纳米技术在医药领域的应用综述

摘要

纳米技术是亚原子水平的功能系统工程，涵盖广泛的主题，专注于控制和开发100纳米以下大规模问题的结构。纳米技术是先进发展的未来。本文详细讨论了纳米技术在医疗、电子、能源和环境等各个领域的应用。解释了纳米粒子在药物传递、蛋白质和肽传递、癌症方面的应用。给出了各种纳米系统在癌症治疗中的应用，如碳纳米管、树状大分子、纳米晶体、纳米线、纳米壳等。纳米药物可用于在更早期阶段识别疾病。在本文中，我们讨论了纳米技术的概念及其历史和不同的应用。

简介

纳米技术是在粒子和亚原子尺度上控制物质的研究。一般来说，纳米技术涉及至少一维的1-100纳米之间的结构，并涉及在该尺寸内修改或开发材料。纳米技术是应用科学和技术的一个假想和实验领域。它使材料更轻、更强、更快、更小、更耐用。1]。“Nano”这个词来源于希腊单词“Nanos”，意思是侏儒或极小的。纳米技术的前缀“纳米”是十亿分之一(1 × 10)的意思⁹) [2]。纳米技术通常被称为通用技术，因为它对几乎所有行业和社会的所有领域都有重大影响。

文献综述

纳米科学(Nanoscience)和纳米技术(纳米技术)是科学与工程领域中高速发展的晚期学科。纳米技术可以被描述为涉及材料和器件的设计、合成、表征和应用的科学和工程，这些材料和器件的最小功能组织，在任何情况下，一次测量都是在纳米尺度或十亿分之一米。纳米技术有时被认为是一种通用技术，因为在其先进版本中，它将对几乎所有社会领域和所有行业产生重大影响[3.]。

纳米技术的历史

纳米技术领域的发展始于1958年，其不同的发展阶段可以概括为表1。

表1。纳米技术的周期性发展。

谷口则夫(Norio Taniguchi)是1974年首次使用“纳米技术”一词的人(东京科学大学教授)。他开始了硬脆材料高精度加工的自由磨料机理研究。金·埃里克·德克斯勒是纳米技术的创始人和之父。他是从上到下将纳米技术理论化并推动该学科发展的幕后推手。他是一名美国工程师，从20世纪70年代到80年代，他因促进亚原子纳米技术的能力而闻名。1979年，埃里克·德雷克斯勒遇到了费曼关于核控制和纳米工厂的讨论[4]。

纳米尺度和纳米结构

在纳米尺度上，最常见的事物的性质是在粒子的尺度上决定的。纳米尺度的物体在任何情况下都有一个测量值(高度、长度、深度)在1到999纳米之间(图1)．医药纳米系统简介如下:如图所示(图2)，医药纳米技术可分为两种基本类型的纳米聚集体，即纳米材料和纳米器件。这些材料可细分为纳米晶体材料和纳米组织材料。纳米结构包括纳米粒子、树状大分子、胶束、药物偶联物、金属纳米粒子等。[5］

纳米粒子

粒径在1- 100nm之间的颗粒被称为纳米颗粒，无论它分散在气体、液体或固体介质中。这是几个原子或分子结合在一起，大小介于单个原子和大到足以被称为质量物质的聚集物之间。图3显示纳米颗粒的图片。纳米科学和纳米技术是后来科学和工程领域的革命性发展，发展速度非常快。它是由渴望制造具有新颖和改进性能的材料所驱动的，这些材料可能会影响物理和化学科学、生物科学和健康科学的几乎所有领域。不同系统的维度。由于纳米粒子比单个原子和分子大，但比实体固体小，因此它们既不服从绝对量子化学，也不服从经典物理科学规律，纳米尺度下的材料表现出介于宏观固体和原子或分子系统之间的行为[6]。

自上而下的方法包括各种用于制造纳米级材料的技术，包括激光烧蚀，纳米颗粒的性质:

1.它们可以通过收集单个原子或细分质量材料来构建。

2.物理上，材料可以用临界长度、热扩散长度或散射长度来描述。

3.纳米颗粒的大小小于光的波长。

4.关键特征是它们非常高的表面体积比。

5.范德壁力或磁力起着比引力更重要的作用。

6.纳米颗粒的合成:纳米颗粒的合成有两种方法，自上而下(极端小型化)和自下而上(构建块)。自顶向下的方法涉及到将较大的材料分解成细颗粒，而自底向上的方法倾向于从纳米或亚纳米尺度的物体形成纳米结构。在自底向上的方法中，通过调整化学和所选盖覆材料浓度的比例来保持纳米结构的大小和形状。常用的封盖材料有聚合物、胶束、树状大分子和表面活性剂[7]。

7.铣削，纳米光刻，水热技术，物理气相沉积，电镀。在这种方法中，化学方法比物理方法更有效地大规模生产金属纳米颗粒。由自底向上方法产生的设备可以存储大量的信息。自底向上的方法通过溶胶-凝胶处理、基于反胶束的液相技术、激光热解、化学气相沉积(CVD)和分子自组装等方法用于纳米级材料的合成[8]。

纳米技术的应用:

发现纳米技术潜在应用的各个领域如下:

1.保健和医药

2.电子产品

3.运输

4.运输

5.太空探索

纳米技术在卫生和医学中的应用

即使在今天，糖尿病、癌症、帕金森病、阿尔茨海默病、心血管疾病、多发性硬化症等各种疾病，以及各种严重的炎症或传染病(如艾滋病毒)，构成了大量严重而复杂的疾病，是人类面临的重大问题。纳米医学和纳米技术在卫生和医学领域的应用。纳米药物利用纳米材料和纳米电子生物传感器。在未来，纳米医学将受益于分子纳米技术。纳米科学应用的医学领域有许多预期的好处，对所有人类都有潜在的价值。在纳米医学的帮助下，疾病的早期识别和预防、改进诊断、适当治疗和随访是不可能的。某些纳米级颗粒被用作标签和标签，生物可以快速进行，检测变得更加敏感和适应性更强。随着金纳米颗粒等纳米器件的发明，基因测序变得更加高效，这些金颗粒在标记了短段DNA后可用于检测样本中的基因序列[9]。

纳米技术、能源和环境

保护环境，为不断增长的世界提供足够的能源。先进的纳米技术可以帮助储存能量，将其转化为其他形式，环保制造材料，更好地增强可再生能源。纳米技术可用于成本较低的能源生产和再生能源，如太阳能技术、纳米催化、燃料电池和氢技术[10]。碳纳米管能源单元被用于氢的容量，随后发现应用于动力汽车。

纳米技术被用于光伏发电，使其更便宜、更轻、更高效，可以通过纳米渗透通道减少发动机污染物的燃烧，并可以通过由纳米级贵金属颗粒组成的催化转换器，以及在汽缸壁上的催化涂层和作为燃料添加物质的催化纳米颗粒来机械地清洁废气。

纳米材料的医疗用途

纳米医学是一个相对较新的科学技术领域。纳米技术通过在纳米尺度上与生物分子相互作用，拓宽了研究和应用领域。纳米器件与生物分子的相互作用可以在细胞外介质和人体细胞内被感知。纳米尺度的活性可以利用不同于在微观尺度观察到的物理性质，如体积/表面比[11]。

两种形式的纳米药物已经在小鼠身上进行了测试，正在等待人体试验;利用金纳米壳来帮助诊断和治疗癌症，以及使用脂质体作为疫苗佐剂和药物运输的载体。此外，药物解毒也是纳米药物在大鼠身上成功应用的另一个应用。医疗技术可以使用较小的设备，这些设备不那么突兀，可以植入体内，而且它们的生化反应时间受到很大限制。与典型的药物传递相比，纳米器件更快更敏感。

药物输送

在这个过程中，使用所需的药物剂量，副作用显著降低，因为活性物质只沉积在病态区域。这种高度特异性的方法可以减少成本和患者的痛苦。因此，各种纳米颗粒，如树状大分子和纳米多孔材料发现应用。从聚合物块中获得的胶束用于药物包封。它们将小药物分子运送到所需的位置。类似地，纳米机电系统被用于药物的主动释放。铁纳米颗粒或金外壳在癌症治疗中有重要应用。集中用药减少药物消耗和治疗费用，使患者的治疗具有成本效益。

用于药物传递的纳米药物由纳米级颗粒或分子组成，可以提高药物的生物利用度。为了使体内特定部位和一段时间内的生物利用度最大化，分子靶向是由纳米工程设备(如纳米机器人)完成的。分子是集中的，药物的传递是细胞精确完成的。在活的有机体内成像是纳米工具和设备正在开发的另一个领域在活的有机体内成像。使用纳米颗粒图像，如超声和核磁共振成像，纳米颗粒被用作对比。这种纳米工程材料正被开发用于成功治疗癌症等疾病。随着纳米技术的进步，可以制造自组装的生物相容性纳米器件，它们将检测癌细胞并自动评估疾病，将治愈并准备报告。•纳米颗粒在药物输送中的应用:Abraxane是一种白蛋白结合的紫杉醇，是一种用于治疗乳腺癌和非小细胞肺癌(NSCLC)的纳米颗粒。在莱斯大学和德克萨斯大学MD安德森癌症中心进行的一项小鼠模型研究中，纳米颗粒被用于递送治疗头颈部癌症的有效药物。详细的治疗使用Cremophor EL，它允许疏水紫杉醇静脉输送。当毒性的cremoophor被碳纳米颗粒取代时，其副作用减少，药物靶向性大大提高，需要更低剂量的毒性紫杉醇。

在凯斯西储大学的一项小鼠研究中，纳米分子链被用来将药物阿霉素输送到乳腺癌细胞中。科学家们通过化学方法将三个磁性氧化铁纳米球与一个装载阿霉素的脂质体连接起来，形成了一个100纳米长的纳米分子链。在肿瘤内的纳米链浸润后，磁性纳米颗粒通过产生振动，导致脂质体破裂的射频场，从而使药物以游离形式分散在整个肿瘤中。纳米技术比阿霉素标准治疗更有效地阻止了肿瘤的生长，而且由于使用的阿霉素剂量很少，对健康细胞的危害更小。

蛋白质和肽的传递

蛋白质和多肽是大分子，被称为生物制药。这些已被确定为各种疾病和障碍的治疗，因为它们在人体内发挥多种生物作用。纳米粒子和树状大分子等纳米材料被称为纳米生物制药，用于靶向和/或控制递送。•应用:纳米颗粒被发现在传递髓鞘抗原方面有用，在复发性多发性硬化症小鼠模型中提示安全耐受性。在这一策略中，生物可降解聚苯乙烯微粒包裹髓鞘肽将重置小鼠的免疫系统，从而防止疾病复发，并减少症状，因为保护性髓鞘在中枢神经系统的神经纤维上形成涂层。这种治疗方法可以潜在地用于治疗各种其他自身免疫性疾病。

癌症

由于纳米颗粒尺寸小，在肿瘤学，特别是成像方面有很大的用途。例如，纳米颗粒，量子点，具有量子限制特性，如大小可调的发光，可以与磁共振成像结合使用，以产生肿瘤目的地的特殊图像。与自然颜色相比，纳米颗粒更亮，需要一个光源来激发。因此，使用荧光量子点可以产生对比度更高的图像，而且成本比使用有机染料作为鉴别介质低。但量子点通常是由毒性很强的元素构成的。

纳米颗粒具有高表面积与体积比的特殊性质，这使得各种官能团可以附着在纳米颗粒上，从而与某些肿瘤细胞结合。此外，由于肿瘤缺乏有效的淋巴引流系统，10 ~ 100 nm的小尺寸纳米颗粒使其优先聚集在肿瘤部位。多功能纳米颗粒可以在未来的癌症治疗中检测、成像并治疗肿瘤。肯兹乌斯射频疗法将微观纳米颗粒附着在癌细胞上，然后用无线电波在体内“烹煮”肿瘤，只加热纳米颗粒和相邻的(癌细胞)细胞。各种纳米系统在癌症治疗中的应用总结如下:

•碳纳米管，0.5-3纳米宽，20-1000纳米长，用于定位DNA突变和检测疾病蛋白质生物标志物。

•小于10纳米的树突分子有助于控释药物的传递，并作为图像造影剂。

•2-9.5纳米大小的纳米晶体可改善无效可溶药物的配方，标记癌细胞的乳腺癌标志物HeR2表面。

•纳米颗粒大小为10- 1000nm，用于MRI和超声图像造影剂和聚焦药物传递，作为渗透增强剂，并作为细胞凋亡，血管新生的报告。

•纳米壳可用于肿瘤特异性成像、深层组织热消融。

•纳米线对疾病蛋白生物标志物检测、DNA突变检测和基因连接检测有价值。

•量子点，2-9.5纳米大小，可以帮助在动物模型和细胞分析中的基因和蛋白质的光学检测，肿瘤和淋巴结可视化。

未来的角度

纳米技术正慢慢渗入大众文化。纳米技术的未来可能非常光明。科技可以终结世界饥饿。图4为纳米科技的成长曲线。

风险:

1.不同的纳米颗粒对人体有影响，对人体健康有负面影响。

2.纳米颗粒固定地嵌入在基质中，可能会释放，是不安全的。

3.工作场所和环境中的纳米颗粒浓度是有害的。

4.它的浪费是非常危险的，可以导致疾病，如癌症等。

结论

在这篇综述中，我们对纳米技术进行了详细的概述，并建立了纳米技术数据库。我们的研究得出结论，纳米载体近年来有了巨大的增长。纳米材料扩大了表面积和纳米尺度的影响，因此被用作药物和质量传递、生物医学成像和诊断生物传感器发展的有前途的工具。纳米材料具有独特的物理化学和生物特性，与较大的同类材料相比。广泛的机会是合成的纳米颗粒的可用部分是具有成本效益的。

参考文献

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