中國粉體網8月29日訊 隨著納米技術的飛速發展，納米材料已成為一種新型材料。納米材料具有獨特的物理化學性質，如小尺寸效應、巨大比表面積、極高的反應活性、量子效應等，這些特性使納米科學成為當今世界三大支柱科學之一。碳納米材料是納米材料領域重要的組成部分，主要包括碳納米管、富勒烯、石墨烯、納米鉆石及其衍生物等。由于其獨特的理化特性，它們在生物醫學領域具有廣泛的應用前景。另外，隨著碳納米材料的產業化，各種形式的碳納米材料將以不同途徑進入人們的生活，納米材料的生物安全性問題正受到世界各國科學家的廣泛關注。
組織工程
1.骨組織工程
碳納米管是Lijima于1991年發現的一種新型納米材料，是一種由碳原子sp2雜化形成的石墨烯片層卷成的無縫中空的管體，根據管壁層數的差別，一般可以分為單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管。研究表明，碳納米管不僅具有相當高的強度和韌性，還具有優異的電學、磁學以及吸收等性能，是一種公認的超強一維增強材料，可以很好地解決組織修復領域中存在的一些問題。
眾所周知，羥基磷灰石是骨骼的天然組分之一，在生理環境下性能穩定，納米級材料為骨細胞的黏附、生長提供了良好的支撐，使骨細胞易于貼附，分泌多種成骨分化因子，并且在骨細胞鈣化過程中，納米羥基磷灰石還為骨細胞鈣化成骨提供晶核，發揮骨傳導作用。因此，納米羥基磷灰石是骨修復領域中研究最為廣泛的材料。但是，現有的研究結果表明，純的羥基磷灰石的力學性能較差，不能用作承重植入材料。研究證實，將碳納米管和羥基磷灰石制成復合材料，有望在保持其生物相容性的同時大大提高其力學性能。研究表明，多壁碳納米管負載骨水泥之后，能夠顯著提高骨水泥的力學性能。
2.神經組織工程
碳納米管獨特的性質也引起了人們對其在神經組織學領域的研究興趣，碳納米管增強型復合材料能夠有效地重建神經缺損的大鼠斜方肌的運動機能，術后再生神經電生理與組織學指標檢測結果與自體神經移植材料相當，部分指標結果甚至超過自體神經移植。這些研究表明，碳納米管增強型復合材料是橋接修復周圍神經的理想材料。據報道，富勒烯具有良好的清除自由基的能力，許多神經退行性病變，如阿爾茲海默癥 帕金森癥，都是由于谷氨酸受體過度激活，產生過量的活性氧自由基和NO自由基造成的，實驗證明富勒烯可以有效減少神經元的死亡。
藥物/基因載體
1.藥物載體
碳納米管獨特的中空結構和納米管徑，為容納藥物或生物特異性分子提供了有利的空間，但它不溶于任何溶劑的特性限制了它在生物醫學領域的應用。因此，對其表面進行修飾，以提高它的水溶性、生物相容性及靶向性成為一個非常熱的研究領域。據報道，通過對單壁碳納米管進行修飾，在其表面連接葉酸就可以靶向葉酸受體陽性的腫瘤細胞，在紅外線的照射下特異地殺傷腫瘤細胞，但對正常細胞不會造成不良影響。
2.基因載體
基因治療是目前一種新興的研究領域，是通過將目的基因送到靶細胞中，使之進行復制和表達，從而特異性的治療疾病的一種方法。基因治療的實施，首先需要合適的基因載體，以保護DNA不被核酸酶降解。因此，尋找合適的基因載體是目前基因治療研究的主要方向。
生物成像
1.生物成像劑
生物體在近紅外區基本不產生熒光，由于SWNTs獨特的結構，不需要通過熒光基團對其修飾就能產生較強烈的熒光，且具有較高的抗猝滅和抗光漂白等性能。因此，科研人員研究了碳納米管在成像方面的應用。據報道，SWCNTs 進入細胞后，其本身帶有的拉曼光譜信號及熒光信號能在細胞正常分裂增殖及分化過程中保留達3個月，利用這一特性可以使其作為生物標記物長期跟蹤觀察。除了細胞成像，碳納米管的近紅外熒光在活體成像上也得到應用。
2.MRI成像劑
臨床用的 MRI 對比劑主要是一些由高順磁性金屬與配體形成的螯合物，主要以含La系金屬配合物為主，其中以Gd- DTPA應用最為廣泛。目前MRI成像劑的研究主要以基于Gd的化合物為主。
腫瘤治療
1.腫瘤熱療
碳納米管本身不具有任何抗腫瘤的特性，但由于它暴露在激光或近紅外輻射時，會通過震動產生熱能，使腫瘤局部產生大量熱能，由于腫瘤組織血液供給不足，熱量散發較慢，局部溫度升高，導致腫瘤細胞死亡，故碳納米管可以用于深組織熱療。結果表明，單壁碳納米管處理組能夠有效抑制腫瘤生長，明顯提高治愈率。
2.光動力療法
光動力療法是在20世紀70年代末問世，而在近幾年迅速發展的一種新技術，是通過光照射活化聚集在病灶組織中的光敏劑，產生活性氧和自由基來達到使細胞損傷和壞死的目的。藥物和光敏劑的雙向選擇作用賦予了其抗腫瘤靶向性高的特點，成為腫瘤治療研究最活躍的領域之一。研究顯示，C60羧酸衍生物在可見光照射下能夠使DNA斷裂，抑制毒性細胞的生長，使其有希望用于光動力療法。由于富勒烯分子中的 - 共軛體系可以有效的吸收可見光，產生活性氧，使得其作為光敏劑在光動力療法領域有極高的應用前景。
據報道，富勒烯在避光條件下，能夠作為自由基清除劑，而在光照條件下，則成為優良的光敏劑。然而由于富勒烯的高度疏水性，其作為光敏劑的生物利用率差，腫瘤親合性低，所以需要對其進行表面修飾。
3.抗腫瘤藥物
納米顆粒抗腫瘤作用具有下面5個方面的特點：(1)能夠抑制腫瘤生長但不殺死細胞；( 2)同時抑制多種腫瘤血管生長因子的表達；(3) 能夠逆轉抗癌藥物的抗藥性；(4)不同于傳統的抗腫瘤藥物導致的免疫系統被破壞，反而能夠激活機體的免疫功能；(5)不損傷細胞，卻能夠清除自由基，增強細胞抗氧化的能力。
生物傳感器
目前，生物傳感器主要有酶生物傳感器、免疫傳感器和DNA生物傳感器。碳納米管用來修飾電極，可以降低化學物質的氧化還原電位，碳納米管大的比表面積有利于生物分子的固定化，促進生物活性中心與電極表面的電子傳遞，因此，碳納米管在生物傳感器方面具有潛在的應用。
組織工程
1.骨組織工程
碳納米管是Lijima于1991年發現的一種新型納米材料，是一種由碳原子sp2雜化形成的石墨烯片層卷成的無縫中空的管體，根據管壁層數的差別，一般可以分為單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管。研究表明，碳納米管不僅具有相當高的強度和韌性，還具有優異的電學、磁學以及吸收等性能，是一種公認的超強一維增強材料，可以很好地解決組織修復領域中存在的一些問題。
眾所周知，羥基磷灰石是骨骼的天然組分之一，在生理環境下性能穩定，納米級材料為骨細胞的黏附、生長提供了良好的支撐，使骨細胞易于貼附，分泌多種成骨分化因子，并且在骨細胞鈣化過程中，納米羥基磷灰石還為骨細胞鈣化成骨提供晶核，發揮骨傳導作用。因此，納米羥基磷灰石是骨修復領域中研究最為廣泛的材料。但是，現有的研究結果表明，純的羥基磷灰石的力學性能較差，不能用作承重植入材料。研究證實，將碳納米管和羥基磷灰石制成復合材料，有望在保持其生物相容性的同時大大提高其力學性能。研究表明，多壁碳納米管負載骨水泥之后，能夠顯著提高骨水泥的力學性能。
2.神經組織工程
碳納米管獨特的性質也引起了人們對其在神經組織學領域的研究興趣，碳納米管增強型復合材料能夠有效地重建神經缺損的大鼠斜方肌的運動機能，術后再生神經電生理與組織學指標檢測結果與自體神經移植材料相當，部分指標結果甚至超過自體神經移植。這些研究表明，碳納米管增強型復合材料是橋接修復周圍神經的理想材料。據報道，富勒烯具有良好的清除自由基的能力，許多神經退行性病變，如阿爾茲海默癥 帕金森癥，都是由于谷氨酸受體過度激活，產生過量的活性氧自由基和NO自由基造成的，實驗證明富勒烯可以有效減少神經元的死亡。
藥物/基因載體
1.藥物載體
碳納米管獨特的中空結構和納米管徑，為容納藥物或生物特異性分子提供了有利的空間，但它不溶于任何溶劑的特性限制了它在生物醫學領域的應用。因此，對其表面進行修飾，以提高它的水溶性、生物相容性及靶向性成為一個非常熱的研究領域。據報道，通過對單壁碳納米管進行修飾，在其表面連接葉酸就可以靶向葉酸受體陽性的腫瘤細胞，在紅外線的照射下特異地殺傷腫瘤細胞，但對正常細胞不會造成不良影響。
2.基因載體
基因治療是目前一種新興的研究領域，是通過將目的基因送到靶細胞中，使之進行復制和表達，從而特異性的治療疾病的一種方法。基因治療的實施，首先需要合適的基因載體，以保護DNA不被核酸酶降解。因此，尋找合適的基因載體是目前基因治療研究的主要方向。
生物成像
1.生物成像劑
生物體在近紅外區基本不產生熒光，由于SWNTs獨特的結構，不需要通過熒光基團對其修飾就能產生較強烈的熒光，且具有較高的抗猝滅和抗光漂白等性能。因此，科研人員研究了碳納米管在成像方面的應用。據報道，SWCNTs 進入細胞后，其本身帶有的拉曼光譜信號及熒光信號能在細胞正常分裂增殖及分化過程中保留達3個月，利用這一特性可以使其作為生物標記物長期跟蹤觀察。除了細胞成像，碳納米管的近紅外熒光在活體成像上也得到應用。
2.MRI成像劑
臨床用的 MRI 對比劑主要是一些由高順磁性金屬與配體形成的螯合物，主要以含La系金屬配合物為主，其中以Gd- DTPA應用最為廣泛。目前MRI成像劑的研究主要以基于Gd的化合物為主。
腫瘤治療
1.腫瘤熱療
碳納米管本身不具有任何抗腫瘤的特性，但由于它暴露在激光或近紅外輻射時，會通過震動產生熱能，使腫瘤局部產生大量熱能，由于腫瘤組織血液供給不足，熱量散發較慢，局部溫度升高，導致腫瘤細胞死亡，故碳納米管可以用于深組織熱療。結果表明，單壁碳納米管處理組能夠有效抑制腫瘤生長，明顯提高治愈率。
2.光動力療法
光動力療法是在20世紀70年代末問世，而在近幾年迅速發展的一種新技術，是通過光照射活化聚集在病灶組織中的光敏劑，產生活性氧和自由基來達到使細胞損傷和壞死的目的。藥物和光敏劑的雙向選擇作用賦予了其抗腫瘤靶向性高的特點，成為腫瘤治療研究最活躍的領域之一。研究顯示，C60羧酸衍生物在可見光照射下能夠使DNA斷裂，抑制毒性細胞的生長，使其有希望用于光動力療法。由于富勒烯分子中的 - 共軛體系可以有效的吸收可見光，產生活性氧，使得其作為光敏劑在光動力療法領域有極高的應用前景。
據報道，富勒烯在避光條件下，能夠作為自由基清除劑，而在光照條件下，則成為優良的光敏劑。然而由于富勒烯的高度疏水性，其作為光敏劑的生物利用率差，腫瘤親合性低，所以需要對其進行表面修飾。
3.抗腫瘤藥物
納米顆粒抗腫瘤作用具有下面5個方面的特點：(1)能夠抑制腫瘤生長但不殺死細胞；( 2)同時抑制多種腫瘤血管生長因子的表達；(3) 能夠逆轉抗癌藥物的抗藥性；(4)不同于傳統的抗腫瘤藥物導致的免疫系統被破壞，反而能夠激活機體的免疫功能；(5)不損傷細胞，卻能夠清除自由基，增強細胞抗氧化的能力。
生物傳感器
目前，生物傳感器主要有酶生物傳感器、免疫傳感器和DNA生物傳感器。碳納米管用來修飾電極，可以降低化學物質的氧化還原電位，碳納米管大的比表面積有利于生物分子的固定化，促進生物活性中心與電極表面的電子傳遞，因此，碳納米管在生物傳感器方面具有潛在的應用。
