

纳米仿生材料的研究集中在力学形变、微结构与功能方面。

阐明生物纳米材料的生化过程、力学形变与运动规律有助于生物仿生材料的设计与制造。

例如：

坚果壳的结构，它们的形状结合了最好的材料特性。

在功能方面，既能保护种子对抗外界的破坏，同时又能确保种子在发芽期间可从壳内出来。

进一步研究表明，这是由于其内部存在10—20nm直径的草酸钙盐的单层分子结晶。

这种生物矿化层的功能可能是：

（1）储存大量的钙，满足细胞囊的要求；

（2）增强组织的力学性能，对抗外界的破坏侵袭力。

坚果壳提供了过量储层钙与周期性间隔处理钙的有效机制，在仿生材料设计方面具有应用前景。

蜘蛛是一个制造丝蛋白的家族。

这种丝经历了数千年的进化，其结构已被优化修饰。

这种丝具有平衡的硬度、强度与延展性，已被用作原子力学显微镜的探针。

重组的蜘蛛丝已被用作纺纱纤维。

丝纤维的生物仿生矿化过程已被用于制造特殊功能的生物复合材料。

磁性细菌能够控制磁铁的生物矿化过程。

每个生物磁性分子被包裹一层膜，并排列成链状，在细胞内形成磁极。

磁性粒子的直径在50—100nm范围，每个细胞内有10个左右磁性分子。

这些生物磁性分子有单个磁极，在液体中有超级弥散特性。

可被用于免疫分析或诊断芯片。

2．3生物纳米马达

生物马达分子也称作纳米机器。

它们在肌肉收缩，细胞移动、分化，囊泡转运，信号转导，DNA复制、卷曲与翻译方面起着重要作用。

马达分子主要分为actin网络、kinesin与dynein超家族和与DNA相互作用的蛋白质。

通过ATP水解，化学能被转化为机械能，导致马达分子构像发生改变，引起马达分子运动。

人们已经详细研究了这些马达的详细结构与它们的运动轨迹，但是马达分子的生物力学机制仍然不太清楚。

在此领域进行研究有助于纳米装置动力的发展。

2．3．1actin网络

actin网络在细胞运动中起协同作用。

actin结合蛋白的结构与它们在细胞运动期间对细胞骨架的调节作用已有很多研究。

研究证宴了细胞的力学行为具有惊人的抗突变能力。

3个actin调节蛋白被敲除，并不改变细胞形状及细胞运动等表现型行为。

这种现象可以用弹性原理来解释，因为交联部分的敲除使得aetin网络软化可通过F-actin功能增强与整体体积减少来补偿。

2．3．2Kinesin马达

Kinesin是一个线状的两个头的马达，通过在细胞内沿着微管移动囊泡而发挥转运作用。

Kinesin的每个头由一个带有ATP结合结构域的重链与带有运动囊泡的轻链组成。

两个轻链形成卷曲螺旋的劲部区域。

Kinesin分子沿着微管每移动一步，距离是8nm，同时消耗一个ATP分子水解提供的能量。

大约5—7pN的机械力可阻止kinesin分子的移动。

Kinesin的运动率随着应用负荷的增加而呈线性减少。

Kinesin的两个tubulin结合区域正常隔开约5nm，要取得超过8nm的距离，其构像必须有大的改变。

Kinesin劲部的绞链区域一旦与ATP结合，即可出现构像改变，协助一个头粘附于微管，另一个头在ATP水解能量的驱动下，向前移动16rim。

但是不清楚kinesin的8nm的力学距离产生的机制以及劲部绞链构像改变与ATP水解释放焦磷酸相联结的机制。

2．3．3Myosin马达

MyosinII是一个两头线性马达，在骨骼与平滑肌内部的actin与myosin细丝之间产生滑动。

在任一时间，只有一个头粘附到actin。

每个myosin头由一个球形马达结构域与一个长的杠杆臂结构域组成。

ATP水解导致化学能转化为力学能，使杠杆臂摆动。

早期报道myosin平均每次滑动的移动距离是1lnm．产生的力大约为4pN。

但是，目前研究证实骨骼肌myosin移动距离只有4nm，平滑肌myosin移动距离只有7nm。

这4一lIrma的每步距离与myosin工作行程相关。

在aetin细丝I二的两个连续的myosin结合位点之间的间隔是36rim，预示多个myosin分子必须协同工作，才能实现沿着aetin持续移动。

实际效果是肌肉收缩与细胞移动。

但是一个ATP水解涉及多少个步骤，产生多大的力，myosin构像的改变怎样与ATP水解及与actin结合仍然不清楚。

2．3.4ATP合成酶

ATP合成酶是世界上最小的马达蛋白，包括一个跨膜成分F0，构成质子通道；一个可溶性成分，F1、ATPase．包含催化位点。

ATP合成酶既能利用ATP水解对抗电化学梯度，泵质子穿过生物膜．叉能利用来自跨膜质子梯度的能量（利用ADP与焦磷酸）合成ATpt4。

实验证实，当ATP被加时，每步每个ATP分子水解可使F1-ATPase旋转120。

。

ATP合成酶通过Fl成分中的B一结构域构像改变来完成。

酶的合成与水解循环周期。

蛋白质构像的变化是利用ATP的自由能产生力学转矩的关键机制，或者利用质子移动力产生转矩以合成ATP。

2.3.5DNA与蛋白质相互作用的马达分子

纳米马达也能以与DNA结合的单个蛋白分子形式存在。

例如，细胞中DNA聚合酶、RNA聚合酶及拓扑异构酶是参与基因转录、复制与DNA卷曲的马达分子。

一些RNA聚合酶以每秒10多个核苷酸的速度合成棋板DNA的RNA拷贝。

T7DNA聚合酶以每秒高于100碱基的速度复制DNA。

到目前为止．已发现8种DNA与蛋白质之间相互作用的基序，即Helix-Turn—Helix，ZincFinger，Beta-Rib，L—zip，Enzyme，Beta—Barrel，Helix—Loop—Helix，HMGBox，BHLH—Z。

目前关于DNA复制与转录的机制研究已部分地集中在纳米马达的分子机制方面。

Opticaltweezer已被用于测量马达分子与DNA之间的相互作用力。

例如,在饱和的dNTP浓度条件下．E．coliRNA聚合酶在外加力为14—25pN时可使转录停止，而且随着力的增加，转录速度降低。

实验表明，T7DNA聚合酶沿着单链DNA模板移动时对DNA链的张力非常敏感。

DNA扭转力似乎通过拓扑异构酶影响DNA超螺旋的松弛。

阐明生物马达分子的力学化学相互转变的机制可用于功能性纳米装置的没计与制造。

2．4核酸与蛋白质材料

核酸包括DNA与RNA。

DNA是一个直径为3．4nm的双螺旋双链。

DNA是构建大分子的最佳材料。

因为它易合成，具有高度特异性与柔韧性。

DNA碱基互补配对特性已被用于制造2-维晶体、DNA计算机与电子线路原型。

DNA不仅可形成双链_级结构，而且也可形成三级、四级，甚至更高级的结构。

DNA分子的力学研究也取得j-进展。

在不同的拉力下DNA至少出现4种形变，其规律为：

（1）熵-弹性形变；

（2）虫样链；（3）外周笼廓伸展；（4）B-DNA向S—DNA相变。

DNA分子的不同构像可用于DNA马达的设计例如，一个人造的DNA纳米马达采用分子内部结构与分子间的结构，通过两种构像之间的快速转化，使得纳米马达能完成虫样的延伸与收缩运动。

它的简单的稳定结构、方便的操作与高效率，使得DNA纳米马达具有为纳米装置提供动力的潜力。

蛋白质是制备纳米机器的天然材料。

蛋白质构建的分子机器，在细胞中大量存在。

肽分子在液体中经过自组织程序，可形成纳米水平的超分子结构，如胶态离子、囊泡、单向膜与微管等。

这些自组织体可满足不同的纳米工程材料的需求。

蛋白质识别与结合结构域的研究．揭示了带有特殊化学键的蛋白分子结构可提供靶分子的选择性识别区域。

因为蛋白质是氨基酸的异源聚合物，化学残基的适当配对与定位能够制造出具有特殊识别能力的人造大分子。

通过分析结合蛋白，科学家已成功地设计出特异性汉别并结合生物分子的仿生材料。

在这些材料当中，DNA分支的motifs用作纳米装置联接与排列组合的成分。

例如，用肽作原料的聚合物町利用已发现的motifs来设计。

与亲水性聚合物连接后，这些肽能保持生物活性。

这些肽不仅可改变纤维蛋白的力学特性，而且提供了自组织网络形成的新机制。

2．5生物纳米传感器

生物系统拥有一些独特的能力，如控制晶体结构、相的方向与对无机材料纳米结构的调节，识别与材料特异结合的蛋白，如半导体Wafers、半导体与磁性纳米粒子、碳纳米管与传导性聚台体。

生物分子固有的自组织、高选择特性可被用于制造纳米传感器。

例如，在特殊结构的硅极性表面产生电荷，可以模拟生物离子通道。

直径在0．2—2nm，长度在I一2m的生物离子通道具有高度的离子选择性，离子通道开台状态之间可快速切换，并可被一些离子抑制。

因此，生物离子通道在生物传感器、分子开关、分子装置、纳米反应器等方面具有潜在的应用价值。

如。

温度敏感蛋白TlpA是从伤寒杆菌中提取出来的蛋白，对温度变化特别敏感，具有快速的变性一复性周期，能被用于制造基于温度变化基础上的装置，可用于探测温度变化及信号转导。

2．6生物兼容性界面材料

很多纳米材料，如纳米粒子、纳米管、核酸、纳米多肽等具有巨大的l临床应用潜力。

纳米材料在临床应用的一个主要问题是这些材料能否被机体免疫系统接受。

到目前为止，我们对纳米材料与免疫细胞之间的相互作用了解很少。

随着越来越多的纳米设备被制造，从根本上理解纳米材料与免疫网络之间的相互作用显得越来越重要。

据报道，带有18ran直径孔的生物膜能够保护被包裹的细胞或组织避开机体免疫反应〔5〕。

这种现象对特殊的纳米材料设计制造具有潜在的指导意义。

生物兼容性意指控制与生物组织相接触的材料行为的一系列复杂的理化与生物学反应过程。

包括生物材料的表面化学与形态特征以及吸收浆蛋白的图像。

构建生物兼容性表面非常重要，其方法主要有softionization方法，如pulsedplasmaandhotfilamentpolymerization，使用这种方法可获取同源性聚合体表面。

带有生物兼容性表面的纳米材料可直接用于制造临床纳米装置及用作组织工程材料。

例如，水凝胶基础上的自组织肽拥有唯一的纳米与微米形态，已用作组织工程支架。

生物降解的聚乳酸支架可用作骨的替代物。

蜂房胶原结构是一个极好的三维的生物降解材料。

一个生物降解性聚合体（如BMP2）递送系统已被用于促进骨形成。

3纳米材料的研究进展

生物纳米材料科学已展示出激动人心的前景。

此领域最终目标是在纳米水平制造功能性生物材料。

探索生物纳米材料可以更好地理解生命科学与材料科学交叉领域的根本原理。

这些原理可用于设计与制造各种纳米装置。

生物纳米材料已有了巨大的商业市场。

生命科学产品在全球创造了每年l000亿美元的利润，据英国纳米技术研究所统计，目前纳米特征的产品只占总量的1％，随着生物纳米技术的快速发展，这个百分数在不远的未来将呈指数增长〔6〕。

研究开发新产品的驱动力日益增强，对生物医学的创新正越来越集中在纳米技术与传统技术的整台方面。

在不远的将来，纳米装置将很可能改变我们的生活。

此外，磁性纳米生物材料在生物医学领域已表现出独特的优势，具有潜在的应用前景。

目前大多数研究还处于动物实验阶段，还需大量临床试验予以证明。

目前磁性纳米材料仍存在诸多问题：

①增强磁性纳米微球粒径的控制；②增强磁性纳米微球的磁性；③降低成本，简化生产步骤，以期大规模临床应用；④进一步拓宽磁性纳米材料在生物医学领域如单克隆抗体、多肽、激素和治疗用放射性核素等方面研究。

美国国立科学基金会和美国环保局的研究组对纳米材料安全性评价提出了如下建议[56]：

a.对工业纳米材料的安全暴露评价；b.研究人造纳米颗粒的毒理学；c.利用已知的颗粒物和纤维的毒理学数据外推纳米材料的毒性；d.人造纳米颗粒或纳米材料的环境和生物学迁移、持续和转化；e.纳米材料在生态环境系统中的回收再利用。

4小结

目前一些纳米材料已经广泛地用于创伤敷料、牙科黏合剂、遮光剂、燃料电池、轮胎、衣物和电子方面.当前公众对纳米技术用于日常生活还存有一些担心，因此在纳米技术广泛应用之前一定要谨慎检验和评估其对环境和人体健康的影响，评估与纳米技术有关的社会效益及潜在风险。

纳米材料应用为生物医学领域打开了一个巨大的机会和市场，但是一旦它们被引入生物体内，对人体免疫反应造成的潜在负面影响目前还知之甚少。

到目前为止，关于纳米材料临床相关的毒性还从未报道过，现在就对纳米材料的危害下结论还为时过早。

纳米材料独特的物理化学性质是否引入新的损伤机制以及是否引入新的病理学都是未知的，如炎症、凋亡、坏死、纤维化、过度增大、组织变形和致癌作用等。

未来的研究重点应该包括：

a.纳米材料在日常生活中的传播途径，如吸入、经口、皮肤吸收和静脉注射等，以及不同暴露途径给环境和人体健康带来的影响有什么不同；b.纳米材料的结构和尺寸与其生物毒性之间的关系，究竟什么参数（质量、粒径、比表面积、表面反应活），毫无疑问的是纳米技术将会有广泛的应用，对人类生活许多方面将会产生深远影响，包括环境净化、水净化、廉价的电力和更好的疾病治疗形式。

现在面临的挑战是我们缺乏暴露不同纳米材料可能带来的一些负面健康效应信息。

因此纳米技术产业的发展需要在政府的安全引导下进行，包括制造、监控工人暴露的剂量、环境中NPs的释放和风险评估都是促进纳米技术经济发展和生物学应用的当务之急。

参考文献

[1]严东生.纳米材料的合成与制备[J].无机材料学报,1995,10

（1）：

1-6.

[2]李新勇,李树本.纳米半导体研究进展[J].化学进展,1996,8（3）：

231-239.

[3]TonySpaisow.JoumalofAlloysandCompounds[J].1998,279

（2）：

279.

[4]白春礼.纳米科技的内涵及其发展趋势[J].武汉理工大学学报.2002.2（4）.

6StarkH．Biologicalnanotechnology．SecondEuroBiochipsConference，2002，30-34

56DreherKL.Toxicologicalhighlight:

healthandenvironmentalimpactofnanotechnology.ToxicolSci,2004,77:

3～5

2BouchieA．MicroarrayscomealiveNature，2001，411：

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5DesaiA,HonsfordD,FetmfiM．NanoscalemembersynthesisandimmBnocomponentisolationJournalofmembraneScience，1999．159：

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