序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇納米材料論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

1．2基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移的檢測Kuningas等人［23］首次提出了基于上轉(zhuǎn)換納米材料的熒光共振能量轉(zhuǎn)移分析技術(shù)（upconversionFRETAssay，UC－FRET或UC－LRET），并通過使用抗生蛋白鏈菌素修飾的上轉(zhuǎn)換納米材料作為能量供體，生物素化的藻膽蛋白作為能量受體實現(xiàn)了生物素的高靈敏檢測．此后，基于UC－FRET的分析方法得到了快速發(fā)展，例如：李富友課題組［41］構(gòu)建了一種高靈敏度的DNA納米傳感器：用表面修飾有DNA捕獲探針的NaYF4：Yb／Er上轉(zhuǎn)換納米顆粒作為能量供體，用標記有羅丹明的短鏈互補DNA序列作為能量受體構(gòu)建UC－FRET結(jié)構(gòu)，目標DNA通過鏈置換反應(yīng)與DNA捕獲探針進行互補配對從而破壞UC－FRET結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對目標DNA的檢測，目標DNA的濃度與發(fā)射光的強度比存在線性關(guān)系，測量的目標DNA濃度極低，檢測范圍為10～60nmol•L－1．同樣，Zhang等人［42］也報道了基于寡核苷酸修飾上轉(zhuǎn)換納米顆粒的生物傳感器用來檢測DNA，檢出限低至到1．3nmol•L－1．貴金屬納米顆粒如納米金等具有表面等離子體共振性質(zhì)和較大的消光系數(shù)，將這些材料與上轉(zhuǎn)換納米材料相結(jié)合可以降低檢測時的背景熒光干擾并提高檢測靈敏度，因此貴金屬納米顆粒也常常被作為能量受體用于UC－FRET生物檢測中［43］．例如，Wang等人［44］報道了基于NaYF4：Yb／Er和金納米顆粒的UC－FRET生物傳感器用來檢測抗生物素蛋白，檢出限低至0．5nmol•L－1．最近，Deng等人［45］提出一種在溶液和活細胞中快速檢測谷胱甘肽的新方法，該方法的基本原理是，谷胱甘肽能抑制上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面的二氧化錳納米片對上轉(zhuǎn)換發(fā)光的猝滅作用．根據(jù)材料本身獨特的電學和熱學性能，石墨烯、氧化石墨烯和碳納米顆粒也在基于UC－FRET的生物檢測中被廣泛用作能量猝滅劑。

2生物成像領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用

2．1體內(nèi)深層組織的熒光成像稀土上轉(zhuǎn)換納米材料所用到的激發(fā)光源（980nm）在生物組織中有很強的穿透能力、不會引起生物體自發(fā)熒光干擾而且對生物組織幾乎無損傷，所以稀土上轉(zhuǎn)換納米材料是各種生物組織或生物體成像分析的理想熒光標記材料．Zhang課題組［49］使用PEI包裹的NaYF4：Yb／Er納米顆粒首次實現(xiàn)了動物體成像，證明了稀土上轉(zhuǎn)換納米材料相比于量子點在體內(nèi)深層組織成像中的優(yōu)勢．為了進一步增加稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)射光的組織穿透深度從而提高成像靈敏度，需要調(diào)節(jié)上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜到紅光區(qū)（600～700nm）．這一波長范圍內(nèi)生物組織對發(fā)射光的散射和吸收均較小，且自發(fā)熒光干擾也很小，對深層組織成像至關(guān)重要．趙宇亮課題組［22］報道了Mn摻雜的發(fā)單色紅光的NaYF4：Yb／Er上轉(zhuǎn)換納米材料用于活體成像，成像深度可延伸至15mm．Prasad課題組［50］也報道了一種新的體內(nèi)成像方法，該方法利用NaYF4：Yb／Tm上轉(zhuǎn)換納米材料發(fā)出的近紅外光（800nm）作為檢測信號，在小鼠體內(nèi)成像實驗中獲得了高對比度的熒光圖像．在隨后用Yb／Tm共摻雜的上轉(zhuǎn)換顆粒進行小鼠全身熒光成像的實驗中，實現(xiàn)了20mm的光穿透深度［51，52］．此外，聚丙烯酸修飾的上轉(zhuǎn)換納米顆粒（PAA－NaLuF4：Yb／Tm）也被報道作為光學生物學探針用于正常黑鼠的體內(nèi)熒光成像，而且該探針在兔子體內(nèi)成像實驗中也能獲得很高的信噪比［53］．多路復(fù)用成像是識別不同生物體最有效的方法之一，隨著稀土上轉(zhuǎn)換納米材料合成方法的不斷發(fā)展，可以通過調(diào)節(jié)摻雜元素的種類和含量在紫外到近紅外光譜區(qū)內(nèi)對稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒的發(fā)射光譜進行精確調(diào)節(jié)，并可以使其呈現(xiàn)多個發(fā)射峰．Yu等人［54］首次使用NaYF4：Yb／Er／La納米棒實現(xiàn)了活體內(nèi)多色成像．Cheng等人［55］將具有不同發(fā)射光譜的3種上轉(zhuǎn)換納米顆粒經(jīng)皮下注射進入到小鼠體內(nèi)，通過區(qū)分光譜反褶積實現(xiàn)小鼠的多色成像．熒光共振能量轉(zhuǎn)移是另一種調(diào)節(jié)上轉(zhuǎn)換納米顆粒發(fā)射多色光的方法，基于該方法的基本成像原理是，利用近紅外光激發(fā)上轉(zhuǎn)換納米顆粒并利用其發(fā)射光來激發(fā)顆粒表面的有機染料或量子點，使其發(fā)射出不同波長的熒光從而實現(xiàn)生物成像．劉莊課題組［56］利用有機染料和聚乙二醇（PEG）包覆的上轉(zhuǎn)換納米顆粒之間的疏水作用力將染料吸附在顆粒表面來調(diào)節(jié)復(fù)合材料在可見光區(qū)的發(fā)射光譜，并將該復(fù)合材料用于生物體多色成像體系中．

2．2多模態(tài)成像單模態(tài)成像技術(shù)通常只能反映生物體內(nèi)單一的信息，因此，為了獲得更多的生物體內(nèi)相關(guān)信息，多模態(tài)成像技術(shù)應(yīng)運而生．近年來，以稀土上轉(zhuǎn)換納米材料為基礎(chǔ)的多模態(tài)成像技術(shù)得到了快速發(fā)展，例如，上轉(zhuǎn)換熒光成像（upconversionimaging，UCL）與磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）、電子計算機X射線斷層掃描（computedtomography，CT）、正電子發(fā)射斷層成像（positronemissioncomputedtomography，PET）和單光子發(fā)射計算機斷層成像（single－photonemissioncompu－tedtomography，SPECT）等其他模態(tài)成像技術(shù)相結(jié)合的多模態(tài)成像技術(shù)已經(jīng)取得了長足發(fā)展并在生物成像中發(fā)揮著越來越重要的作用［57，58］．

2．2．1雙模態(tài)成像當前的研究熱點之一是將上轉(zhuǎn)換熒光成像與MRI相結(jié)合構(gòu)建雙模態(tài)成像探針并探究其在生物醫(yī)學領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用．眾所周知，熒光成像為生物體內(nèi)成像提供了高的靈敏度，但它的激發(fā)光對生物組織的穿透深度較淺．相比于熒光成像，MRI為體內(nèi)成像提供了良好的空間分辨率．但由于其靈敏度有限，所以通過結(jié)合上轉(zhuǎn)換熒光成像和磁共振成像的優(yōu)勢，可以獲得同時具備高靈敏度、高空間分辨率和較強激發(fā)光組織穿透深度的雙模態(tài)成像探針．近年來，一些基于稀土上轉(zhuǎn)換納米材料的雙模態(tài)成像探針制備方法已有報道．第一種制備方法是分子的功能化，即將Gd配合物等磁共振成像造影劑修飾在上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面來構(gòu)建UCL／MRI雙模態(tài)成像復(fù)合探針．例如，Li等人［57］報報道了一種核殼結(jié)構(gòu)的UCL／MRI納米顆粒探針，該探針以上轉(zhuǎn)換納米顆粒為核并將Gd配合物擔載在二氧化硅殼層中．第二種制備方法是通過連續(xù)生長或者包覆的方法實現(xiàn)其他磁性材料與上轉(zhuǎn)換納米材料的復(fù)合．超順磁性氧化鐵納米粒子（SPIONS）由于其良好的磁性和生物相容性獲美國FDA批準為商用磁共振成像造影劑；目前，SPIONS包覆的上轉(zhuǎn)換納米顆粒作為雙模態(tài)成像探針的雛形技術(shù)已有報道．Xia等人［58］制備了NaYF4：Yb／Tm＠FexOy納米核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，并將其用于生物體T2加權(quán)MRI和UCL雙模態(tài)淋巴管成像的造影劑．然而，上轉(zhuǎn)換納米顆粒的發(fā)光強度在這個核殼結(jié)構(gòu)中將會逐漸減小，這是因為Fe3O4殼層既吸收發(fā)射光也吸收近紅外激發(fā)光．為解決這一問題需要進一步制備反相的核殼納米結(jié)構(gòu)，所以Zhu等人又合成Fe3O4納米顆粒為核而上轉(zhuǎn)換納米顆粒為殼層的納米結(jié)構(gòu)來避免Fe3O4對發(fā)射光和激發(fā)光的吸收［59］．劉莊課題組［60，61］用層層自組裝的方法制備了UCNPs－SIONPs納米復(fù)合材料成像探針．該探針以上轉(zhuǎn)換納米顆粒為核，顆粒外包覆一層超薄氧化鐵納米顆粒，然后在最外層包裹一層金顆粒．該納米復(fù)合材料可用于UCL／MRI雙模態(tài)生物成像并在體內(nèi)和體外進行定向的癌癥光熱治療，還可用于干細胞的示蹤和操控．這些結(jié)果表明UCNPs－SIONPs作為新型的多功能成像探針有潛力應(yīng)用于體內(nèi)轉(zhuǎn)移性細胞的示蹤和操控［62］．然而，實現(xiàn)稀土上轉(zhuǎn)換納米材料與其他磁性材料結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)合非常困難并且會導(dǎo)致一些副作用（例如Fe3O4可能會猝滅稀土上轉(zhuǎn)換材料的發(fā)射光）．就這一點而言，含有Gd的材料（Gd2O3，GdPO4，GdF3，NaGdF4等）與稀土上轉(zhuǎn)換材料有良好的相容性．將含有Gd的納米殼層包裹在稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面來制備的復(fù)合納米材料同時具有光學和磁學兩種性質(zhì)，可以用于多功能生物體系中［27～35］．例如，趙宇亮課題組［32］成功合成了形貌可調(diào)的Ln摻雜的Gd2O3納米顆粒，該顆粒具有多種顏色的上轉(zhuǎn)換熒光成像和磁共振成像能力．Zhou等人［63］報道了基于Yb／Er（Tm）共摻雜NaGdF4納米顆粒的小動物UCL／MRI雙模態(tài)成像體系．第三種制備方法是將有磁性的離子摻雜到稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒中．例如，趙宇亮課題組［22］報道了NaYF4：Yb／Er納米晶體摻雜Mn離子后表現(xiàn)出上轉(zhuǎn)換熒光發(fā)射和磁性雙重性質(zhì)．Zeng等人［64］報道了NaLuF4納米晶體摻雜Gd／Yb／Er三種元素離子的體系，該納米晶體不僅具有近紅外發(fā)射的性質(zhì)還在室溫下具有順磁性，經(jīng)生物分子功能化的NaLuF4上轉(zhuǎn)換納米顆粒有望應(yīng)用于體內(nèi)和體外的雙模成像中（UCL／MRI）．將UCL和SPECT相結(jié)合也是一種備受關(guān)注的雙模態(tài)成像技術(shù)，SPECT成像在臨床診斷中常用18F作為放射性同位素標記物，由于常用的上轉(zhuǎn)換納米顆粒的組成元素中含有氟，所以可以在合成上轉(zhuǎn)換納米顆粒時將F元素換成其帶有放射性的同位素18F來獲得UCL／SPECT雙模成像性質(zhì)．最近，Sun等人［65］報道了用含有18F的NaYF4：Yb／Tm納米顆粒進行小動物全身UCL／SPECT雙模成像，該納米顆粒不僅可以在老鼠體內(nèi)獲得高靈敏度的圖像，而且在大型動物體內(nèi)也可以獲得．然而，18F較短的半衰期（1．829h）限制了其在生物體內(nèi)長時間成像中的應(yīng)用，所以研究者們又進一步合成了長半衰期153Sm（46．3h）摻雜的NaLuF4：Yb／Tm納米顆粒并將其用于生物體長周期UCL／SPECT雙模成像［66］；而且由于153Sm發(fā)射出中等能量的β射線，對生物體損傷較小，因此該成像探針更加適合用于長時間的生物成像．

2．2．2多模態(tài)成像最近，PET／MRI／UCL或著CT／MRI／UCL三模態(tài)成像受到人們越來越多的關(guān)注，將3種成像技術(shù)結(jié)合不僅可以提高成像的清晰度還可以提高診斷效率．例如，CT是根據(jù)人體不同組織對X射線的吸收和透過率不同而獲得被檢查部位的3D高分辨圖像的非侵入性分子成像技術(shù)；然而，由于CT和MRI成像不僅平面分辨率有限而且不適用于細胞水平的成像，而UCL成像卻具有極高的靈敏度和空間分辨率可以廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學研究領(lǐng)域的細胞和組織成像．因此，通過結(jié)合UCL，CT和MRI三種成像模式可以實現(xiàn)從細胞到活體超靈敏、多層面的分子成像．Liu等人［67］報道Gd2O3：Yb／Er的多功能探針可以在小動物體內(nèi)進行UCL，MRI和CT多模態(tài)成像來提供診斷，治療以及疾病的相關(guān)信息．Xia等人［68］制備了Gd配合物摻雜的NaLuF4上轉(zhuǎn)換納米顆?？梢栽谛游矬w內(nèi)進行UCL，MRI和CT多模態(tài)成像．比如Fe3O4＠NaLuF4：Yb／Er（Tm）和NaYF4：Yb／Er／Tm＠NaGdF4＠TaOx納米核殼結(jié)構(gòu)也同樣可以作為MRI，CT，UCL三模態(tài)成像的生物探針．李富友課題組制備了18F標記的NaYF4：Gd／Yb／Er納米顆粒［69］，該顆粒具有放射性，磁性和熒光性可以作為多功能的納米探針進行體外熒光成像和MRI／PET活體成像．而Os（II）復(fù)合體包裹的NaYF4：Yb／Tm納米復(fù)合物也已證明可以進行三模態(tài)成像［70］．

3疾病治療領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用

稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒也可以應(yīng)用到疾病治療領(lǐng)域中，比如可以作為載體來運輸小分子抗癌藥物和治療性多肽等物質(zhì)，也可以根據(jù)其成像性質(zhì)來實時、簡單、有效地追蹤藥物輸送路徑并了解藥物釋放的效率．下文主要介紹稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒在作為藥物和基因載體方面的發(fā)展現(xiàn)狀并總結(jié)稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒在光動力學治療和光熱治療的應(yīng)用．3．1藥物和基因輸送近年來，由于中空和介孔結(jié)構(gòu)有巨大的孔容量所以常用作理想的藥物載體．例如，趙宇亮課題小組［33］將布洛芬（IBU）包載到帶有介孔殼的Gd2O3：Yb／Er中空納米顆粒中．另外，Yb（OH）CO3＠Yb－PO4：Er和NaREF4：Yb／Er（RE＝Y(jié)b，Lu，Y）納米顆粒也可以通過包載藥物進行藥物釋放誘導(dǎo)癌細胞死亡［71，72］．核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4＠nSiO2＠m(xù)SiO2＠NaYF4：Yb／Er（Tm）［73］（mSiO2＝介孔硅），NaYF4：Yb／Er＠硅纖維［74］，NaYF4：Yb／Er＠nSiO2＠m(xù)SiO2［75］和Gd2O3：Er＠nSiO2＠m(xù)SiO2［76］等納米復(fù)合物也已證實可以作為藥物載體并且可控制藥物的釋放．但是，由于介孔硅層的厚度很難控制到10nm以內(nèi)，所以介孔二氧化硅包裹的上轉(zhuǎn)換納米顆粒由于介孔硅的包裹使得納米顆粒的尺寸增加．除了硅封裝，還可以利用藥物分子與上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面功能分子的相互作用來實現(xiàn)藥物運輸，該方法可以避免增加納米顆粒的尺寸．Wang等人［77］合成了多色光譜的上轉(zhuǎn)換納米顆粒，并通過靜電吸附作用利用PEG化的上轉(zhuǎn)換納米顆粒實現(xiàn)抗癌藥物阿霉素（DOX）的包載與釋放的行為研究．首先將PEG與葉酸（FA）共價交聯(lián)形成新的化合物，然后表面修飾到油酸包裹的上轉(zhuǎn)換顆粒表面，這種顆粒能夠?qū)θ~酸受體有靶向效果，并進行了KB細胞與HeLa細胞對比，研究發(fā)現(xiàn)FA－PEG－UCNPs能夠很快進入KB細胞而不能在相同的時間內(nèi)進入HeLa細胞．值得注意的是，DOX在低的pH值條件下，具有更好水溶性，低pH值條件加速了DOX中－NH2基團的質(zhì)子化，從而導(dǎo)致釋放出更多的DOX分子．根據(jù)pH值進行藥物釋放的納米復(fù)合顆粒對臨床癌癥治療是具有實際意義的，因為腫瘤的細胞外組織、細胞內(nèi)的溶酶體和核內(nèi)體的微環(huán)境均是酸性的．通過利用稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒近紅外激發(fā)紫外光發(fā)射的性質(zhì)來控制包裹藥物的籠狀化合物進行藥物釋放和基因表達，避免了直接使用紫外光照射的組織穿透能力低和光毒性的缺點．目前，這種近紅外激發(fā)紫外光發(fā)射的上轉(zhuǎn)換納米顆粒在智能藥物領(lǐng)域的研究得到發(fā)展．Zhang課題組［78］通過包裹可光解的質(zhì)粒DNA／siRNA分子到介孔氧化硅包覆的NaYF4：Yb／Tm上轉(zhuǎn)換納米顆粒的多孔硅中，該方法不僅提高了生物相容性且增加了載藥能力．在近紅外光激發(fā)下，上轉(zhuǎn)換納米顆粒發(fā)射紫外光刺激質(zhì)粒DNA或者siRNA進行基因表達調(diào)控或者基因下調(diào)．Yang等人［79］首次證明通過共價鍵將陽離子可光解連接器與硅包覆的上轉(zhuǎn)換納米顆粒連接起來，在980nm激光輻射下，上轉(zhuǎn)換的紫外光可以使光敏連接器分開，因此可以有效地釋放siRNA并控制其在活體細胞中靶基因的表達．同時，這一方法可以應(yīng)用于其他的籠狀化合物比如說NO［80］，羧酸［81］，二硝基苯［33］和熒光素［82］．另外可光解藥物釋放系統(tǒng)也可以應(yīng)用于基于上轉(zhuǎn)換納米顆粒的其他光響應(yīng)系統(tǒng)，例如，Yan等人［83］通過使用光敏水凝膠包裹的上轉(zhuǎn)換納米顆粒在近紅外光激發(fā)發(fā)射紫外光的情況下可以引發(fā)溶膠－凝膠轉(zhuǎn)變并且可以釋放大的、無活性的生物大分子（比如說蛋白質(zhì)）到溶液系統(tǒng)中．Liu等人［84］報道了基于偶氮苯基團（azo）修飾介孔氧化硅包裹的NaYF4：Yb／Tm＠NaYF4上轉(zhuǎn)換納米顆粒在近紅外光激發(fā)下，發(fā)射的紫外光可以引發(fā)偶氮分子從反式異構(gòu)體轉(zhuǎn)換到順時異構(gòu)體，以一種可控的反式異構(gòu)體來引發(fā)藥物釋放．3．2光動力治療光動力治療（photodynamictherapy，PDT）采用光激活化學物質(zhì)（光敏劑），從而產(chǎn)生單線態(tài)氧（1O2），最終導(dǎo)致癌細胞死亡．用于激活光敏劑的激發(fā)光通常在可見－近紅外波段，由于其穿透能力有限，所以將光敏劑包裹到上轉(zhuǎn)換納米顆粒上來提高其組織穿透能力．當納米微粒被980nm的近紅外光激發(fā)時發(fā)出可見光然后可見光激發(fā)光敏劑釋放1O2最后殺死癌細胞．Chen等人將光敏劑亞甲基藍（MB）附著到表面包裹有二氧化硅的NaYF4：Er／Yb／Gd上轉(zhuǎn)換納米顆粒上，發(fā)現(xiàn)了顯著的紅光猝滅現(xiàn)象［85］．Zhang課題組將光敏劑酞菁鋅（ZnPc）包裹到NaYF4：Yb／Er－PEI上轉(zhuǎn)換納米顆?；蛘逳aYF4：Yb／Er＠m(xù)SiO2上轉(zhuǎn)換納米顆粒［17，86，87］，由于ZnPc的吸收峰（～670nm）與NaYF4：Yb／Er納米顆粒的紅色發(fā)射峰相重疊，所以在近紅外光的照射下ZnPc產(chǎn)生了大量的1O2殺死癌細胞，增加了癌癥的治療效果．之后，Idris等人制備了與兩種不同光敏劑即ZnPc和MC540（部花青540）吸收波長相匹配的上轉(zhuǎn)換納米材料，從而實現(xiàn)利用單一波長光源同時激發(fā)兩種光敏劑的治療方法［34］，與單一負載的光敏劑相比，UCNs－ZnPc－MC540產(chǎn)生了大量的單線態(tài)氧并且減慢了荷瘤小鼠的腫瘤生長速率．另外，為了提高藥物的靶向能力，將具有靶向作用的葉酸和抗體連接到上轉(zhuǎn)換納米顆粒上，使其既可以進行靶向光動力學治療又擁有了更多的抗腫瘤效應(yīng)［17，37，86］．劉莊課題組報道了通過非共價鍵修飾的方式將Ce6光敏劑裝載到NaYF4：Yb／Er＠PEG上轉(zhuǎn)換納米顆粒上［77，88］，構(gòu)建了治療和成像雙功能的上轉(zhuǎn)換納米材料，通過構(gòu)建4T1乳腺腫瘤Balb／c鼠動物模型，以瘤內(nèi)注射的方式將UCNP－Ce6給藥到瘤內(nèi)，再經(jīng)過980nm的激光照射，首次實現(xiàn)了利用基于上轉(zhuǎn)換納米粒子的光動力治療在生物體應(yīng)用，形成的光動力學治療納米復(fù)合物顯示了更深的組織穿透深度并且提高了體內(nèi)腫瘤的抑制效果．其他的光敏劑分子，包括MC540［37］，四苯基卟啉（TPP）［89］和（4－羧基苯基）卟吩（TCPP）［77］也可以包裹到NaYF4：Yb／Er用做光動力學治療藥物．另外，將NaYF4：Yb／Er＠NaGdF4或者NaYF4：Yb／Er／Gd應(yīng)用于能量轉(zhuǎn)換材料，可以實現(xiàn)MRI／UCL成像和光動力學療法相結(jié)合［85，90］．3．3光熱治療光熱療法（photothermaltherapy，PTT）是通過激光照射（近紅外光）改變癌細胞所處的環(huán)境，將光能轉(zhuǎn)換為熱能，達到一定溫度，可以誘發(fā)細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的變性，破壞細胞膜，導(dǎo)致癌細胞的熱消融．與化學療法和外科手術(shù)相比較，PTT具有更少的侵入性，因此在癌癥治療中吸引了人們更多的關(guān)注．劉莊課題組制備了NaYF4：Yb／Er＠Fe3O4＠Au－PEG多功能納米顆粒不僅可以用于MRI／UCL來進行成像還可以進行具有磁性的靶向光熱癌癥治［61］．在動物實驗中，通過靜脈注射NaYF4：Yb／Er＠Fe3O4＠Au－PEG納米顆粒到荷瘤小鼠體內(nèi)，不僅腫瘤成像信號加強而且當使用808nm近紅外光照射腫瘤時可以使腫瘤細胞熱消融．另外，Dong等人將合成的NaYF4：Yb／Er＠Ag納米顆粒與HepG2細胞一起培養(yǎng)［91］，在980nm近紅外光下照射8～20min中，HepG2細胞的存活率從65．05％下降至4．62％，顯示出光熱治療方法的療效．

篇（2）

2微成形研究現(xiàn)狀

微成形的工藝可以分為體積微成形和薄板微成形兩種。體積微成形的加工工藝主要有微壓縮、微鍛造、微鑄造等;薄板微成形工藝主要有微拉深、微彎曲、微沖裁等。隨著微成形技術(shù)的發(fā)展，工件尺寸越來越微小，而在加工過程中，會由于工件尺寸的變小，得到的實驗結(jié)果與宏觀理論恰恰相反，許多宏觀上得到應(yīng)用的理論，不能簡單地縮放就應(yīng)用在微成形上［23—24］，對于微成形中的尺寸效應(yīng)，需要得出全面的實驗結(jié)論和微觀可用的理論［25］。MichaelD．Uchic等人利用微壓縮實驗和模擬以位錯為基礎(chǔ)的變形過程進行了深入的研究［26］，清楚地證明了尺寸的變化對于材料性能的影響，如晶粒的受力變形或產(chǎn)生應(yīng)變梯度等，并也發(fā)現(xiàn)了小尺寸樣品會產(chǎn)生應(yīng)變突變，這對于理解位錯自由組合消耗能量具有新的理解意義，并可以推動尺寸變形理論的產(chǎn)生。美國的Mara等人利用微壓縮測試Cu/Nb納米層狀復(fù)合材料的機械力學性能，其微柱的壓縮形變在相對于圓柱軸和壓縮方向的45°方向被觀察到，剪切帶也是顯而易見地被發(fā)現(xiàn)，且出現(xiàn)了比較大的塑性變形和相對于壓縮軸的旋轉(zhuǎn)［27］。H．Justinger等人利用8mm到1mm直徑的沖頭對不同的晶粒尺寸和箔材的厚度比的材料進行了微拉深試驗，觀察到?jīng)_頭的力出現(xiàn)了明顯的變化，同時改變粗糙度會顯著影響杯型的幾何形狀［28］。建立了一個不同數(shù)量晶粒的單位體積的立方體基本模型，可以在下一個微成形過程中估計單一晶粒的可能取向，并解釋了不同影響條件在微拉深中壓縮和拉伸過程的流變應(yīng)力變化的原因。日本的K．Manabe等人成功地利用微拉深工藝將20μm厚的鋁箔制造成直徑為500μm的微杯，并對杯子的幾何形狀、厚度應(yīng)變分布以及表面粗糙度進行了測定［29］。研究表明，降低表面粗糙度更有益于微拉深的成形，表面粗糙度的增大不僅影響表面質(zhì)量，還對成形極限產(chǎn)生影響，材料表面的光滑和拉深沖頭的光滑，仍然是研究的重點方向。中國臺灣學者Cho-PeiJiang和Chang-ChengChen，利用V型彎曲測試系統(tǒng)研究了板材的晶粒尺寸效應(yīng)與彎曲板材厚度之間的關(guān)系，平均晶粒尺寸為25～370μm，板材厚度為100～1000μm，T/D為1～30，結(jié)果表明當平均晶粒尺寸恒定時，屈服強度和最大沖壓力隨著T/D的減小而降低，而隨著T/D的增大，回彈量變小;當板材厚度一定時，平均晶粒尺寸變化的回彈現(xiàn)象類似于宏觀尺寸的板材V型彎曲試驗結(jié)果［30］。

3實驗研究與討論

3．1電沉積過程影響因素研究

3．1．1電流密度變化Ni-Co/GO復(fù)合材料電沉積過程中，不同電流密度(1．1，1．4，1．7，2．0，2．3，2．6A/dm2)的常溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖如圖1所示，總體的變化趨勢是隨著電流密度的增大，應(yīng)變出現(xiàn)先增大后減小的狀態(tài)，應(yīng)力在1．1A/dm2時較小，為721MPa，在2．0A/dm2時達到最大，為1260MPa，其余的電流密度對應(yīng)的應(yīng)力大小較接近，在870～930MPa之間變化。不同電流密度的高溫拉伸真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖如圖2所示，圖中右上角的曲線圖為不同電流密度與延伸率的關(guān)系圖。隨著電流密度的增大，延伸率出現(xiàn)先增大后減小的情況，在電流密度為2．0A/dm2時產(chǎn)生的延伸率最大，達到535．8%。較高的電流密度可以得到較高的過電勢，產(chǎn)生較大的成核速率，形成較多的晶核數(shù)，從而使得晶粒細化，因此隨著電流密度的提高，復(fù)合材料的晶粒尺寸減小，能夠有效地提高材料的常溫和高溫拉伸性能。當電流密度過高時，在一個脈沖周期的導(dǎo)通時間內(nèi)會快速沉積，因為受到電鍍液中擴散速率的影響，導(dǎo)致達到下一個脈沖周期時陰極表面的金屬離子較少，對沉積速率及沉積得到的復(fù)合材料的性能產(chǎn)生較大的影響。

3．1．2pH值變化圖3是鍍液中不同pH值制備的復(fù)合材料常溫拉伸的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，pH值依次為2，3，4，5．5。在工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖中可以看到，隨著pH值的增加，應(yīng)力、應(yīng)變隨之增加，在pH值為2時應(yīng)力最小，為773MPa，當pH值為5．5時，應(yīng)力達到1260MPa。當pH值較低時，雖然能夠提高陰極電流密度的范圍，增大了沉積速率，但會導(dǎo)致陰極析氫增加，從而導(dǎo)致內(nèi)部和外部出現(xiàn)氣孔，降低復(fù)合材料的力學性能。而過高的pH值會使鍍層的脆性增加，也不利于力學性能的提高。

3．2單向拉伸試驗研究

3．2．1應(yīng)變速率變化研究圖4為常溫條件下應(yīng)變速率變化的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。當應(yīng)變速率為1．68×10－2和1．68×10－3時，應(yīng)力約為630MPa，應(yīng)變約為0．41;當應(yīng)變速率為1．68×10－4時，應(yīng)力和應(yīng)變都出現(xiàn)明顯增加，應(yīng)力可以達到1245MPa，應(yīng)變約為0．69;而當應(yīng)變速率為1．68×10－5時，應(yīng)力出現(xiàn)非常明顯的減小，降到937MPa，應(yīng)變變化較小，約為0．67。出現(xiàn)這個現(xiàn)象主要是因為，復(fù)合材料中由于存在一些空隙和位錯，當應(yīng)變速率較大時，位錯來不及滑移，其他晶粒也來不及補充到空隙位置，導(dǎo)致在位錯或空隙位置出現(xiàn)斷裂，從而得不到較好的力學性能;隨著應(yīng)變速率變小，晶?？梢蕴畛淇障段恢茫诲e也出現(xiàn)滑移等，有效地增加復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變等力學性能;而當應(yīng)變速率繼續(xù)減小，填充的量增加，滑移也比較明顯，出現(xiàn)了應(yīng)變增大但應(yīng)力增加較小的現(xiàn)象。

3．2．2復(fù)合材料的厚度變化研究圖5是復(fù)合材料不同厚度的常溫拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。從圖中可以看出，隨著復(fù)合材料的厚度的增加，材料應(yīng)變隨之增大，這主要是因為復(fù)合材料中有效的被拉伸晶粒增多，在同樣存在位錯和空隙的情況下，會一直存在晶粒被拉應(yīng)力的作用，不會因為空隙導(dǎo)致突然斷裂，從而導(dǎo)致應(yīng)變增大。當復(fù)合材料較薄時，應(yīng)力會稍小一些，這主要是因為試樣薄，位錯和間隙存在的情況下，會出現(xiàn)某部位突然斷裂，從而影響材料的應(yīng)力，而當復(fù)合材料厚度增加后，會因為存在較多晶粒，從而增加材料的應(yīng)力。

3．2．3試樣寬度變化研究圖6是不同寬度試樣的常溫拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。由圖6可以看出，隨著試樣寬度的增加，應(yīng)變也隨之增加。當試樣寬度增加時，復(fù)合材料中有效的被拉伸晶粒增多，在同樣存在位錯和空隙的情況下，會存在有效的拉應(yīng)力作用在不同的晶粒上，導(dǎo)致應(yīng)變增大;同時不同的試樣寬度，拉應(yīng)力基本相同，這是因為雖然試樣的寬度不同，但是作用在每個晶粒上的力基本相同，拉應(yīng)力變化不大。

3．3微半球體高溫氣體脹形圖7是電沉積液中GO不同加入量時的高溫氣體脹形得到的微半球體，圖7a—c的GO的添加量依次為0．01，0．03，0．05g/L。所得到的高溫脹形件的高度依次為2．5，2．7，3．0mm，模具的孔半徑為2．5mm，因此，H/r依次為1，1．08，1．2。這與高溫拉伸的數(shù)據(jù)符合，都實現(xiàn)了高溫超塑性。圖8為脹形件厚度分布圖。微半球自底端至頂端，厚度逐漸變薄。厚向應(yīng)變不均勻，這主要是脹形件在不同位置應(yīng)力狀態(tài)差異造成的。脹形件的頂端為等軸應(yīng)力狀態(tài)，而靠近底端的部分，由于模具夾持作用，限制了板材沿圓周方向變形，因此這個位置的應(yīng)力狀態(tài)為平面應(yīng)變狀態(tài)。由于局部應(yīng)力的差異導(dǎo)致不同位置具有不一樣的應(yīng)變速率，最后造成零件不同位置厚度的差別。在頂端區(qū)域由于有較大的應(yīng)變速率，造成了顯著的變薄效應(yīng)。圖9為脹形件脹破斷口的SEM圖。斷口的晶粒粒徑比較均勻，為1～2μm，在圖9中發(fā)現(xiàn)存在GO，且存在GO的位置的晶粒較其他部分的晶粒稍小一些，說明GO的加入可以提高材料的熱穩(wěn)定性，抑制金屬晶粒在高溫下的長大，但加入量比較少，對材料晶粒長大的抑制作用較小。在脹破斷口很難尋找到GO的存在，是因為在高溫下，GO出現(xiàn)了揮發(fā)，且由于GO的厚度比較小，在產(chǎn)生揮發(fā)后很難在SEM下發(fā)現(xiàn)。

篇（3）

1．1．1以原核細胞為模板制備納米材料細菌和放線菌被廣泛應(yīng)用于金屬納米顆粒的合成，其中一個原因就是它們相對易于操作。最早著手研究的Jha等［2］用乳酸桿菌引導(dǎo)在室溫下合成了尺寸為8～35nm的TiO2納米粒子，并提出了與反應(yīng)相關(guān)的機理。隨著納米材料的生物合成的逐漸發(fā)展，現(xiàn)在已成功合成了以不同菌為模板的不同形貌的納米材料。Klaus等［3］在假單胞菌（Pseudomonasstutzeri）的細胞不同結(jié)合位點處制備并發(fā)現(xiàn)了三角形，六邊形和類球形的Ag納米粒子，其粒徑達200nm。Ahmad等［4］從一種昆蟲體內(nèi)提取了比基尼鏈霉菌（Streptomycesbikiniensis），并以此制備出3～70nm的球形Ag納米顆粒。Nomura等［5］以大腸桿菌為模板成功制備出平均孔徑為2．5nm的桿狀中空SiO2，其比表面積達68．4m2／g。

1．1．2以真核細胞為模板制備納米材料真核細胞相比較原核細胞種類更為廣泛，培養(yǎng)更為方便，所以以此為模板的生物合成的研究更多。最簡單的單細胞真核生物小球藻可以富集各種重金屬，例如鈾、銅、鎳等［6］。Fayaz等［7］以真菌木霉菌（Trichodermaviride）為模板在27℃下合成了粒徑為5～40nm的Ag納米粒子，并且發(fā)現(xiàn)青霉素，卡那霉素和紅霉素等的抗菌性在加入該Ag納米粒子后明顯提高。Lin等［8］發(fā)現(xiàn)HAuCl4中金離子在畢赤酵母（Pichiapastoris）表面先發(fā)生了生物吸附然后進行生物還原，從而得到Au納米粒子。研究發(fā)現(xiàn)金離子被酵母菌表面的氨基、羥基和其它官能團首先還原成一價金離子，并進一步被還原成Au納米顆粒。Mishra等［9］以高里假絲酵母（Candidaguilliermondii）為模板合成了面心立方結(jié)構(gòu)的Au和Ag納米粒子，兩種納米粒子對金黃色葡萄球菌有很高的抗菌性，但所做的對比試驗表明化學方法合成的兩種粒子對致病菌均不具有抗菌性。Zhang等［10］則以酵母菌為模板合成了形貌均一Co3O4修飾的ZnO中空結(jié)構(gòu)微球。尖孢鐮刀菌（Fusariu－moxysporum）［11］可以在其自身表面將米糠的無定型硅生物轉(zhuǎn)化成結(jié)晶SiO2，形成2～6nm的準球形結(jié)構(gòu)。

1．2以多細胞生物體為模板制備納米材料雖然以單細胞為模板制備的納米粒子的單分散性較好，但是要涉及到生物體復(fù)雜的培養(yǎng)過程及后續(xù)處理，而以多細胞生物體為模板的制備方法就顯得更加方便簡捷。

1．2．1以多細胞植物體為模板制備納米材料地球上的植物種類很多，以其為模板的納米材料的生物合成也就多種多樣。多數(shù)情況下是將植物體培養(yǎng)在含有金屬離子的溶液中，然后將植物體除去便可得到復(fù)制了植物體微結(jié)構(gòu)的納米材料。Rostami等［12］將油菜和苜蓿的種子培養(yǎng)在含有Au3＋的溶液中，將金離子變成納米Au粒子，其大小分別是20～128nm和8～48nm。Dwivedi等［13］以藜草（Chenopodiumalbum）為模板分別制備出平均粒徑為12nm和10nm的Ag和Au納米晶體，并認為藜草中天然的草酸對于生物還原起著重要作用。Cyganiuk等［14］以蒿柳（Salixviminalis）和金屬鹽為原料制備出碳基混合材料LaMnO3。將蒿柳培植在含有金屬鹽的溶液中，金屬鹽離子順著植物組織進行傳輸，進而滲透其中。然后將木質(zhì)素豐富的植物體部位在600～800℃范圍進行煅燒碳化，得到的產(chǎn)物對正丁醇轉(zhuǎn)化成4－庚酮有很好的催化效果。黃保軍等［15］以定性濾紙通過浸漬和煅燒等一系列過程仿生合成了微納米結(jié)構(gòu)的Fe2O3，并且對其形成機理進行了初步探討。Cai等［16］以發(fā)芽的大豆為模板，制備出室溫下便有超順磁性的Fe3O4納米粒子，其平均粒徑僅為8nm。王盟盟等［17］以山茶花花瓣為模板通過浸漬煅燒制備出CeO2分層介孔納米片，并且在可見光波段有很好的催化活性。

1．2．2以多細胞動物體為模板制備納米材料以多細胞動物體為模板的納米材料的制備比較少，其中以Anshup等［18］的研究較為突出。他們分別試驗了人體的癌變宮頸上皮細胞、神經(jīng)細胞和未癌變正常的人類胚胎腎細胞。這些人體細胞在模擬人體環(huán)境的試管中進行培養(yǎng)，培養(yǎng)液中含有1mmol／L的HAuCl4。最終得到20～100nm的Au納米顆粒。細胞核和細胞質(zhì)中都有Au納米粒子沉積，并且發(fā)現(xiàn)細胞核周圍的Au粒子粒徑比細胞質(zhì)中的小。

2以生物體提取物或組成成分中的有效成分制備納米材料

生物體中含有很多還原穩(wěn)定性成分，如果將這些成分提取出來，就可以脫離生物體原有形貌的束縛，得到綠色無污染的生物還原劑，進而以其制備納米材料。很多糖類，維生素，纖維素等生物組成成分也被證實有很好的生物還原穩(wěn)定作用，這就使得納米材料的綠色生物合成更加方便快捷。

2．1以微生物提取物為有效成分制備納米材料以微生物的提取物為活性成分制備的納米材料多數(shù)是納米Ag和納米Au，而且這兩種粒子具有殺菌的效果。而以微生物提取物制備的納米材料粒徑更小，并且普遍也比一般化學方法合成的粒子有更好的殺菌效果［9］。Gholami－Shabani等［19］從尖孢鐮刀菌（Fusariumoxysporum）中提取了硝酸鹽還原酶，并用其還原得到平均粒徑為50nm的球形納米Ag顆粒，并且對人類的病原菌和細菌有很好的抗菌效果。Wei等［20］和Velmurugan等［21］分別用酵母菌和枯草桿菌提取液成功合成了不同粒徑及形貌的納米Ag顆粒。提取物中的還原性酶是促進反應(yīng)進行的重要成分。Inbakandan等［22］將海洋生物海綿中提取物與HAuCl4反應(yīng)制備得到粒徑為7～20nm的納米Au顆粒，主要得益于其中的水溶性有機還原性物質(zhì)。Song等［23］則從嗜熱古菌（hyperther－mophilicarchaeon）中提取出高耐熱型騰沖硫化紡錘形病毒1（Sulfolobustengchongensisspindle－shapedvirus1）的病毒蛋白質(zhì)外殼。并且發(fā)現(xiàn)實驗條件下在沒有遺傳物質(zhì)時其蛋白質(zhì)外殼仍可自組裝成輪狀納米結(jié)構(gòu)。與TiO2納米粒子呈現(xiàn)出很好的親和能力，在納米材料的生物合成中將有廣闊的應(yīng)用前景。

2．2以植物提取物為有效成分制備納米材料生物提取物制備納米材料的研究最多的是針對植物提取物的利用，因為地球上植物種類眾多，為納米材料的生物合成提供了眾多可能性。Ahmed等［24］以海蓮子植物（Salicorniabrachiata）提取液還原制得Au納米顆粒，其粒徑為22～35nm。制備出的樣品對致病菌有很大的抗菌性，而且能催化硼氫化鈉還原4－硝基苯酚為4－氨基苯酚，也可催化亞甲基藍轉(zhuǎn)化成無色亞甲藍。Velmurugan等［25］和Kulkarni［26］分別用腰果果殼提取液和甘蔗汁成功制備出納米Ag和納米Ag／AgCl復(fù)合顆粒，其均有很好的殺菌效果。Sivaraj等［27］用一種藥用植物葉子（Tabernaemontana）的提取液制備了對尿路病原體大腸桿菌有抑制作用的球形CuO納米顆粒，其平均粒徑為48nm。

2．3以生物組成成分為有效成分制備納米材料碳水化合物是生物體中最豐富的有機化合物，分為單糖、淀粉、纖維素等。其獨特的結(jié)構(gòu)和成分可以用來合成各種結(jié)構(gòu)的納米材料。Panacek等［28］測試了兩種單糖（葡萄糖和半乳糖）和兩種二糖（麥芽糖和乳糖）對［Ag（NH3）2］＋的還原效果，其中由麥芽糖還原制備的納米Ag顆粒的平均粒徑為25nm，并且對包括耐各種抗生素的金黃葡萄球菌在內(nèi)的革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌有很好的抑制作用。Gao等［29］和Abdel－Halim等［30］分別用淀粉和纖維素還原硝酸銀制得了不同粒徑的Ag納米粒子，對一些菌體同樣有很好的抗菌性。維生素是人體不可缺少的成分，在人類機體的新陳代謝過程中發(fā)揮著重要作用，是很好的穩(wěn)定劑和還原劑。Hui等［31］用維生素C還原制備了Ag納米顆粒修飾的氧化石墨烯復(fù)合材料，將加有維生素C的AgNO3和氧化石墨烯溶液進行超聲反應(yīng)，得到的Ag納米顆粒平均粒徑為15nm，并附著在氧化石墨烯納米片表面。Nadagouda等［32］用維生素B2為還原活性成分室溫下合成了不同形貌（納米球、納米線、納米棒）的納米Pd。并且發(fā)現(xiàn)在不同的溶劑中制備的納米材料的形貌和大小不同。

3以病毒為模板制備納米材料

病毒本身沒有生物活性，可以寄宿于其它宿主細胞進行自我復(fù)制，其實際上是一段有保護性外殼的DNA或RN段，大小通常處于20～450nm之間，其納米級的大小使得以其為模板更易于制備出納米材料。Shenton等［33］以煙草花葉病毒為模板制備了Fe3O4納米管。因為煙草花葉病毒是由呈螺旋形排列的蛋白質(zhì)單元構(gòu)成，內(nèi)部形成中空管。以此為模板制備出來的Fe3O4也復(fù)制了這一結(jié)構(gòu)特點而呈現(xiàn)管狀結(jié)構(gòu)。由于煙草花葉病毒的尺寸小但穩(wěn)定性高，使得它被頻頻用來作為納米材料生物合成的骨架［34－36］。Dang等［37］則以轉(zhuǎn)基因M13病毒為模板制備了單壁碳納米管－TiO2晶體核殼復(fù)合納米材料。實驗發(fā)現(xiàn)以此為光陽極的染料敏化太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率達10．6％。

篇（4）

1.1表面兩親性在水/油混合體系中，具有表面兩親性質(zhì)的固體納米粒子可以在兩相表面形成一層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的單分子層以阻止乳化液滴的聚并。由于非對稱粒子兩面不同的結(jié)構(gòu)特點，因而對其表面活性的研究也曾一度引起廣泛的研究熱潮。Binks等對比研究了均質(zhì)粒子和非對稱粒子在油/水界面上的吸附性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，非對稱粒子可使Pickering乳液的穩(wěn)定性大大增高。相對于僅產(chǎn)生均一表面濕潤性的粒子，非對稱粒子是具有兩面不同濕潤性表面的新型粒子，并且也由此具備了典型的Pickering效應(yīng)和傳統(tǒng)表面活性劑的兩親性質(zhì)［4］。為進一步探究非對稱粒子的兩親性，Glaser等運用啞鈴狀A(yù)u-Fe3O4納米粒子在水相中乳化正己烷，并深入闡明了非對稱粒子的兩親性。實驗通過配位體交換在Au的部分修飾正十二硫醇(DDT)和十八硫醇(ODT)以增加Au部分的疏水性，從而在整體上提高了粒子的兩親性質(zhì)。由于具有兩親性的非對稱粒子在界面上可通過自組裝以降低界面張力，從而增強乳濁液的穩(wěn)定性，因此在乳液體系中碳氫化合物配體修飾的Au部分因其非極性而朝向正己烷相，同時，極性分子Fe3O4則浸入水相中。實驗證明，相對于相同粒徑和化學組成的均質(zhì)粒子，非對稱粒子具有更好的界面活性，并且其界面活性隨著粒子兩親性的增強而增強。最近一項研究表明，不同類型固體納米粒子在穩(wěn)定癸烷和水乳化液時，非對稱納米粒子表現(xiàn)了相對于均質(zhì)粒子更強的穩(wěn)定性，因此可以更有效地抑制分散相的聚并。通過觀察納米粒子對兩相液滴的乳化作用，F(xiàn)an等［6］通過動力學模型從機制的角度詳細比較了非對稱納米粒子和均質(zhì)納米粒子在穩(wěn)定Pickering乳液時的區(qū)別。結(jié)果表明，兩相界面上粒子的密度是穩(wěn)定Pickering乳液最關(guān)鍵的因素。當密度足夠大時，三相接觸角可以作為區(qū)分粒子是否有效地穩(wěn)定乳化液的一種量度。當以相同的密度和接觸角時，非對稱納米粒子在穩(wěn)定乳化液時表現(xiàn)出較均質(zhì)納米粒子更加有效。在生物質(zhì)精煉過程中，初產(chǎn)品的不相溶性和熱不穩(wěn)定性大大增加了純化過程的復(fù)雜度，從而導(dǎo)致得率降低，因此，一種既能夠在兩相界面上穩(wěn)定存在又同時具備催化性的材料應(yīng)運而生。非對稱納米材料因其良好的兩親性可以有效穩(wěn)定水/油乳液，當在其表面修飾催化劑時，這種材料便可以在兩相界面上進行催化反應(yīng)，從而有效完成非均相的有機合成反應(yīng)，提高生物質(zhì)精煉的效率［7］。近年的研究表明，非對稱納米材料憑借優(yōu)越的表面活性，其多種應(yīng)用潛能已被開發(fā)，如表面穩(wěn)定劑、增容劑以及防水紡織品等。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了在反應(yīng)性共混體系中增容兩種組分，通常需要使用嵌段共聚物作為增容劑，但由于大多數(shù)的嵌段共聚物不能吸附在界面上，并且在高剪切擠壓過程中容易丟失，因此很大程度上增加了共混聚合物的成本。然而，非對稱粒子因其表面雙親性質(zhì)有效避免了嵌段共聚物的缺點，因此可以代替嵌段共聚物成為一種新型增容劑。經(jīng)相關(guān)實驗證明，非對稱粒子在聚合物共混體系中具有更高的增容效率［8］。Synytska等［9］還巧妙地利用了非對稱粒子的雙親性將其化學性修飾到纖維表面，從而開發(fā)出新型的防水紡織品。

1.2催化特性近些年，科學家對于催化劑分子與納米粒子的結(jié)合研究已獲得一些進展，如納米驅(qū)動器、感應(yīng)器、納米泵以及自動裝置的問世。相應(yīng)復(fù)合材料的性質(zhì)及應(yīng)用也受到廣泛關(guān)注。研究人員發(fā)現(xiàn)，在氧化物載體上修飾金屬所形成的復(fù)合納米材料，相較于未修飾之前的單一組分納米材料具有更強的催化活性，并且這種復(fù)合粒子的催化性能還會因發(fā)生在金屬與氧化物接觸面上的協(xié)同效應(yīng)而增強。Wang等［10］用貴金屬和金屬氧化物制備出啞鈴狀的非對稱納米材料，并研究了該合成材料在氧化CO中的催化效率。結(jié)果表明，制備的Au-Fe3O4和Pt-Fe3O4非對稱粒子在氧化CO時表現(xiàn)了較單純的貴金屬材料(Au或Pt)更強的催化活性。類似地，在催化H2O2還原反應(yīng)時，Au-Fe3O4納米粒子也表現(xiàn)出很好的協(xié)同效應(yīng)，從而獲得增強的催化性能［11］。自1972年，由日本東京大學FujishimaA和HondaK兩位教授［45］首次報告發(fā)現(xiàn)TiO2單晶電極可以光催化分解水產(chǎn)生氫氣，從而開辟了光解制氫的研究道路。隨著材料學的發(fā)展，納米化光催化劑得以實現(xiàn)。由此誕生的納米TiO2粒子憑借其較高的光催化活性成為當前最有應(yīng)用潛力的一種光催化劑。但因其能帶限制，只有吸收波長小于387.5nm的紫外光才能產(chǎn)生光生電子和空穴以誘發(fā)光催化反應(yīng)，這在很大程度上限制了TiO2光催化技術(shù)的實際應(yīng)用。為拓展TiO2光能利用效率，充分利用太陽光中的可見光，國內(nèi)外學者圍繞TiO2改性做了大量研究［12］。由于貴金屬粒子在入射光電場作用下，其自由電子可產(chǎn)生集體振蕩，當入射光子頻率與貴金屬納米粒子傳導(dǎo)電子的整體振動頻率相匹配時，納米粒子會對光子能量產(chǎn)生很強的吸收作用，就會發(fā)生局域表面等離子體共振(localizedsurfaceplasmonresonance，LSPR)效應(yīng)。在Seh等［13］的研究中，制備的非對稱金-TiO2納米粒子可借助金的LSPR效應(yīng)有效促進TiO2光解制氫。根據(jù)實驗對比核殼結(jié)構(gòu)的金-TiO2納米粒子可知，非對稱的金-TiO2納米粒子作為優(yōu)良的光催化劑在等離子體增強的可見光光解制氫的應(yīng)用中表現(xiàn)了較好的催化效率。類似地，利用TiO2的光催化性質(zhì)，非對稱結(jié)構(gòu)的金-TiO2納米粒子還被應(yīng)用在光催化甲醇氧化生產(chǎn)甲醛的反應(yīng)中［14］。納米粒子可以通過將環(huán)境中的自由化學能轉(zhuǎn)化成機械能從而使其獲得自身動力。作為貴金屬之一的鉑是一種良好的金屬催化劑。它可以催化過氧化氫生成水和氧氣，因此制得的鉑-金非對稱金屬納米棒在過氧化氫水溶液中通過催化反應(yīng)可獲得自發(fā)動力。實驗顯示，在過氧化氫溶液中該納米棒可以30μm/s的速度進行軸向運動。在類似的實驗中，Ozin和他的同事［16］也觀察到鎳-金納米棒的旋轉(zhuǎn)運動。在對非對稱納米粒子的催化動力機制的研究中，Wang等［17］制備的修飾有過氧化氫酶的金-吡咯非對稱納米棒在H2O2溶液中也呈現(xiàn)出一定的運動現(xiàn)象。Howse等在前人的研究基礎(chǔ)上對非對稱粒子催化動力機制進行了深入探索，他們在聚苯乙烯微球的半面上包覆了鉑金屬材料，并利用鉑對過氧化氫的催化還原作用而使其獲得自發(fā)動力。實驗發(fā)現(xiàn)，在短時間內(nèi)，非對稱形態(tài)的粒子呈現(xiàn)出定向運動，且運動速率隨著環(huán)境中底物分子濃度的升高而增大。由此構(gòu)建的趨化系統(tǒng)也為非對稱納米粒子的實際應(yīng)用提供了新的方向。之后，在Sen和Chaturvedi等的進一步研究中發(fā)現(xiàn)，具有催化性的非對稱粒子在紫外線照射和H2O2的環(huán)境中還表現(xiàn)出一定的趨光性［19，20］。基于非對稱材料獨特的結(jié)構(gòu)特點和多種性質(zhì)的相輔相成，這種新型復(fù)合粒子為進一步的材料創(chuàng)新以及應(yīng)用開發(fā)都提供了良好的基礎(chǔ)和平臺。從近年的研究熱度和方向可見，具有催化性的非對稱納米粒子，在化學和生物領(lǐng)域都具有很大的應(yīng)用潛力。

1.3生物相容性基于亞細胞的尺寸大小，納米粒子被廣泛應(yīng)用于生物領(lǐng)域，如細胞標記和成像。當納米材料被應(yīng)用于生物體內(nèi)時，該材料或結(jié)合在細胞表面，或經(jīng)吞噬作用和巨胞飲作用內(nèi)化到細胞內(nèi)。研究表明，在納米粒子與細胞或胞外環(huán)境之間通常會產(chǎn)生一些生物效應(yīng)，這些生物效應(yīng)的發(fā)生主要由納米粒子的物理化學性質(zhì)(尺寸、形狀、表面性質(zhì))所決定，并由此產(chǎn)生生物相容性或其他生物效應(yīng)。為了使納米材料在生物體內(nèi)更好地發(fā)揮其預(yù)期作用，研究者們認為，良好的生物相容性是一個至關(guān)重要的前提條件。經(jīng)大量研究發(fā)現(xiàn)，SiO2、羥磷灰石(HAP)［23］、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)以合適的物理化學性質(zhì)修飾于材料表面時，可使材料引入官能基團從而獲得較高的生物相容性。因此，無論是對稱或非對稱納米材料，其表面如果修飾這些試劑，理論上都是可以獲得較好的生物相容性。在了解到聚丙烯酸和聚丙烯酰胺-丙烯酸在人體試驗中均表現(xiàn)了良好生物相容性后，Yoshida等創(chuàng)新性地將這兩種試劑利用化學反應(yīng)制成具有兩相性的非對稱納米膠體，并在兩部分材料中分別修飾了生物素和異硫氰酸熒光素，進而可將鏈霉親和素特異性結(jié)合在材料表面。經(jīng)進一步的細胞實驗表明，這種非對稱納米膠體在較寬的劑量范圍內(nèi)仍保持很好的生物相容性。在最近一項研究中，非對稱納米材料Au@MnO因同時具備磁性和光學性的雙功能而成為高通量檢測的研究重點。但是MnO因自身帶有一定的細胞毒性阻礙了其在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用。為了解決這一問題，科學家們將SiO2包覆在暴露的MnO部分，通過改變非對稱材料的表面修飾，從而使這一非對稱納米材料(Au@MnO@SiO2)在之后的細胞活力實驗中表現(xiàn)了較好的生物相容性，并降低了細胞毒性，從而擴展了其應(yīng)用范圍。

2基于非對稱納米材料的生物探針構(gòu)建及其應(yīng)用研究

作為多功能納米材料，非對稱納米粒子的大多數(shù)應(yīng)用都得益于它可調(diào)控的非對稱結(jié)構(gòu)和獨特的表面特性。隨著非對稱納米粒子制備方法的多樣化，其在各領(lǐng)域的應(yīng)用潛能被不斷開發(fā)，尤其在生物醫(yī)學領(lǐng)域。由于在非對納米粒子的兩部分獨立表面上可以分別修飾配體或蛋白質(zhì)等生物大分子，由此構(gòu)建的多功能生物探針已被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學研究和臨床診斷上，如生物傳感器和靶向藥物運載系統(tǒng)等。

2.1生物傳感由于非對稱納米粒子具有獨特的理化性質(zhì)，因此可經(jīng)多種修飾而獲得良好的生物傳感性能。具有精確生物傳感能力的納米探針對醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大意義。Wu等［28］制備的非對稱金-聚苯乙烯納米粒子就同時具備了細胞特異性靶標和生物傳感功能。由于修飾在聚苯乙烯半面上的抗HER-2抗體可以與BT474人乳腺癌細胞表面的HER-2受體特異性結(jié)合來靶標細胞，同時又通過對金半面的表面增強拉曼散射圖譜來傳感目標細胞，從而提高了癌細胞檢測的靈敏度。Villalonga等［29］運用非對稱納米粒子成功設(shè)計出一種尿素傳感系統(tǒng)。在這種非對稱納米粒子的金表面修飾上脲酶，同時在介孔硅材料表面包覆上一種pH感應(yīng)門控(pH-responsivegate)物質(zhì)，當這一生物探針在環(huán)境中遇到尿素時，金部分攜帶的脲酶就會專一性分解尿素，導(dǎo)致環(huán)境中pH值升高，進而打開pH感應(yīng)門控以實現(xiàn)傳感效應(yīng)。在哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，多巴胺是一個非常重要的神經(jīng)遞質(zhì)，因而對這種神經(jīng)遞質(zhì)的定量檢測也引起了研究人員濃厚的興趣。目前，利用多巴胺在電極上的電化學催化氧化作用進行的檢測最為普遍。但由于電極表面會因氧化產(chǎn)生污物以及來自抗壞血酸聯(lián)合氧化形成的干擾都對多巴胺的檢測效率構(gòu)成了一定的負面影響。最近的一項研究顯示，將非對稱金納米團簇修飾在玻璃碳電極上制得的多巴胺電化學傳感器在多項實驗中均表現(xiàn)了較高的催化活性從而有效降低了多巴胺檢測限。在多巴胺的電化學反應(yīng)中，非對稱納米團簇作為一種氧化還原介質(zhì)可有效促進團簇與玻璃碳電極間的電子轉(zhuǎn)移，以增強多巴胺的電化學催化氧化，從而提高了多巴胺的檢測靈敏度和效率［30］。類似的研究發(fā)現(xiàn)，為構(gòu)建一個生物識別-效應(yīng)系統(tǒng)，在非對稱金-介孔硅納米粒子的兩部分分別修飾上鏈霉親和素和辣根過氧化物酶(HRP)，當該探針特異性地結(jié)合在修飾了生物素的金電極上時，由于固定化的HRP在電化學反應(yīng)中可轉(zhuǎn)化環(huán)境中H2O2從而產(chǎn)生電分析信號，之后由循環(huán)伏安曲線來表征這一傳感效應(yīng)。多模態(tài)成像是生物醫(yī)學診療中的一項重要的傳感手段。通過標記生物熒光物質(zhì)或量子點的成像探針在細胞靶標和分子檢測中已廣泛應(yīng)用。得益于局部表面等離子體共振現(xiàn)象，貴金屬納米粒子以及包含貴金屬的復(fù)合納米顆粒具有優(yōu)良的光學性質(zhì)，因而可用于光學傳感［32］。Sotiriou等將Fe3O4/Ag非對稱粒子標記特異性抗體后，細胞實驗中暗場熒光測試結(jié)果表明，攝取Fe3O4/Ag粒子的Raji和Hela細胞顯示出較強的熒光信號，與未經(jīng)該材料處理的Raji和Hela細胞形成強烈的反差，說明Fe3O4/Ag非對稱粒子能夠很好地應(yīng)用于細胞標記和生物成像中。根據(jù)量子點的熒光性質(zhì)，Selvan等制備了表面包覆SiO2的Fe3O4/CdSe非對稱二聚體，之后將聚乙二醇(PEG)修飾在復(fù)合粒子表面，PEG的親油基團暴露在表面以便于細胞膜標記。將表面改性后的復(fù)合粒子用于活體細胞膜的特定標記，激光共聚焦掃描顯微鏡結(jié)果顯示，經(jīng)磁性粒子標記后小鼠乳腺癌細胞顯示出較好的熒光特性，從而證實了Fe3O4/CdSe粒子在體內(nèi)成像上的應(yīng)用。

2.2靶向運載非對稱復(fù)合納米粒子因其兩面性在藥物靶向輸送方面具有潛在應(yīng)用價值，有的已步入臨床研究階段，因此成為當今生物醫(yī)學中熱門的研究課題之一。眾所周知，含鉑化合物是一類常用的抗癌藥物。因其對腫瘤細胞識別力差而引起較大的毒副作用，多項研究已致力于將其載帶于具有靶向功能的納米材料上。在一項研究中，磁性介孔磷酸鈣納米材料表面可經(jīng)化學反應(yīng)修飾上—COOH，之后，研究者將含鉑化合物、—NH2化的靶向分子葉酸和熒光標記物羅丹明B分別經(jīng)化學交聯(lián)而結(jié)合在材料表面。經(jīng)細胞實驗表明，該靶向運載系統(tǒng)在Hela細胞中表現(xiàn)了較高的特異性和殺傷力，從而也驗證了傳統(tǒng)的對稱納米材料在靶向運載功能上的應(yīng)用可行性［36］。而以兩面性和多功能為主要特點的非對稱納米材料，在合適的設(shè)計下亦可作為靶向運載的工具。Sun等［37］利用Au-Fe3O4非對稱復(fù)合結(jié)構(gòu)的各向異性表面特性及多功能單元，設(shè)計了具有靶向輸送含鉑藥物的新型多功能載體。以共價鍵的形式將含鉑化合物的藥物和具有靶向作用的HER-2特異性抗體分別連接到復(fù)合結(jié)構(gòu)中的金顆粒和Fe3O4顆粒表面，通過對化學連接方式的設(shè)計使含鉑化合物在低pH值條件下釋放，從而可以一定程度上實現(xiàn)對癌細胞的選擇性殺傷。相較于單一性即傳統(tǒng)的對稱納米材料，非對稱的Au-Fe3O4材料本身就兼具了示蹤信息:磁性和光學性，因而無需標記其他示蹤物，從而簡化了修飾過程。此外其非對稱表面的生物修飾相對獨立，更有利于實現(xiàn)藥物分子的可控設(shè)計和監(jiān)控。類似地，在利用非對稱金-聚苯乙烯納米粒子特異性靶標并傳感人乳腺癌細胞時，Wu等也提到可以在聚苯乙烯表面通過疏水性吸附將藥物固定在功能載體上，以達到高效治療的目的。最近，Wang等［38］基于具有典型非對稱結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯-四氧化三鐵-氧化硅三元復(fù)合體系，在聚合物和氧化硅組分表面分別修飾上不同的化學基團，并且借由功能基團的選擇性分別連接上靶向分子葉酸和化療藥物DOX，從而制備了具有靶向和pH值敏感的控釋藥物載體(圖2)。細胞實驗結(jié)果證明該載體具有良好的腫瘤細胞靶向效果。Sahoo等運用傳統(tǒng)的對稱納米材料，也設(shè)計出一種以葉酸為靶向載帶藥物DOX的運載系統(tǒng)。其設(shè)計主要是以多功能的MnFe2O4納米粒子作為載體，通過SiO2包覆形成核殼復(fù)合體，后經(jīng)表面修飾和造孔劑作用使得這一載體表面具備官能基團和多孔性，葉酸分子可通過表面官能基團連接于載體上，而DOX則可載入表面多孔中。這一精良設(shè)計使得該運載系統(tǒng)獲得了較好的靶向運載效力。與這一DOX運載系統(tǒng)相比，雖然非對稱納米材料在靶向運載效力或是設(shè)計程序的復(fù)雜程度上并無明顯優(yōu)勢，但是Wang等的非對稱復(fù)合材料可因連接DOX的pH感應(yīng)門控而實現(xiàn)DOX的可控釋放。由此可見，非對稱納米粒子可以有效實現(xiàn)靶向基團和載帶藥物分步地附著于粒子表面，從而使得這種材料的表面生物修飾具有更好的獨立性和可控性。這種通過復(fù)合材料的兩個獨立表面及其表面基團來設(shè)計多功能納米診療系統(tǒng)的新思路，可以擴展到其他不同組分的非對稱復(fù)合材料體系，并可能用于其他生物醫(yī)學領(lǐng)域。作為靶向運載系統(tǒng)，非對稱納米材料還可以應(yīng)用在基因治療(genetherapy)方面。基因治療是指將外源正?；?qū)氚屑毎?，以糾正或補償缺陷基因，達到治療目的。Salem等在非對稱Au-Ni納米棒表面分別化學性修飾上靶向配體和DNA質(zhì)粒從而設(shè)計出一個靶向基因運載系統(tǒng)。修飾在Au表面的轉(zhuǎn)鐵蛋白作為靶向物質(zhì)可以有效捕捉到細胞，同時由于結(jié)合在Ni部分的質(zhì)粒DNA具有編碼熒光素蛋白酶和綠色熒光蛋白的基因，因此經(jīng)細胞轉(zhuǎn)染實驗后，激光共聚焦掃描顯微鏡的結(jié)果證明了靶向基因運載系統(tǒng)的有效性，從而為這種復(fù)合材料的進一步臨床應(yīng)用提供了實驗依據(jù)。

2.3基因疫苗基因疫苗指的是DNA疫苗，即將編碼外源性抗原的基因插入到含真核表達系統(tǒng)的質(zhì)粒上，然后將質(zhì)粒直接導(dǎo)入人或動物體內(nèi)，讓其在宿主細胞中表達抗原蛋白，誘導(dǎo)機體產(chǎn)生免疫應(yīng)答。一項研究表明，修飾有外源DNA的非對稱無機納米棒可作為一種基因瞬時表達的載體，當其導(dǎo)入細胞內(nèi)以后，外源DNA和宿主細胞染色體DNA不發(fā)生整合就可直接表達為抗原蛋白。與其他無機非病毒載體不同的是，這些納米棒可以在空間特定區(qū)域上修飾不同的功能基團，以提供精確控制的抗原［40］。因此，為進一步開發(fā)這種特殊材料的應(yīng)用潛能，相關(guān)研究應(yīng)首先證實這一新型疫苗載體可以在體內(nèi)發(fā)生強烈的免疫反應(yīng)。Salem等運用基因槍法將攜帶有模式抗原的非對稱Au-Ni納米棒導(dǎo)入小鼠體內(nèi)，結(jié)果觀察到很強的抗體反應(yīng)和CD8+T細胞反應(yīng)。由于免疫刺激佐劑效應(yīng)(immunostimulatoryadjuvanteffect)，修飾在納米棒Ni部分的pcDNA3可以增強結(jié)合在Au部分上抗原的免疫原性，從而有效增強了免疫應(yīng)答的強度［41］。這項研究也為非對稱納米材料在接種疫苗領(lǐng)域的進一步應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)。

2.4殺菌劑在臨床上，細菌感染是一項可引起較高死亡率并增加醫(yī)療成本的嚴重問題。然而隨著細菌抗藥性的發(fā)現(xiàn)和不斷增強，探索新型殺菌劑的開發(fā)和應(yīng)用成為研究熱點。Lee等［42］的研究表明，銀納米粒子對多種革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均表現(xiàn)了較強的殺菌效果，因而成為一種高效的新型抗菌劑。然而，銀納米粒子較強的團聚效應(yīng)、易氧化性和較高表面能等缺陷也限制了這種抗菌劑的實際應(yīng)用。之后，圍繞增強銀納米殺菌劑的穩(wěn)定性和殺菌力的研究進一步展開。其中，利用非對稱納米材料和銀納米粒子復(fù)合形成的抗菌劑表現(xiàn)了較好的殺菌效果。由Zhang等制備的Fe3O4-SiO2非對稱納米棒因其優(yōu)越的生物相容性而成為殺菌劑良好的修飾材料。Fe3O4-SiO2非對稱納米棒因結(jié)合了兩個部分材料的性質(zhì)而同時具備較強的磁性和溫和的表面修飾性能，因此由其與銀納米粒子結(jié)合形成的復(fù)合材料便成為一種可回收的高效殺菌劑。通過抑菌實驗發(fā)現(xiàn)，Ag@Fe3O4-SiO2對大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的最低抑菌濃度分別為0.90μg/mL和1.35μg/mL，明顯低于單一的銀納米粒子。之后的實驗進一步證實，修飾了銀納米粒子的非對稱納米棒作為一種新型殺菌劑，具有相對較好的分散性和穩(wěn)定性，更重要的是具備了更加有效且持久的殺菌力。

篇（5）

2納米粒子對適應(yīng)性免疫反應(yīng)的影響

關(guān)于納米材料對適應(yīng)性免疫反應(yīng)的影響的研究較少。Gustafsson等［13］報道，單劑量(5mg/kg)的TiO2納米粒子吸入后，DarkAgouti大鼠氣道中介導(dǎo)免疫反應(yīng)的是CD4+T細胞，早期的炎癥因子是T細胞分泌的IL-1α、IL-1β、IL-6、細胞因子誘導(dǎo)的中性粒細胞趨化因子1(CNIC-1)和粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)。Schanen等［14］用1．56μmol/L的TiO2納米粒子處理人臍靜脈內(nèi)皮細胞(humanumbilicalveinendothelialcells，HUVECs)和人外周血單個核細胞(peripheralbloodmononuclearcells，PBMCs)24h，導(dǎo)致HUVECs和PBMCs產(chǎn)生IL-6、IL-8、TNF-α、IL-1α、IL-1β、INF-γ等炎性細胞因子;而且，納米粒子可刺激DCs成熟，表達CD86、CD83、CCR7分子，促進NaveCD4+T細胞的活化與增殖。同樣，Ghoneum等［15］發(fā)現(xiàn)，體外50～200μg/mL的納米鉆石或納米鉑(DPV576)刺激人單核細胞來源的DCs24h，可活化DCs，誘導(dǎo)DCs表達CD86、CD83，產(chǎn)生IL-6、TNF和IL-10，隨后活化NaveCD4+T細胞并刺激其增殖。因而這些納米粒子可通過刺激DCs成熟、增強CD4+T細胞的增殖，從而增強機體的免疫反應(yīng)。Ogunwale等［16］發(fā)現(xiàn)，4nm的鈷鉻(Co-chromium，CoCr)納米粒子對DCs、T細胞、B細胞產(chǎn)生的效應(yīng)不同，25μg/mL的CoCr納米粒子不能活化DCs和B細胞，但能抑制T細胞的增殖反應(yīng)。與單獨的DNA疫苗相比，DNA吸附陽離子聚苯乙烯(poly-L-lysine-coated)的納米粒子皮內(nèi)免疫小鼠，可增強抗體的產(chǎn)生，增強CD4+、CD8+T細胞的增殖反應(yīng)［17］。而且，納米粒子的大小也影響適應(yīng)性免疫反應(yīng)的類型。40～49nm納米粒子包被的OVA抗原單次免疫小鼠，可誘導(dǎo)小鼠CD8+T細胞產(chǎn)生IFN-γ;而93～123nm納米粒子包被OVA單次免疫小鼠，可誘導(dǎo)小鼠CD4+T細胞的活化，產(chǎn)生IL-4。49nm納米粒子結(jié)合呼吸道合胞病毒(respiratorysyncytialvirus，RSV)抗原G88免疫小鼠，與單純G88免疫組相比，能誘導(dǎo)更高水平的IFN-γ，顯著減少經(jīng)RSV滴鼻攻擊感染后的病毒滴度。因而，選擇不同大小的納米粒子作為抗原載體免疫小鼠，可影響小鼠適應(yīng)性免疫反應(yīng)的類型［18］。

3納米粒子的免疫調(diào)節(jié)機制

固有免疫和適應(yīng)性免疫間存在精細的平衡。納米粒子可通過調(diào)節(jié)固有和適應(yīng)性免疫細胞的功能來調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，但其具體的作用機制仍不清楚。近年來的研究發(fā)現(xiàn)納米材料影響Th1/Th2細胞的平衡。10－5～10－7mol/L的鈷納米粒子刺激后，人PMBCs可產(chǎn)生大量的TNF-α、IFN-γ等Th1相關(guān)細胞因子，但IL-10等Th2相關(guān)細胞因子減少［19］。Liu等［20］報道，0．5μmol/kg的水溶性富勒烯C60注射小鼠后，血清中IL-2、IFN-γ、TNF-α等Th1相關(guān)細胞因子的產(chǎn)生增加，IL-4、IL-5等Th2相關(guān)細胞因子的產(chǎn)生減少，CD4+/CD8+T細胞的比例增高，小鼠免疫反應(yīng)明顯增強。納米粒子的另一個重要調(diào)節(jié)機制是誘導(dǎo)或改變DCs的分化和成熟，因而，納米材料可作為疫苗佐劑增加疫苗的免疫反應(yīng)。Wang等［21］報道，乙型肝炎病毒的DNA疫苗用SiO2、層狀雙金屬氫氧化物納米顆粒負載，可刺激DCs成熟。體內(nèi)免疫BALB/c小86江蘇大學學報(醫(yī)學版)第25卷鼠，納米粒子負載的DNA疫苗誘導(dǎo)比單獨DNA疫苗誘導(dǎo)有更強的血清抗體反應(yīng)，能促進T細胞增殖，使T細胞向Th1方向極化，說明納米粒子可作為一種有效的非病毒基因傳遞系統(tǒng)，增強疫苗的免疫反應(yīng)。攜帶DNA疫苗的聚丙烯酸酯納米顆粒，體外轉(zhuǎn)染小鼠DC2．4細胞系，可促進DCs的分化成熟，轉(zhuǎn)染了該DNA納米顆粒的DCs可刺激活化NaveCD8+T細胞產(chǎn)生高水平的IFN-γ，表明聚丙烯酸酯納米顆粒可作為高效的DNA疫苗佐劑，增強疫苗的免疫反應(yīng)［22］。

篇（6）

1.在催化方面的應(yīng)用

催化劑在許多化學化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗進行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來不能進行的反應(yīng)也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。

納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑，特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個半導(dǎo)體顆粒，可近似地看成是一個短路的微型電池，用能量大于半導(dǎo)體能隙的光照射半導(dǎo)體分散系時，半導(dǎo)體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對。在電場作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進行氧化和還原反應(yīng)。

光催化反應(yīng)涉及到許多反應(yīng)類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應(yīng)，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實現(xiàn)的。半導(dǎo)體多相光催化劑能有效地降解水中的有機污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，便宜易得，是制備負載型光催化劑的最佳選擇。已有文章報道，選用硅膠為基質(zhì)，制得了催化活性較高的TiO／SiO2負載型光催化劑。Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒，對某些有機化合物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑。納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應(yīng)溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應(yīng)效率、優(yōu)化反應(yīng)路徑、提高反應(yīng)速度方面的研究，是未來催化科學不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應(yīng)用帶來革命性的變革。

2.在涂料方面的應(yīng)用

納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當今世界關(guān)注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料，可獲得納米復(fù)合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層。結(jié)構(gòu)涂層是指涂層提高基體的某些性質(zhì)和改性；功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能。結(jié)構(gòu)涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層，耐腐蝕、裝飾涂層等；功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學涂層，導(dǎo)電、絕緣、半導(dǎo)體特性的電學涂層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。在標牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，達到儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應(yīng)用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復(fù)合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變，還具有隨角變色效應(yīng)。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米TiO2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍地增加。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景，將為涂層技術(shù)帶來一場新的技術(shù)革命，也將推動復(fù)合材料的研究開發(fā)與應(yīng)用。

3.在其它精細化工方面的應(yīng)用

精細化工是一個巨大的工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它的獨特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，而且致密性和防水性也相應(yīng)提高。國外已將納米SiO2，作為添加劑加入到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性都大為提高。此外，納米材料在纖維改性、有機玻璃制造方面也都有很好的應(yīng)用。在有機玻璃中加入經(jīng)過表面修飾處理的SiO2，可使有機玻璃抗紫外線輻射而達到抗老化的目的；而加入A12O3，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能，而且質(zhì)地細膩，無毒無臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。超細TiO2的應(yīng)用還可擴展到涂料、塑料、人造纖維等行業(yè)。最近又開發(fā)了用于食品包裝的TiO2及高檔汽車面漆用的珠光鈦白。納米TiO2，能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產(chǎn)生很強的光化學活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點，在環(huán)保水處理中有著很好的應(yīng)用前景。在環(huán)境科學領(lǐng)域，除了利用納米材料作為催化劑來處理工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢料外，還將出現(xiàn)功能獨特的納米膜。這種膜能探測到由化學和生物制劑造成的污染，并能對這些制劑進行過濾，從而消除污染。

4.在醫(yī)藥方面的應(yīng)用

21世紀的健康科學，將以出入意料的速度向前發(fā)展，人們對藥物的需求越來越高。控制藥物釋放、減少副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向治療，已提到研究日程上來。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體，可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織；使用納米技術(shù)的新型診斷儀器，只需檢測少量血液就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病，美國麻省理工學院已制備出以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，稱之為“定向?qū)棥薄Ｔ摷夹g(shù)是在磁性納米微粒包覆蛋白質(zhì)表面攜帶藥物，注射到人體血管中，通過磁場導(dǎo)航輸送到病變部位，然后釋放藥物。納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流動，因此可以用來

檢查和治療身體各部位的病變。對納米微粒的臨床醫(yī)療以及放射性治療等方面的應(yīng)用也進行了大量的研究工作。據(jù)《人民日報》報道，我國將納米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域獲得成功。南京希科集團利用納米銀技術(shù)研制生產(chǎn)出醫(yī)用敷料——長效廣譜抗菌棉。這種抗菌棉的生產(chǎn)原理是通過納米技術(shù)將銀制成尺寸在納米級的超細小微粒，然后使之附著在棉織物上。銀具有預(yù)防潰爛和加速傷口愈合的作用，通過納米技術(shù)處理后的銀表面急劇增大，表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，殺菌能力提高200倍左右，對臨床常見的外科感染細菌都有較好的抑制作用。

微粒和納粒作為給藥系統(tǒng)，其制備材料的基本性質(zhì)是無毒、穩(wěn)定、有良好的生物性并且與藥物不發(fā)生化學反應(yīng)。納米系統(tǒng)主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的藥物的給藥。

篇（7）

根據(jù)市場分析資料表明，商品化納米顆粒大多是金屬及金屬氧化物［20］，因此關(guān)于金屬及金屬氧化物納米顆粒對神經(jīng)元細胞膜離子通道作用的研究也相對較多．例如Xu等研究了納米氧化銅(Nano-CuO)顆粒對急性分離的海馬神經(jīng)元上兩種電壓門控鉀離子通道電流(瞬時外向鉀電流IA和延遲整流鉀電流IK)的作用，發(fā)現(xiàn)Nano-CuO能夠抑制IK(濃度依賴)，而對IA影響不大．并通過對兩種通道的激活、失活以及恢復(fù)動力學特征的分析發(fā)現(xiàn)，Nano-CuO主要影響了IK的失活過程．這些結(jié)果提示Nano-CuO通過優(yōu)先作用于延遲整流鉀通道對海馬神經(jīng)元產(chǎn)生一定的毒性作用．該實驗室進一步的研究結(jié)果發(fā)表于2011年，Liu等［23］發(fā)現(xiàn)Nano-CuO還能夠抑制電壓門控INa，延長動作電位的上升時間并探討了Nano-CuO產(chǎn)生作用的信號通路機制，提出Nano-CuO是通過氧化應(yīng)激途徑對INa產(chǎn)生影響，而非G蛋白偶聯(lián)的信號通路．與Nano-CuO對電壓門控通道的抑制作用相反，Zhao等［24］發(fā)現(xiàn)納米氧化鋅(Nano-ZnO)對電壓門控通道(包括鈉通道、兩種鉀通道)以及動作電位則起到上調(diào)的作用．例如Nano-ZnO(10－4g/mL懸浮液)增加了INa的幅值，并改變了其失活和失活后恢復(fù)的動力學參數(shù)．同樣，兩種鉀電流(IA和IK)的幅值也有所增加，但對其門控的動力學特征影響不大．最后通過對動作電位的記錄發(fā)現(xiàn)，其發(fā)放頻率增加，超射值增加以及半峰寬減少．因此認為，Nano-ZnO能夠通過增加通道電流來增強海馬神經(jīng)元的興奮性，并進一步導(dǎo)致細胞內(nèi)外離子穩(wěn)態(tài)的平衡，造成神經(jīng)元生理功能異常．而后，Zhao等又發(fā)現(xiàn)Nano-ZnO能夠增加海馬神經(jīng)元電壓門控鈣通道電流，從而引起胞內(nèi)鈣離子超載導(dǎo)致細胞毒性．他們認為Nano-ZnO對這些電壓門控通道的作用會發(fā)生協(xié)同作用，進一步促使海馬神經(jīng)元興奮性增加，對海馬神經(jīng)元產(chǎn)生去極化誘導(dǎo)的損傷，并最終增強了神經(jīng)退行性過程，促使細胞凋亡．納米銀(Nano-Ag)也是一種應(yīng)用廣泛的金屬納米材料，應(yīng)用于生物傳感、廣譜抗菌藥、醫(yī)用繃帶、洗滌劑以及衣物中．Liu等［26］于2009年發(fā)表的工作中首次將Nano-Ag的神經(jīng)毒性集中于對神經(jīng)細胞電生理特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Nano-Ag(10－5g/mL)顯著降低了海馬神經(jīng)元電壓門控INa的幅值，并改變了其通道的激活和恢復(fù)過程．這也直接導(dǎo)致了Nano-Ag對動作電位特征的改變(例如峰值和閾電位降低，半峰寬增加等)．

在另一研究中，Liu等［27］同樣觀察了Nano-Ag對海馬神經(jīng)元上電壓門控鉀離子通道的作用，發(fā)現(xiàn)IA和IK的幅值都顯著降低，IK的穩(wěn)態(tài)激活曲線向超級化方向移動，而IA的失活和失活后恢復(fù)過程均被改變．這些結(jié)果都證明了Nano-Ag對中樞神經(jīng)元上的離子通道產(chǎn)生了異常影響，引起神經(jīng)元興奮性發(fā)生異常變化，并最終干擾神經(jīng)元行使正常的生理功能．但對于Nano-Ag如何改變離子電流的機制并沒有闡明．除金屬及金屬氧化物納米顆粒外，也有少數(shù)研究者觀察了碳化物納米顆粒對神經(jīng)細胞上離子通道的作用．例如Chen等［28］觀察了多壁碳納米管(multiwalledcarbonnanotubes，MWCNTs)對海馬神經(jīng)元上電壓門控離子通道及突觸傳遞的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其能夠通過抑制電壓門控鉀電流來增加神經(jīng)元的興奮性，并降低海馬谷氨酸能的突觸傳遞效能，進而使神經(jīng)元發(fā)生損傷．同時Shan等［29-30］探討納米碳化鎢(nano-tungstencar-bide，Nano-TC)對海馬神經(jīng)元電壓門控通道的影響，發(fā)現(xiàn)10－7g/mL濃度的Nano-TC就能夠顯著抑制電壓門控鉀和鈉通道電流，并改變動作電位的波形．除了電壓門控離子通道電流，納米材料對于某些特定的受體門控電流也會產(chǎn)生影響．例如Chin等［31］發(fā)現(xiàn)帶負電荷納米金(Nano-Au，1.4nm)和膽堿形成的復(fù)合物能夠完全抑制PC12細胞上N型乙酰膽堿受體電流．這一特性使其能夠作為一種有效的靜脈應(yīng)用在臨床上，并且認為其機制是Nano-Au阻塞了通道并妨礙離子運動或者阻止通道構(gòu)象發(fā)生改變．而Jung等［32］的研究認為Nano-Au除了對離子通道的直接作用外，還存在其他作用．他們觀察了在胞內(nèi)給予兩種濃度Nano-Au顆粒時對小鼠海馬CA1神經(jīng)元電學特性的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Nano-Au能夠增加神經(jīng)元的興奮性，即動作電位數(shù)目增加，其內(nèi)在機制可能是通過增加細胞的輸入電阻、降低閾值和發(fā)放時程以及減少后超極化電位的幅值來實現(xiàn)的．在進行較長時間的去極化刺激時，動作電位會進行持續(xù)的反復(fù)發(fā)放，在這種背景下，Nano-Au能夠誘導(dǎo)動作電位發(fā)生陣發(fā)性的去極化發(fā)放．Jung等還發(fā)現(xiàn)，在病理條件下Nano-Au能夠加重由低鎂誘發(fā)的癲癇樣活動．這些結(jié)果都提示，Nano-Au能夠改變神經(jīng)元的內(nèi)在電生理特性，即增加其興奮性，并且在病理條件下(如癲癇)會對神經(jīng)元產(chǎn)生有害作用．

關(guān)于納米材料對神經(jīng)元膜上離子通道影響的研究簡要總結(jié)見表1．從表1可以看出大腦中的海馬區(qū)很可能是納米顆粒的作用靶點，并成為中樞神經(jīng)系統(tǒng)損害最嚴重的部分．納米材料通過改變通道的激活、失活以及失活后恢復(fù)過程的動力學特征對離子通道主要產(chǎn)生抑制作用，但也有的納米材料能夠增加通道電流，其具體的機制并沒有做詳細闡述．關(guān)于它們之間的相互作用機制，早在2005年Ramachandran等發(fā)現(xiàn)QDs能夠通過插入脂質(zhì)雙分子層作為帶電區(qū)域而改變膜上電壓門控電流的特征．最近dePlanque等［34］直接觀察了一種納米材料與神經(jīng)元膜之間的作用，他們發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅(Nano-silica)在極低的濃度下(fmol/L級)就可以穿過細胞膜，并以濃度依賴的方式增加膜電流，且能夠在一定程度上降解脂質(zhì)雙層膜的屏障功能．近年來，越來越多的生物學家將數(shù)學工具引入研究中，通過數(shù)據(jù)挖掘得到更多更深入的信息．2010年，Busse等利用微分進化(differentialevolution，DE)算法將記錄到的Na電流進行擬合，用以研究Nano-Ag對腎上腺嗜鉻細胞膜電流的影響．根據(jù)計算模型來評價神經(jīng)元電生理性質(zhì)變化的參數(shù)特征并得出結(jié)論，Nano-Ag主要通過降低鈉通道的電導(dǎo)或者減少待開放的通道數(shù)量，即可以不通過阻塞通道就使電壓感受器失活，從而改變通道的電壓敏感性．由于不同的納米材料具有不同的物理化學特征，因此它們與離子通道作用的機制可能也不盡相同，還需進行更深入具體的研究，也期待能夠結(jié)合更多的技術(shù)手段．

2納米材料對神經(jīng)元電活動及突觸傳遞的作用

細胞膜上的各種離子通道是決定神經(jīng)元興奮性的分子基礎(chǔ)，而離子通道很有可能是許多納米材料對神經(jīng)元作用的靶點．神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元膜上離子通道參與遞質(zhì)釋放、激素分泌、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、代謝調(diào)控及細胞生長等重要生理過程的調(diào)控，因此納米材料對單個神經(jīng)元的電活動及突觸信息傳遞功能也會產(chǎn)生一定的作用．在急性實驗中，Belyanskaya等［36］研究了不同團聚程度的單壁碳納米管(single-walledcarbonnanotubes，SWCNTs)對兩種神經(jīng)系統(tǒng)的原代培養(yǎng)細胞(雞胚胎脊髓細胞和背根神經(jīng)節(jié)細胞)的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)SWCNTs懸浮液對這兩種中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)元都產(chǎn)生了毒性作用，并且與納米材料的聚集程度有關(guān)．在電生理學實驗中也發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元的電學特性也有所改變，例如背根神經(jīng)節(jié)細胞的靜息電位變小、細胞膜電容降低、離子通道電導(dǎo)變小等，而動作電位半峰寬、閾值等變化不大．相反，SWCNTs對脊髓細胞的影響卻很小，說明其對外周神經(jīng)元的作用比對中樞神經(jīng)元要更加明顯．上述研究主要觀察了納米材料對單個神經(jīng)元電生理特性的作用，而Liu等［37］則在離體層面探討了Nano-Ag改變突觸傳遞效能的機制．以海馬腦片為研究對象，作者選取了三突觸通路中的CA3-CA1谷氨酸能突觸通路，記錄了Nano-Ag(10－6g/mL，10－5g/mL和10－4g/mL)對CA1神經(jīng)元上的自發(fā)興奮性突觸后電流(spontaneousexcitatorypostsynapticcurrents，sEP-SCs)和微小興奮性突觸后電流(miniatureexcitatorypostsynapticcurrents，mEPSCs)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)mEP-SCs的頻率和幅值都顯著降低，且具有濃度依賴性及可逆性;而sEPSCs的頻率和幅值卻顯著增強，同時伴隨自發(fā)動作電位發(fā)放頻率的增加．這些結(jié)果說明Nano-Ag主要通過突觸前(抑制遞質(zhì)的釋放量)和突觸后(降低谷氨酸受體效能)機制對CA3-CA1谷氨酸突觸傳遞產(chǎn)生影響．而對sEPSCs的增強效果主要受到增強動作電位發(fā)放的影響．Liu等又進行了在體動物實驗，將大鼠長期暴露于Nano-Ag后2周，記錄海馬的長時程增強(long-termpotentiation，LTP)，發(fā)現(xiàn)其場興奮性突觸后電位(fieldexcitatorypostsynapticpotentials，fEPSPs)被抑制，說明Nano-Ag損傷了海馬區(qū)穿通纖維(perforantpath)到齒狀回(dentategyrus)，即PP-DG通路的突觸傳遞效能，損傷突觸可塑性，并最終導(dǎo)致大鼠的空間記憶能力降低．同樣，An等［39］也觀察了Nano-CuO的亞慢性神經(jīng)毒性，結(jié)果也證實了它能夠降低海馬突觸傳遞效能，他們認為其機制是納米材料通過擾亂神經(jīng)系統(tǒng)的氧化-還原穩(wěn)態(tài)從而改變了突觸可塑性．這是由于在正常生理情況下，需氧細胞會產(chǎn)生少量的活性氧，可被機體的抗氧化防御系統(tǒng)所清除，維持正常的氧化-還原狀態(tài)．

但由于納米材料表面活性高，更易發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致活性氧大量生成，使得機體內(nèi)氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)平衡遭到破壞，發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，進而引起生物體的氧化損傷．與之前的抑制結(jié)果不同，Han等［40］給予大鼠連續(xù)2周Nano-ZnO(4mg/kg，4mg/mL)后則發(fā)現(xiàn)Nano-ZnO處理組的突觸傳遞效能異常增強，同時去增益現(xiàn)象不充分．Han等認為這種變化的不一致性是導(dǎo)致大鼠學習過程延長且重新學習能力下降的原因．更重要的是，納米材料的神經(jīng)毒性不僅體現(xiàn)在直接接觸的動物上，而且在其子代身上也有反映．由于神經(jīng)毒性可以輕易通過一些生理屏障，例如胎盤，因此在長期接觸納米材料動物的子代身上也有可能引起一定的毒性．Gao等［41］的研究證實了這一點，他們將納米材料暴露于圍產(chǎn)期大鼠(孕期和哺乳期各20天)來研究其子代突觸可塑性的變化．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，哺乳期和孕期納米二氧化鈦(Nano-TiO2)暴露后的子代大鼠突觸傳遞效能降低，即損傷了短時程和長時程的突觸可塑性．關(guān)于納米材料影響突觸傳遞效能的原因尚不明確，但已有多項研究表明，小鼠暴露于金屬氧化物納米顆粒后，中樞類膽堿能系統(tǒng)功能紊亂，一些單胺類神經(jīng)遞質(zhì)如去甲腎上腺素和5-羥色胺及其代謝物含量顯著升高，而乙酰膽堿、谷氨酸鹽等含量顯著下降，小鼠的空間定位能力受損［42-44］．因此影響神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)的代謝可能是納米材料改變突觸傳遞效能的重要原因之一．然而，納米材料對神經(jīng)系統(tǒng)電生理特性的影響不僅僅體現(xiàn)在毒性作用上．例如在神經(jīng)醫(yī)學領(lǐng)域的研究證實功能化的碳納米管(CNTs)可以作為組織工程支架為細胞生長及組織再生提供誘導(dǎo)和支持，且與機體組織有很好的相容性．CNTs可以作為生物支架，向細胞發(fā)出有序的生物學信號，促進神經(jīng)元電信號的傳導(dǎo)和神經(jīng)纖維的生長，引導(dǎo)組織重建．Lovat等［45］于2005年報道以CNTs作為培養(yǎng)基質(zhì)，能夠大大提高體外培養(yǎng)海馬神經(jīng)元的神經(jīng)發(fā)放頻率及細胞之間的信息交流能力．實驗首先比較了在是否存在CNTs基質(zhì)的情況下細胞內(nèi)電生理特性的區(qū)別，例如靜息膜電位、輸入阻抗、膜電容、動作電位的幅值、半峰寬等，但都沒有發(fā)生顯著變化．然后記錄神經(jīng)元的自發(fā)放電以及突觸后電流(PSCs)，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)在CNTs基質(zhì)上神經(jīng)元的自發(fā)放電頻率增加，說明其興奮性提高;同時，表征神經(jīng)元間信息交流的PSCs頻率也增加(幅值不變)，并且這種增加主要體現(xiàn)在抑制性的突觸傳遞中．作者認為，這種神經(jīng)信號傳遞效能的增強是由于CNTs這種納米材料自身的特殊性(例如高導(dǎo)電性)造成的，而不能歸結(jié)于細胞與CNTs基質(zhì)之間的相互作用．而后Fabbro等［46］又發(fā)現(xiàn)MWCNDTs基質(zhì)(20～30nm)能夠促進急性分離的未成熟大鼠脊髓神經(jīng)元的生長發(fā)育，通過記錄神經(jīng)元的電生理特性，發(fā)現(xiàn)這些神經(jīng)元的功能正趨向成熟．

在病理情況下，有些研究者認為納米材料也能在一定程度上改善神經(jīng)系統(tǒng)的電生理功能．例如Das等［47］發(fā)現(xiàn)納米氧化鈰(Nano-CeO2)能夠促進成年大鼠損傷脊髓中的神經(jīng)元存活，并使得受損神經(jīng)元的電學特征恢復(fù)到正常神經(jīng)元水平，例如產(chǎn)生正常的內(nèi)外向電流和動作電位．同樣Xie等［48］的實驗對象則是抑郁癥模型大鼠，結(jié)果是Nano-ZnO顯著增強了抑郁癥模型大鼠海馬PP-DG區(qū)的LTP，提示其有可能對抑郁大鼠的認知功能起到一定的改善作用．作者提出Nano-ZnO對神經(jīng)功能的影響具有雙向效應(yīng)，可能依賴于具體的生理病理狀態(tài)，但其中的具體機制還有待探討．另一項有意義的研究是針對外周神經(jīng)元進行的．2009年，Viswaprakash等［49］探討了初級嗅覺傳導(dǎo)過程的機制，即氣味分子在與嗅感覺神經(jīng)元上相應(yīng)的受體結(jié)合之后是如何進一步激活下游的G蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的．根據(jù)之前的研究，作者推測Zn離子在其中發(fā)揮作用，通過電生理學方法(嗅電圖和全細胞膜片鉗)檢測了納米鋅(Nano-Zn)對大鼠的嗅上皮細胞的氣味反應(yīng)程度是否有影響．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，極低濃度的Nano-Zn(fmol/L到nmol/L級)就能夠顯著地增強嗅上皮細胞的氣味反應(yīng)并且存在濃度依賴特征，但在單獨存在的情況下并不能興奮嗅神經(jīng)元．而其他金屬如銅、金或銀的納米材料卻不會產(chǎn)生類似的效應(yīng)．更有趣的是，同樣濃度的游離Zn2+反而會降低嗅覺受體神經(jīng)元對氣味劑的反應(yīng)．根據(jù)這些結(jié)論，作者提出Nano-Zn顆粒可以用于增強和維持初級嗅覺事件，并推測其作用的機制可能是Nano-Zn定位于鳥嘌呤核苷酸和受體蛋白之間并為他們之間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)提供橋梁．總結(jié)以上文獻可以發(fā)現(xiàn)，納米材料對神經(jīng)元電信號及信息傳遞功能的影響既有積極作用也有毒性作用，這種雙向作用與特定納米材料的物理化學特性、濃度、作用時間以及應(yīng)用環(huán)境等條件都有很大關(guān)系．

3納米材料對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電活動的作用

關(guān)于納米材料對某些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電活動作用的研究開展很少，并且起步較晚．2010年，德國的Gramowski等［50］首次利用微電極陣列神經(jīng)芯片研究了納米材料對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電活動的影響．他們在微電極陣列神經(jīng)芯片上培養(yǎng)鼠皮層神經(jīng)元，然后觀察了神經(jīng)元攝取納米材料的情況和納米顆粒及其團聚物在細胞表面附近的累積情況．如圖1［50］所示，通過光柵掃描電子顯微鏡(rasterscanningelectronmicroscopy，REM)和透射電鏡(transmissionelectronmicroscopy，TEM)觀察到Nano-TiO2的累積情況．然后作者進一步檢測了3種納米材料:納米炭黑(carbonblack，CB)、納米氧化鐵(Nano-Fe2O3)和Nano-TiO2對皮層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)電活動的影響．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使在較低的濃度下(1～10ng/cm2)，3種納米材料都擾亂了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電活動(降低動作電位的發(fā)放頻率和簇狀發(fā)放頻率)，其中，CB的效果最強，其次是Fe2O3和TiO2．同時CB的作用還具有雙向性，在低濃度(1～100μg/cm2)時產(chǎn)生抑制電活動的效果，而在較高濃度(100～300μg/cm2)下則產(chǎn)生增強效果．該研究證明了較低濃度的納米材料在較短的時間內(nèi)即可通過干擾神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電活動而產(chǎn)生神經(jīng)毒性作用．而后Oszlanczi等［51］檢測了納米氧化錳(Nano-MnO2，23nm)對大鼠的亞慢性和慢性神經(jīng)毒性，分別進行了行為學和電生理學實驗來進行評價．行為學主要采用的是曠場(field，OF)實驗來檢測動物的自發(fā)運動行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大鼠的運動能力隨著Nano-MnO2暴露時間的延長(3周、6周、9周)而逐漸減弱．而在電生理實驗中作者主要觀察了Nano-MnO2暴露9周的大鼠，首先記錄了初級感覺皮層的腦皮層電圖(electrocorticogram，ECoG)，分析各頻段的功率譜后得到ECoG指數(shù)用以評價皮層的活動，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Nano-MnO2處理組的慢波能量降低而快波能量增加，即delta波能量降低而beta和gamma波顯著增強．第二個電生理實驗為通過刺激感覺皮層來記錄誘發(fā)電位(evokedpotentials，EPs)，分析其潛伏期和時程．結(jié)果發(fā)現(xiàn)Nano-MnO2處理組的EPs潛伏期顯著延長，而時程變化不明顯，這意味著皮層的易疲勞性增加．第三個實驗是記錄了大鼠尾神經(jīng)上的復(fù)合動作電位，進而分析神經(jīng)的傳導(dǎo)速率和不應(yīng)期的長短，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Nano-MnO2處理組尾神經(jīng)的傳導(dǎo)速率與對照組相比顯著下降，而動作電位的絕對不應(yīng)期則大大增加．這些結(jié)果從電生理的角度提示:Nano-MnO2能夠改變中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能．兩年后，Takacs等［52］又重新設(shè)計實驗再次確定了腦內(nèi)Mn含量與皮層腦電活動變化的關(guān)系，并分析了這些變化對其行為學的影響．類似地，Papp等［53］又觀察了另一種納米材料，納米CdO2(Nano-CdO2)對神經(jīng)系統(tǒng)的慢毒性作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與Nano-MnO2的作用相似，例如在3個不同的皮層區(qū)域自發(fā)皮層電活動都發(fā)生了顯著的時間和劑量依賴改變，視覺和聽覺皮層誘發(fā)電位的潛伏期延長等．這些結(jié)果提示:不同納米材料對神經(jīng)系統(tǒng)電信號的影響機制可能存在一定的共性．除了利用急性和慢性動物實驗來觀察納米材料對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電活動的作用，還有的學者利用計算機建立起神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，再根據(jù)實驗結(jié)果進行擬合后做更詳細分析．如2013年Busse等［54］再次運用計算機模型探討了帶有機涂層的Nano-Ag對神經(jīng)環(huán)路的影響，通過將鈉電流的數(shù)字模擬結(jié)果整合到一個已知的神經(jīng)環(huán)路-丘腦皮層環(huán)路中來預(yù)測Nano-Ag對環(huán)路中所有神經(jīng)元放電形式的影響．結(jié)果發(fā)現(xiàn)Nano-Ag對鈉電流的抑制有可能在整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層面導(dǎo)致神經(jīng)元放電的異常．

4總結(jié)與展望

篇（8）

1.在催化方面的應(yīng)用

催化劑在許多化學化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗進行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來不能進行的反應(yīng)也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。

納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑，特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個半導(dǎo)體顆粒，可近似地看成是一個短路的微型電池，用能量大于半導(dǎo)體能隙的光照射半導(dǎo)體分散系時，半導(dǎo)體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對。在電場作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進行氧化和還原反應(yīng)。

光催化反應(yīng)涉及到許多反應(yīng)類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應(yīng)，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實現(xiàn)的。半導(dǎo)體多相光催化劑能有效地降解水中的有機污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，便宜易得，是制備負載型光催化劑的最佳選擇。已有文章報道，選用硅膠為基質(zhì)，制得了催化活性較高的TiO／SiO2負載型光催化劑。Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒，對某些有機化合物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑。納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應(yīng)溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應(yīng)效率、優(yōu)化反應(yīng)路徑、提高反應(yīng)速度方面的研究，是未來催化科學不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應(yīng)用帶來革命性的變革。

2.在涂料方面的應(yīng)用

納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當今世界關(guān)注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料，可獲得納米復(fù)合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層。結(jié)構(gòu)涂層是指涂層提高基體的某些性質(zhì)和改性；功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能。結(jié)構(gòu)涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層，耐腐蝕、裝飾涂層等；功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學涂層，導(dǎo)電、絕緣、半導(dǎo)體特性的電學涂層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。在標牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，達到儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應(yīng)用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復(fù)合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變，還具有隨角變色效應(yīng)。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米TiO2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍地增加。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景，將為涂層技術(shù)帶來一場新的技術(shù)革命，也將推動復(fù)合材料的研究開發(fā)與應(yīng)用。

3.在其它精細化工方面的應(yīng)用

精細化工是一個巨大的工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它的獨特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，而且致密性和防水性也相應(yīng)提高。國外已將納米SiO2，作為添加劑加入到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性都大為提高。此外，納米材料在纖維改性、有機玻璃制造方面也都有很好的應(yīng)用。在有機玻璃中加入經(jīng)過表面修飾處理的SiO2，可使有機玻璃抗紫外線輻射而達到抗老化的目的；而加入A12O3，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能，而且質(zhì)地細膩，無毒無臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。超細TiO2的應(yīng)用還可擴展到涂料、塑料、人造纖維等行業(yè)。最近又開發(fā)了用于食品包裝的TiO2及高檔汽車面漆用的珠光鈦白。納米TiO2，能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產(chǎn)生很強的光化學活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點，在環(huán)保水處理中有著很好的應(yīng)用前景。在環(huán)境科學領(lǐng)域，除了利用納米材料作為催化劑來處理工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢料外，還將出現(xiàn)功能獨特的納米膜。這種膜能探測到由化學和生物制劑造成的污染，并能對這些制劑進行過濾，從而消除污染。

4.在醫(yī)藥方面的應(yīng)用

21世紀的健康科學，將以出入意料的速度向前發(fā)展，人們對藥物的需求越來越高?？刂扑幬镝尫拧p少副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向治療，已提到研究日程上來。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體，可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織；使用納米技術(shù)的新型診斷儀器，只需檢測少量血液就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病，美國麻省理工學院已制備出以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，稱之為“定向?qū)棥?。該技術(shù)是在磁性納米微粒包覆蛋白質(zhì)表面攜帶藥物，注射到人體血管中，通過磁場導(dǎo)航輸送到病變部位，然后釋放藥物。納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流動，因此可以用來檢查和治療身體各部位的病變。對納米微粒的臨床醫(yī)療以及放射性治療等方面的應(yīng)用也進行了大量的研究工作。據(jù)《人民日報》報道，我國將納米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域獲得成功。南京?？萍瘓F利用納米銀技術(shù)研制生產(chǎn)出醫(yī)用敷料——長效廣譜抗菌棉。這種抗菌棉的生產(chǎn)原理是通過納米技術(shù)將銀制成尺寸在納米級的超細小微粒，然后使之附著在棉織物上。銀具有預(yù)防潰爛和加速傷口愈合的作用，通過納米技術(shù)處理后的銀表面急劇增大，表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，殺菌能力提高200倍左右，對臨床常見的外科感染細菌都有較好的抑制作用。

微粒和納粒作為給藥系統(tǒng)，其制備材料的基本性質(zhì)是無毒、穩(wěn)定、有良好的生物性并且與藥物不發(fā)生化學反應(yīng)。納米系統(tǒng)主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的藥物的給藥。

篇（9）

一、引言

納米材料和納米科技被廣泛認為是二十一世紀最重要的新型材料和科技領(lǐng)域之一。早在二十世紀60年代，英國化學家Thomas就使用“膠體”來描述懸浮液中直徑為1nm-100nm的顆粒物。1992年，《NanostructuredMaterials》正式出版，標志著納米材料學成為一門獨立的科學。納米材料是指任意一維的尺度小于100nm的晶體、非晶體、準晶體以及界面層結(jié)構(gòu)的材料。當粒子尺寸小至納米級時，其本身將具有表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，這些效應(yīng)使得納米材料具有很多奇特的性能。自1991年Iijima首次制備了碳納米管以來，一維納米材料由于具有許多獨特的性質(zhì)和廣闊的應(yīng)用前景而引起了人們的廣泛關(guān)注。納米結(jié)構(gòu)無機材料因具有特殊的電、光、機械和熱性質(zhì)而受到人們越來越多的重視。美國自1991年開始把納米技術(shù)列入“政府關(guān)鍵技術(shù)”，我國的自然科學基金等各種項目和研究機構(gòu)都把納米材料和納米技術(shù)列為重點研究項目。由于納米材料的形貌和尺寸對其性能有著重要的影響，因此，納米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作為高級納米結(jié)構(gòu)材料和納米器件的基本構(gòu)成單元(Bui1dingBlocks)，納米顆粒的合成與組裝是納米科技的重要組成部分和基礎(chǔ)。本文簡單綜述了納米材料合成與制備中常用的幾種方法，并對其優(yōu)劣進行了比較。

二、納米材料的合成與制備方法

2.1物理制備方法

2.1.1機械法

機械法有機械球磨法、機械粉碎法以及超重力技術(shù)。機械球磨法無需從外部供給熱能，通過球磨讓物質(zhì)使材料之間發(fā)生界面反應(yīng)，使大晶粒變?yōu)樾【Я?，得到納米材料。范景蓮等采用球磨法制備了鎢基合金的納米粉末。xiao等利用金屬羰基粉高能球磨法獲得納米級的Fe-18Cr-9W合金粉末。機械粉碎法是利用各種超微粉機械粉碎和電火花爆炸等方法將原料直接粉碎成超微粉，尤其適用于制備脆性材料的超微粉。超重力技術(shù)利用超重力旋轉(zhuǎn)床高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的相當于重力加速度上百倍的離心加速度，使相間傳質(zhì)和微觀混合得到極大的加強，從而制備納米材料。劉建偉等以氨氣和硝酸鋅為原料，應(yīng)用超重力技術(shù)制備粒徑20nm—80nm、粒度分布均勻的ZnO納米顆粒。

2.1.2氣相法

氣相法包括蒸發(fā)冷凝法、溶液蒸發(fā)法、深度塑性變形法等。蒸發(fā)冷凝法是在真空或惰性氣體中通過電阻加熱、高頻感應(yīng)、等離子體、激光、電子束、電弧感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等離子體并使其達到過飽和狀態(tài)，然后在氣體介質(zhì)中冷凝形成高純度的納米材料。Takaki等在惰性氣體保護下，利用氣相冷凝法制備了懸浮的納米銀粉。杜芳林等制備出了銅、鉻、錳、鐵、鎳等納米粉體，粒徑在30nm—50nm范圍內(nèi)可控。魏勝用蒸發(fā)冷凝法制備了納米鋁粉。溶液蒸發(fā)法是將溶劑制成小滴后進行快速蒸發(fā)，使組分偏析最小，一般可通過噴霧干燥法、噴霧熱分解法或冷凍干燥法加以處理。深度塑性變形法是在準靜態(tài)壓力的作用下，材料極大程度地發(fā)生塑性變形，而使尺寸細化到納米量級。有文獻報道，Φ82mm的Ge在6GPa準靜壓力作用后，再經(jīng)850℃熱處理，納米結(jié)構(gòu)開始形成，材料由粒徑100nm的等軸晶組成，而溫度升至900℃時，晶粒尺寸迅速增大至400nm。

2.1.3磁控濺射法與等離子體法

濺射技術(shù)是采用高能粒子撞擊靶材料表面的原子或分子，交換能量或動量，使得靶材料表面的原子或分子從靶材料表面飛出后沉積到基片上形成納米材料。在該法中靶材料無相變，化合物的成分不易發(fā)生變化。目前，濺射技術(shù)已經(jīng)得到了較大的發(fā)展，常用的有陰極濺射、直流磁控濺射、射頻磁控濺射、離子束濺射以及電子回旋共振輔助反應(yīng)磁控濺射等技術(shù)。等離子體法是利用在惰性氣氛或反應(yīng)性氣氛中通過直流放電使氣體電離產(chǎn)生高溫等離子體，從而使原料溶液化合蒸發(fā)，蒸汽達到周圍冷卻形成超微粒。等離子體溫度高，能制備難熔的金屬或化合物，產(chǎn)物純度高，在惰性氣氛中，等離子法幾乎可制備所有的金屬納米材料。

以上介紹了幾種常用的納米材料物理制備方法，這些制備方法基本不涉及復(fù)雜的化學反應(yīng)，因此，在控制合成不同形貌結(jié)構(gòu)的納米材料時具有一定的局限性。

2.2化學制備方法

2.2.1溶膠—凝膠法

溶膠—凝膠法的化學過程首先是將原料分散在溶劑中，然后經(jīng)過水解反應(yīng)生成活性單體，活性單體進行聚合，開始成為溶膠，進而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠。Stephen等利用高分子加成物(由烷基金屬和含N聚合物組成)在溶液中與H2S反應(yīng)，生成的ZnS顆粒粒度分布窄，且被均勻包覆于聚合物基體中，粒徑范圍可控制在2nm-5nm之間。MarcusJones等以CdO為原料，通過加入Zn(CH3)2和S[Si(CH3)3]2制得了ZnS包裹的CdSe量子點，顆粒平均粒徑為3.3nm，量子產(chǎn)率(quantumyield，QY)為13.8%。

2.2.2離子液法

離子液作為一種特殊的有機溶劑，具有獨特的物理化學性質(zhì)，如粘度較大、離子傳導(dǎo)性較高、熱穩(wěn)定性高、低毒、流動性好以及具有較寬的液態(tài)溫度范圍等。即使在較高的溫度下，離子液仍具有低揮發(fā)性，不易造成環(huán)境污染，是一類綠色溶劑。因此，離子液是合成不同形貌納米結(jié)構(gòu)的一種良好介質(zhì)。Jiang等以BiCl3和硫代乙酰胺為原料，在室溫下于離子液介質(zhì)中合成出了大小均勻的、尺寸為3μm—5μm的Bi2S3納米花。他們認為溶液的pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等條件對納米花的形貌和晶相結(jié)構(gòu)有很重要的影響。他們證實，這些納米花由直徑60nm—80nm的納米線構(gòu)成，隨老化時間的增加，這些納米線會從母花上坍塌，最終形成單根的納米線。趙榮祥等采用硝酸鉍和硫脲為先驅(qū)原料，以離子液為反應(yīng)介質(zhì)，合成了單晶Bi2S3納米棒。

2.2.3溶劑熱法

溶劑熱法是指在密閉反應(yīng)器(如高壓釜)中，通過對各種溶劑組成相應(yīng)的反應(yīng)體系加熱，使反應(yīng)體系形成一個高溫高壓的環(huán)境，從而進行實現(xiàn)納米材料的可控合成與制備的一種有效方法。Lou等采用單源前驅(qū)體Bi[S2P(OC8H17)2]3作反應(yīng)物，用溶劑熱法制得了高度均勻的正交晶系Bi2S3納米棒，且該方法適于大規(guī)模生產(chǎn)。Liu等用Bi(NO3)3•5H2O、NaOH及硫的化合物為原料，甘油和水為溶劑，采用溶劑熱法在高壓釜中160℃反應(yīng)24-72h制得了長達數(shù)毫米的Bi2S3納米帶。

2.2.4微乳法

微乳液制備納米粒子是近年發(fā)展起來的新興的研究領(lǐng)域，具有制得的粒子粒徑小、粒徑接近于單分散體系等優(yōu)點。1943年Hoar等人首次報道了將水、油、表面活性劑、助表面活性劑混合，可自發(fā)地形成一種熱力學穩(wěn)定體系，體系中的分散相由80nm-800nm的球形或圓柱形顆粒組成，并將這種體系定名微乳液。自那以后，微乳理論的應(yīng)用研究得到了迅速發(fā)展。1982年，Boutonnet等人應(yīng)用微乳法，制備出Pt、Pd等金屬納米粒子。微乳法制備納米材料，由于它獨特的工藝性能和較為簡單的實驗裝置，在實際應(yīng)用中受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。

三、結(jié)論

納米材料由于具有特異的光、電、磁、催化等性能，可廣泛應(yīng)用于國防軍事和民用工業(yè)的各個領(lǐng)域。它不僅在高科技領(lǐng)域有不可替代的作用，也為傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)帶來生機和活力。隨著納米材料制備技術(shù)的不斷開發(fā)及應(yīng)用范圍的拓展，工業(yè)化生產(chǎn)納米材料必將對傳統(tǒng)的化學工業(yè)和其它產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。但到目前為止，開發(fā)出來的產(chǎn)品較難實現(xiàn)工業(yè)化、商品化規(guī)模。主要問題是:對控制納米粒子的形狀、粒度及其分布、性能等的研究很不充分；納米材料的收集、存放，尤其是納米材料與納米科技的生物安全性更是急待解決的問題。這些問題的研究和解決將不僅加速納米材料和納米科技的應(yīng)用和開發(fā)，而且將極大地豐富和發(fā)展材料科學領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論。

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關(guān)鍵詞：納米材料生物醫(yī)學應(yīng)用

1應(yīng)用于生物醫(yī)學中的納米材料的主要類型及其特性

1.1納米碳材料

納米碳材料主要包括碳納米管、氣相生長碳纖維也稱為納米碳纖維、類金剛石碳等。

碳納米管有獨特的孔狀結(jié)構(gòu)［1］，利用這一結(jié)構(gòu)特性，將藥物儲存在碳納米管中并通過一定的機制激發(fā)藥物的釋放，使可控藥物變?yōu)楝F(xiàn)實。此外，碳納米管還可用于復(fù)合材料的增強劑、電子探針（如觀察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的AFM探針等）或顯示針尖和場發(fā)射。納米碳纖維通常是以過渡金屬Fe、Co、Ni及其合金為催化劑，以低碳烴類化合物為碳源，氫氣為載體，在873K～1473K的溫度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在醫(yī)學領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。類金剛石碳（簡稱DLC）是一種具有大量金剛石結(jié)構(gòu)C—C鍵的碳氫聚合物，可以通過等離子體或離子束技術(shù)沉積在物體的表面形成納米結(jié)構(gòu)的薄膜，具有優(yōu)秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。資料報道，與其他材料相比，類金剛石碳表面對纖維蛋白原的吸附程度降低，對白蛋白的吸附增強，血管內(nèi)膜增生減少，因而類金剛石碳薄膜在心血管臨床醫(yī)學方面有重要的應(yīng)用價值。

1.2納米高分子材料

納米高分子材料，也稱高分子納米微粒或高分子超微粒，粒徑尺度在1nm～1000nm范圍。這種粒子具有膠體性、穩(wěn)定性和優(yōu)異的吸附性能，可用于藥物、基因傳遞和藥物控釋載體，以及免疫分析、介入性診療等方面。

1.3納米復(fù)合材料

目前，研究和開發(fā)無機—無機、有機—無機、有機—有機及生物活性—非生物活性的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是獲得性能優(yōu)異的新一代功能復(fù)合材料的新途徑，并逐步向智能化方向發(fā)展，在光、熱、磁、力、聲［2］等方面具有奇異的特性，因而在組織修復(fù)和移植等許多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。國外已制備出納米ZrO2增韌的氧化鋁復(fù)合材料，用這種材料制成的人工髖骨和膝蓋植入物的壽命可達30年之久［3］。研究表明，納米羥基磷灰石膠原材料也是一種構(gòu)建組織工程骨較好的支架材料［4］。此外，納米羥基磷灰石粒子制成納米抗癌藥，還可殺死癌細胞，有效抑制腫瘤生長，而對正常細胞組織絲毫無損，這一研究成果引起國際的關(guān)注。北京醫(yī)科大學等權(quán)威機構(gòu)通過生物學試驗證明，這種粒子可殺死人的肺癌、肝癌、食道癌等多種腫瘤細胞。

此外，在臨床醫(yī)學中，具有較高應(yīng)用價值的還有納米陶瓷材料，微乳液等等。

2納米材料在生物醫(yī)學應(yīng)用中的前景

2.1用納米材料進行細胞分離

利用納米復(fù)合體性能穩(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應(yīng)的特性進行細胞分離在醫(yī)療臨床診斷上有廣闊的應(yīng)用前景。20世紀80年代后，人們便將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，使所需要的細胞很快分離出來。目前，生物芯片材料已成功運用于單細胞分離、基因突變分析、基因擴增與免疫分析（如在癌癥等臨床診斷中作為細胞內(nèi)部信號的傳感器［5］）。倫敦的兒科醫(yī)院、挪威工科大學和美國噴氣推進研究所利用納米磁性粒子成功地進行了人體骨骼液中癌細胞的分離來治療病患者［6］。美國科學家正在研究用這種技術(shù)在腫瘤早期的血液中檢查癌細胞，實現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。

2.2用納米材料進行細胞內(nèi)部染色

比利時的DeMey博士等人利用乙醚的黃磷飽和溶液、抗壞血酸或檸檬酸鈉把金從氯化金酸（HAuCl4）水溶液中還原出來形成金納米粒子，（粒徑的尺寸范圍是3nm～40nm），將金納米粒子與預(yù)先精制的抗體或單克隆抗體混合，利用不同抗體對細胞和骨骼內(nèi)組織的敏感程度和親和力的差異，選擇抗體種類，制成多種金納米粒子—抗體復(fù)合物。借助復(fù)合粒子分別與細胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復(fù)合物，在白光或單色光照射下呈現(xiàn)某種特征顏色（如10nm的金粒子在光學顯微鏡下呈紅色），從而給各種組織“貼上”了不同顏色的標簽，為提高細胞內(nèi)組織分辨率提供了各種急需的染色技術(shù)。

2.3納米材料在醫(yī)藥方面的應(yīng)用

2.3.1納米粒子用作藥物載體

一般來說，血液中紅血球的大小為6000nm～9000nm，一般細菌的長度為2000nm～3000nm［7］，引起人體發(fā)病的病毒尺寸為80nm～100nm，而納米包覆體尺寸約30nm［8］，細胞尺寸更大，因而可利用納米微粒制成特殊藥物載體或新型抗體進行局部的定向治療等。專利和文獻資料的統(tǒng)計分析表明，作為藥物載體的材料主要有金屬納米顆粒、無機非金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒和生物活性納米顆粒。

磁性納米顆粒作為藥物載體，在外磁場的引導(dǎo)下集中于病患部位，進行定位病變治療，利于提高藥效，減少副作用。如采用金納米顆粒制成金溶液，接上抗原或抗體，就能進行免疫學的間接凝聚實驗，用于快速診斷［9］。生物降解性高分子納米材料作為藥物載體還可以植入到人體的某些特定組織部位，如子宮、陰道、口（頰、舌、齒）、上下呼吸道（鼻、肺）、以及眼、耳等［10］。這種給藥方式避免了藥物直接被消化系統(tǒng)和肝臟分解而代謝掉，并防止藥物對全身的作用。如美國麻省理工學院的科學家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片為基礎(chǔ)，能長時間配選精確劑量藥物的藥物投送系統(tǒng)，并已被批準用于人體。近年來生物可降解性高分子納米粒子（NPs）在基因治療中的DNA載體以及半衰期較短的大分子藥物如蛋白質(zhì)、多肽、基因等活性物質(zhì)的口服釋放載體方面具有廣闊的應(yīng)用前景。藥物納米載體技術(shù)將給惡性腫瘤、糖尿病和老年癡呆癥的治療帶來變革。

2.3.2納米抗菌藥及創(chuàng)傷敷料

Ag+可使細胞膜上蛋白失去活性從而殺死細菌，添加納米銀粒子制成的醫(yī)用敷料對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠濃桿菌等臨床常見的40余種外科感染細菌有較好抑制作用。

2.3.3智能—靶向藥物

在超臨界高壓下細胞會“變軟”，而納米生化材料微小易滲透，使醫(yī)藥家能改變細胞基因，因而納米生化材料最有前景的應(yīng)用是基因藥物的開發(fā)。德國柏林醫(yī)療中心將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入腫瘤部位，使癌細胞部位完全被磁場封閉，通電加熱時溫度達到47℃，慢慢殺死癌細胞。這種方法已在老鼠身上進行的實驗中獲得了初步成功［11］。美國密歇根大學正在研制一種僅20nm的微型智能炸彈，能夠通過識別癌細胞化學特征攻擊癌細胞，甚至可鉆入單個細胞內(nèi)將它炸毀。

2.4納米材料用于介入性診療

日本科學家利用納米材料，開發(fā)出一種可測人或動物體內(nèi)物質(zhì)的新技術(shù)?？蒲腥藛T使用的是一種納米級微粒子，它可以同人或動物體內(nèi)的物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生光，研究人員用深入血管的光導(dǎo)纖維來檢測反應(yīng)所產(chǎn)生的光，經(jīng)光譜分析就可以了解是何種物質(zhì)及其特性和狀態(tài)，初步實驗已成功地檢測出放進溶液中的神經(jīng)傳達物質(zhì)乙酰膽堿。利用這一技術(shù)可以辨別身體內(nèi)物質(zhì)的特性，可以用來檢測神經(jīng)傳遞信號物質(zhì)和測量人體內(nèi)的血糖值及表示身體疲勞程度的乳酸值，并有助于糖尿病的診斷和治療。

2.5納米材料在人體組織方面的應(yīng)用

納米材料在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用相當廣泛，除上面所述內(nèi)容外還有如基因治療、細胞移植、人造皮膚和血管以及實現(xiàn)人工移植動物器官的可能。

目前，首次提出納米醫(yī)學的科學家之一詹姆斯貝克和他的同事已研制出一種樹形分子的多聚物作為DNA導(dǎo)入細胞的有效載體，在大鼠實驗中已取得初步成效，為基因治療提供了一種更微觀的新思路。

納米生物學的設(shè)想，是在納米尺度上應(yīng)用生物學原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，研制可編程的分子機器人，也稱納米機器人。納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的內(nèi)容，第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結(jié)合體，這種納米機器人可注入人體血管內(nèi)，進行健康檢查和疾病治療（疏通腦血管中的血栓，清除心臟脂肪沉積物，吞噬病菌，殺死癌細胞，監(jiān)視體內(nèi)的病變等）［12］；還可以用來進行人體器官的修復(fù)工作，比如作整容手術(shù)、從基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安裝在基因中，使機體正常運行或使引起癌癥的DNA突變發(fā)生逆轉(zhuǎn)從而延長人的壽命。將由硅晶片制成的存儲器（ROM）微型設(shè)備植入大腦中，與神經(jīng)通路相連，可用以治療帕金森氏癥或其他神經(jīng)性疾病。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置。這種納米機器人一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?/p>

瑞典正在用多層聚合物和黃金制成醫(yī)用微型機器人，目前實驗已進入能讓機器人撿起和移動肉眼看不見的玻璃珠的階段［13］。

納米材料所展示出的優(yōu)異性能預(yù)示著它在生物醫(yī)學工程領(lǐng)域，尤其在組織工程支架、人工器官材料、介入性診療器械、控制釋放藥物載體、血液凈化、生物大分子分離等眾多方面具有廣泛的和誘人的應(yīng)用前景。隨著納米技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域中的應(yīng)用，臨床醫(yī)療將變得節(jié)奏更快，效率更高，診斷檢查更準確，治療更有效。

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