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纳米技术研究进展综述

Sowjanya K

戈卡拉珠药学院工业药学系

*通讯作者:
Sowjanya K
M.Pharmacy
工业药学系
戈卡拉朱药学院
Bachupally,海得拉巴,印度
电话:8897861215
电子邮件: (电子邮件保护)

收到:2015年5月9日接受:2015年6月6日

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摘要

纳米颗粒正在成为广泛应用的关键组件。由于在生物医学、光学和电子领域有广泛的潜在应用,纳米粒子的探索目前是一个非常具有逻辑性的领域。研究涵盖众多学科,如纳米技术、分子工程、医学、药物制造、生物学、化学、物理学、光学元件、聚合物科学、机械工程、毒理学、化妆品、能源、食品技术以及环境和健康科学。本文着重介绍了纳米颗粒在不同领域的广泛应用和用途。纳米技术在医学和更具体的药物输送中的应用将迅速普及。目前,许多物质正在被研究用于药物输送,更具体地说,用于癌症治疗。这篇文章还提供了纳米颗粒的缺点及其在饮食方面的风险。本文首先介绍了纳米材料在科学和医药领域的应用,并试图对该领域的最新进展进行概述。

关键字

纳米技术;纳米材料;纳米颗粒;纳米管;纳米;生物学;应用程序

简介

纳米粒子是大小在1到100纳米之间的粒子。在纳米技术中,粒子被定义为一个小物体,就其传输和性质而言,它表现为一个完整的单元[1].许多常用材料的性能在由纳米粒子形成时发生了变化。这通常是因为纳米颗粒比大颗粒有更值得注意的表面范围,这使得它们对一些不同的原子更敏感。纳米颗粒具有重要的科学意义,因为它们是块状材料和原子或分子结构之间的桥梁[2].纳米颗粒的有趣和有时意想不到的特性部分不是由于材料的表面方面,而是由于它的体积特性。纳米颗粒在不同领域有着广泛的应用图1.纳米颗粒具有非常高的表面积与体积比。这为扩散提供了巨大的驱动力,特别是在高温下。生物可降解聚合物纳米颗粒有可能成为病毒基因传递的更安全替代品;然而,它们在体内的疗效较差,限制了它们的使用。纳米颗粒通常具有意想不到的光学特性,因为它们足够小,可以限制电子并产生量子效应。如FDA所示[3.],这些纳米材料可以具有完全不同的合成、物理或自然性质,与相同的材料相比,在更大的普通尺寸。

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图1:纳米颗粒的应用

纳米粒子的形成方法

自由的纳米粒子通过分离较大的粒子或通过受控的收集程序被框定。

纳米粒子的组装方法有两种:

“自上而下”的方法包括分离大量的材料,从它们中创建相应的纳米结构。该系统特别适用于制造相互连接和合并的结构,例如电子硬件[4-6].

在“自下而上”的方法中,单个原子和分子被组装成更大的纳米结构[7].尽管到目前为止,人造材料的制造仍然比自然界中不可预测的结构容易得多,但这是一种具有核精确性的难以区分的结构的有效策略。

随着纳米颗粒在不同领域的应用不断扩大,对具有良好形态、高数量、低价格的纳米颗粒的需求也在增加。由于这种高需求的主要原因是纳米颗粒的大比表面积,因此已经设计了不同的方法来增加表面积。化学改性[8纳米颗粒的封装是最常见的做法,也是一个有价值的创新的领域。表面改性可以有以下原因:

•活性纳米颗粒应钝化

•聚合纳米颗粒在介质中,其中纳米颗粒被分散是稳定的

•用于分子识别等应用的纳米颗粒被功能化

•促进纳米颗粒的组装

接枝硫代表面活性剂[910]或聚合物、吸附带电表面活性剂、带电配体或聚合物刷、附着生物分子(如DNA、蛋白质、抗原)或在纳米颗粒上涂覆连续聚合物膜是最常用的表面改性方法。

纳米颗粒在医学中的应用

蛋白质填充纳米颗粒的表面变化[11-13已经证明会影响纳米颗粒刺激免疫反应的能力。研究人员现在认为这些纳米颗粒可以用于可吸入疫苗。

科学界正在研究将碳纳米颗粒称为纳米金刚石用于医疗应用的方法[14].含有蛋白质分子的纳米钻石可用于促进牙齿和关节植入物周围的骨骼生长。研究人员正在测试将化疗药物附着在纳米钻石上治疗脑肿瘤。其他研究人员正在研究将化疗药物附着在纳米钻石上治疗白血病。

另一种自我收集的纳米颗粒已经被生产出来,可以针对肿瘤,帮助专家事先分析恶性肿瘤。新的纳米颗粒支持MRI的充分性[15-18特别是通过在恶性细胞中寻找受体来进行检查。纳米颗粒被一种特殊的蛋白质覆盖,这种蛋白质可以搜索肿瘤发出的特定信号。当它发现一个危险细胞时,它开始与危险细胞交流;这种配合剥去了蛋白质的覆盖物,使纳米颗粒自我聚集成一个更大的分子,因此在扫描时更容易被识别。

另一种纳米颗粒已显示出更成功地输送化疗治疗生长的潜力。在研究中心的研究中,分析人员创造并尝试了另一种可以输送更大剂量药物的纳米颗粒[19并且在分子通过循环系统到达目标的过程中不会释放药物。

纳米颗粒有潜力更有效地递送化疗药物来治疗癌症[20.-26].在最近的研究中,研究人员开发了一种新型纳米颗粒,它可以输送大量的药物,并且在到达目标之前,颗粒在血液中循环时不会泄漏药物[27].

银纳米粒[28溶液被用来治疗口腔感染。银纳米颗粒可以悬浮在新药中,并用于医院的预防保健。漱口水中添加的银有助于假牙佩戴者防止生物膜的生长[29-31].亨利克斯教授认为,银纳米颗粒甚至可以被制成假牙,为口腔内的真菌和细菌提供保护。

研究人员正在开发一种利用含有胰岛素的海绵样基质以及纳米胶囊释放胰岛素的技术[32-36含有一种酶。当葡萄糖水平上升时,纳米胶囊会释放氢离子,氢离子与组成基质的纤维结合。氢离子使纤维带电,相互排斥,并在基质中创造空间,胰岛素通过这些空间释放出来。

纳米颗粒含有一氧化氮气体[37],这种物质可以消灭细菌。对小鼠的研究表明,这些纳米颗粒在葡萄球菌脓肿部位释放一氧化氮气体,显著降低了感染。

研究人员展示了一种利用纳米颗粒进行感染性疾病早期诊断的新方法。纳米颗粒附着在血流中的分子上,表明感染的初始阶段。当扫描样品进行拉曼散射时,纳米颗粒[38-40]增强了拉曼信号的效果,提供了在非常早期阶段表明传染病的分子的清晰检测。

纳米粒子在药物研发中的优势

可有效控制纳米颗粒的分子大小和表面质量,实现体外组织后药物的超然和动态聚焦[41-43].它们控制和维持药物在运输和限制部位的释放,调整药物的器官传播和随后的给药方式,以达到增加药物的有益充分性,减轻症状的目的。通过将对配体的聚焦连接到粒子表面或利用吸引方向来实现定点聚焦。该框架可用于不同课程的组织,包括口腔,鼻腔,肠外,视觉内等。纳米颗粒可以更好地将药物输送到体内的小区域。在这种规模的基础上,科学家可以进一步进行选择,对聚合物和不同生物材料的物理特性进行已经难以想象的控制[44-49].纳米颗粒克服了体内生理边界所宣传的阻力,因为药物在身体不同部位的熟练输送直接受到分子大小的影响。纳米颗粒有助于有效的药物输送,提高无效溶解药物的液体偿付能力,提高药物颗粒定时放电的生物利用度,并精确药物聚焦。纳米颗粒的表面特性可以被调整,以集中于药物运输,例如小颗粒,蛋白质,多肽和核酸堆积的纳米颗粒不能被安全框架感知,并能够集中于特定的组织种类。纳米药物转运体[50-52更重要的是,减少药物危害,提供更有效的药物运输。纳米载体保证了生物技术药物在不同解剖部位的传递。

纳米粒子在制造材料中的应用

硅酸盐纳米颗粒被用于在包装用的塑料薄膜中提供气体(例如氧气)或水分的屏障[53].这可以减缓食物变质或变干的过程。

氧化锌纳米粒[54在工业涂料中用作分散剂,以保护木材、塑料和纺织品免受紫外线的照射。

二氧化硅晶体纳米颗粒[55-58可以用来填充碳纤维之间的缝隙,这有助于增强网球拍的强度。

纳米技术应用于食品的生产、加工、安全和包装。纳米技术有可能使对食物分子形式的操纵提供比目前更强的能力、更低的价格和更高的可持续性[59].一种纳米复合材料覆盖程序应该通过直接将微生物操作人员放在覆盖膜表面来增强支撑束,并可以根据不同物品的需要建立或降低气体穿透性。它们同样可以增强机械和耐热性能,降低氧气传输速率。也应该有可能将纳米技术应用于化学和生物物质的检测,以感知食品中的生化变化,并在未来扩展到整个食物链

纳米颗粒与环境

科学家利用光催化氧化铜钨纳米颗粒将石油分解成可生物降解的化合物[60-63].这些纳米颗粒为阳光激活的反应提供了高表面积,并且可以在水中工作,这使得它们在清理石油泄漏时非常有用。

研究人员将金纳米颗粒包裹在多孔锰氧化物中,在室温催化剂下分解空气中的挥发性有机污染物。纳米铁可用于净化地下水中的四氯化碳污染[64].氧化铁纳米颗粒也被用于清除水井中的砷。

纳米粒子在电子领域的应用

研究人员使用被称为纳米四足虫的纳米颗粒点缀碳纳米颗粒来开发用于燃料电池的低成本电极。这种电极可以用来取代燃料电池催化剂所需的昂贵铂。

一种使用铂钴纳米颗粒的燃料电池催化剂已被开发出来,其催化活性比纯铂提高了12倍[65].为了实现这一性能,研究人员对纳米颗粒进行退火,使其形成晶体状结构,减少了表面铂原子之间的空间,增强了它们的反应性。

研究人员已经证明,聚焦在纳米颗粒上的阳光可以产生高能效的蒸汽[66].“太阳能蒸汽装置”旨在用于没有电力的发展中国家地区,用于净化水或消毒牙科器械等用途。

半导体纳米颗粒应用于低温打印工艺,使低成本太阳能电池的制造成为可能。

纳米颗粒的危险

纳米颗粒可能会导致人体肠道细胞损伤。

据报道,纳米颗粒会导致人体肠道细胞损伤,然后被释放到环境中。新的研究表明,食品、药品和身体护理产品中的纳米颗粒会导致人体肠道细胞损伤[69-71].随着时间的推移,这些颗粒也会回到环境中,然后进入污水,最终影响到水生生物。

纳米颗粒(未经测试)在饮食方面

纳米技术是在分子水平上操纵物质的方法。事实上,纳米材料尚未经过测试,并存在几个安全问题[72-74],主要是可以绕过血脑屏障和胎盘,增加化学物质和毒素的生物利用度,这些化学物质和毒素会在全身迁移到器官和组织。由于纳米颗粒与较大的纳米颗粒相比在总表面积上有所不同,因此它们比正常大小的纳米颗粒更具活性,具有更大的毒性。

纳米颗粒破坏土壤中有用的微生物菌群

未受污染的土壤含有有益微生物[75],其中一些是帮助植物吸收氮所必需的。但是当纳米颗粒进入土壤时,这些微生物大部分被杀死了。最终的结果是植物缺乏氮,从而缺乏正常生长和维持必要营养水平的能力。

含有纳米颗粒的防晒霜可能会导致皮肤癌

现在许多防晒霜都含有二氧化钛或氧化锌的纳米颗粒,比人类头发的宽度还要小10万倍左右。使用纳米技术的原因是使防晒霜不那么油腻,更容易涂抹在皮肤上。76].最近的研究表明,氧化锌纳米颗粒可以穿透健康的人类皮肤,到达血液和尿液,杀死小鼠的脑干细胞,并在极低的浓度下破坏结肠细胞。他们还引用了一些研究,发现纳米级的二氧化钛会在怀孕小鼠体内产生基因变化,并与阿尔茨海默病、自闭症和癫痫有关。二氧化钛纳米颗粒诱导单链和双链DNA断裂,引起染色体损伤和炎症,所有这些都增加了患癌症的风险。二氧化钛纳米颗粒积聚在不同的器官,因为没有办法在内部消除它们。由于这些颗粒非常微小,它们可以去任何地方,甚至可以穿过细胞,在亚细胞水平上破坏身体功能。

纳米颗粒的体内毒性分析

纳米颗粒越小,毒性就越大。这是因为小的纳米颗粒很容易被细胞吸收,从而进入身体的一些重要部位。因此,较大的纳米颗粒毒性可能相对较小,因为在相同浓度下,它们的细胞吸收和吸收较少且受到限制。

为了考虑和预测在体内应用中可能的纳米颗粒毒性,应该仔细研究和检查一些事情。

细胞毒性的体外研究[77-80]应该被谨慎地用于推断体内研究的预期结果。纳米颗粒在体内结构中会遇到非常复杂的问题,因为它们周围存在各种各样的蛋白质和小生物分子。在这些邻近的生物分子的作用下,纳米颗粒可以被降解,被吞噬细胞淹没,或者被淋巴框架航行到远离靶点的地方。从非常受控的环境中得到的测量反应,例如,在精制板中得到的反应可能通常不会引入在体内环境中得到的相同结果。因此,在进行动物模型试验之前,在体内框架内进行纳米颗粒反应的体外试验是不够的。

其次,目前对细胞毒性或炎症反应进行的检测的局限性[81-84应该仔细检查细胞与纳米材料的关系,并进一步努力推进技术,以更好地分析纳米颗粒。有关纳米颗粒体外细胞毒性和炎症反应的研究均采用常规方法。这些报告几乎没有提供关于单个细胞暴露于纳米颗粒时如何反应的见解和信息。甚至对这些测定结果的分析也容易出现一些错误,因为细胞可能会根据所采用的测定方法表现出独特的行为。

目前用于评估纳米颗粒的细胞毒性和免疫反应分析的局限性可以列出如下。首先,在获得单一检测结果后,细胞无法恢复;因此,对细胞活动变化进行时间依赖性监测的可能性是有限的。其次,分析的读数是所有存在细胞的平均值。因此,单个细胞对纳米颗粒的反应不能从实验中单独记录。第三,细胞内的纳米颗粒可能会由于检测中使用的染料产生的荧光信号而产生一些干扰。此外,纳米颗粒[85]可与染料相互作用,并与染料结合,改变染料的吸收,因此荧光也会中断[86-88].纳米颗粒还可以吸附到细胞培养基中的蛋白质和其他生物分子上,这可能会对颗粒造成干扰,并与细胞正常相互作用。此外,与细胞释放的细胞因子结合的纳米颗粒可能会人为地降低检测的阳性信号。流式细胞术是生物反应分析中常用的方法,但该技术需要将细胞从细胞培养板中分离,但这可能会影响细胞的死亡率。由于这些限制,迫切需要开发和稳定一种固体测定法,以帮助克服传统测定法的上述问题,并评估对纳米颗粒的生物反应。

用于评估细胞毒性[89-92]和炎症反应的纳米颗粒以多种方式已经开发了尖端的单细胞分析技术。多重分析策略将用于各种纳米颗粒的安全性研究。对单个细胞对纳米颗粒反应的时间依赖性分析可以阐明纳米颗粒的毒性机制。这种单细胞分析可用于常规的大体积分析。讨论的方法将有利于纳米毒理学研究,并通过提供有效分析工具的概念证明来帮助更广泛的纳米技术社区[93-95]以研究纳米颗粒在单细胞水平上的多重安全性。

结论

纳米颗粒广泛应用于药物发现、药物输送、诊断和许多其他医学领域。纳米颗粒也被用于制造过程、食品工业和电子工业[9697].利用纳米颗粒进行药物运输所带来的危险超过了运输网络中化学物质所造成的普通风险。有机反应对纳米材料的理论理解有望创造和应用安全的纳米材料[98-102在以后的药物运输中。此外,在药物输送和分子毒理学方面工作的人员之间的密切协调努力对于在这个问题上交换想法、策略和能力是必不可少的。

参考文献

全球科技峰会