生物医学工程论文

磁性纳米材料在医学中的应用功能材料2012-1黄卓2012441113指导老师:刘雪摘要磁性纳米生物材料是将纳米材料和生物材料交叉起来组成的一个全新的材料领域，这种材料在医学上有着相当诱人的并且广泛的应用前景。本文将主要针对磁性纳米材料目前的研究以及其在生物医学中的应用做出比较全面的讲述，并展望了纳米生物材料在医学上的发展趋势。关键词磁性纳米生物材料；医学；应用SeveralNano-BiomaterialsforMedicalApplicationFunctionalMaterials2012-1HuangZhuo2012441113Tutor：LiuXueAbstract:Biomaterialandnano-materialcompriseabran-newfieldwhatnamednano-biomaterialwhichhasacomparativelyattractiveandcomprehensivemedicalapplicationprospect[1].Inthispaper,thecurrentresearchesandapplicationsofmagneticnano-biomaterialwillbereviewedallround.Andthedevelopmentaltendencyofnano-biomaterialsaboutmedicineisalsoforecasted[2].Keywords:magneticnano-biomaterial;medicine;application一、前言纳米材料由于具有以下一些特点：①小尺寸效应（结构单元或特征维度尺寸在纳米数量级，即1～100nm）；②存在大量的界面或自由表面；③各个纳米单元之间存在一定的相互作用；④具有磁导向性能、低毒性、生物相溶性、可注射性等，因此越来越受到生物医学工作者的肯定和关注。由于纳米材料结构的特殊性，使得纳米材料具有一些独特的效应，主要表现为表面或界面效应和小尺寸效应，因而在性能上与相同组成的微米材料有非常显著的差异，拥有许多优异的性能和全新的功能[3]。当铁磁材料的粒子处于单筹尺寸时，矫顽力将呈现极大值，粒子进入超顺磁性状态。这些特殊性能使各种磁性纳米粒子的制备方法及性质的研究越来越受到重视。开始，以纯铁纳米粒子为研究对象，制备工艺几乎都是采用化学沉积法。后来，出现了许多新的制备方法，如湿化学法和物理方法，或两种及两种以上相结合的方法制备具有特殊性能的磁性纳米材料。磁性纳米材料具有许多不同于常规材料的独特效应，如量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应以及宏观量子隧道效应等，这些效应使磁性纳米粒子具有不同于常规材料的声、光、电、磁、热、敏感特性[4]。当磁性纳米粒子的粒径小于其超顺磁性临界尺寸时，粒子进入超顺磁性状态，无矫顽力和剩磁。众所周知，对于块状磁性材料，其体内往往形成多筹结构以降低体系的退磁场能。纳米粒子尺寸处于单筹临界尺寸时具有高的矫顽力。小尺寸效应和表面效应导致磁性纳米粒子具有较低的居里温度。另外，磁性纳米粒子的饱和磁化强度比常规材料低，并且其饱和磁化强度随粒径的减小而减小。当粒子尺寸降低到纳米量级时，磁性材料甚至会发生磁性相变。磁性纳米材料也具有良好的磁导向性、较好的生物相容性、生物降解性和活性能基团等特点，它可结合各种功能分子，如酶、抗体、细胞、DNA或RNA等，因而在靶向药物、控制释放、酶的固定化、免疫测定、DNA和细胞的分离与分类领域有广泛的应用。近十几年来，科学工作者对磁性纳米粒子进行各种化学的、物理的、生物的表面修饰，制备出各种各样的不同用途的具生物活性功能基团的纳米磁粒，极大地拓宽了纳米磁粒在医学上的应用范围。本文拟就近几年来纳米磁粒在医学研究领域的主要进展概述如下[5]。二、磁性纳米粒子在医学中的应用（1）肿瘤的热疗肿瘤热疗是肿瘤治疗技术中的一个非常重要的方法。磁粒用于肿瘤热疗（磁致热疗）治疗癌症是因为磁粒在磁场的引导下，可靶向病变部位，同时在交变磁场的作用下，磁滞后效应而产生热量将富有磁粒的肿瘤部位加热到43～48℃之间，选择性杀死癌细胞同时又不伤害正常细胞。该方面有所进展的例子是A.Jordan博士领导的研究团队发现用糖衣包裹氧化铁粒子伪装后，可以成功逃过人体免疫细胞的攻击而安然进入肿瘤组织内，加上交换磁场，在维持治疗部位45～47℃的温度下，氧化铁粒子便可杀死肿瘤细胞，临近的健康组织却不受到明显影响。有人结合细胞免疫技术采用磁性阳离子脂质体对小鼠的瘤灶进行热疗，能使小鼠75%的瘤块消退，把磁流体热疗与放疗结合起来对移植性前列腺的哥本哈根老鼠模型进行实验，发现在第一个疗程，热疗温度可达到42～58℃，两个疗程后与对照组比较，抑制肿瘤增生87%～89%。颜士岩等采用Fe2O3纳米磁流体对小鼠热疗，实验显示纳米磁流体热疗对肝癌的体积和质量有明显的抑制作用[6]。（2）肿瘤的栓塞治疗血管栓塞术已广泛应用于临床肿瘤的治疗，尤其用于晚期肝、肾恶性肿瘤的治疗。磁性微纳米球栓塞技术是采用微纳米磁性颗粒做栓塞剂，在磁场的引导下有利于靶向进入病灶部位并滞留于末梢血管床而不再通过其它通路进入静脉循环引起栓塞失败或异位栓塞。磁性微纳米球栓塞还可结合化疗、热疗、放疗等方法一起施行，提高其治疗效果。目前采用有机硅管模拟血管，探讨了体外肿瘤栓塞治疗中的磁流体浓度、流速、磁场参数等。结果显示当磁流体流速小于0.12m/min时可阻塞小动脉血管。把栓塞和热疗结合起来，在荷瘤家兔的肝动脉灌注氧化铁碘化油混悬液，在磁场下阻塞血管，并交变电流，测定瘤组织的温度变化和组织内的铁含量。发现升温速率为0.5℃～1.0℃/min升稳速率与铁含量成正相关，顾亚律等探讨四氧化三铁微粒与碘化油混悬液对兔肾动脉的栓塞作用和导向作用机制，发现四氧化三铁微粒与碘化油混悬液对兔肾动脉栓塞效果好，无明显毒副反应；栓塞过程中Fe3O4微粒栓塞肿瘤临床作用与疗效，结果显示Fe3O4微粒具有缓慢性栓塞，可避免和减少栓塞后对正常组织的损伤，能降低栓塞后并发症[7]。通过栓后外科手术切除病理证实：未见肿瘤侧枝形成．肿瘤坏死彻底。（3）肿瘤的基因治疗近年来，肿瘤基因治疗因其具有特异性、安全性、有效性的特点而受到越来越多的关注，而且许多临床研究取得了满意的效果。建立有效靶向细胞转移目的基因的载体系统是基因治疗研究必不可少的一个重要方面。目前临床试验中所用的载体一般有两类：病毒载体和非病毒载体。非病毒载体较病毒载体更为安全而成为较佳的选择。肿瘤基因治疗中用到的非病毒载体主要分为：脂质体、脂质复合物、阳离子多聚物、磁性纳米粒子等。把经便面修饰的磁性纳米粒与日本血凝病毒壳蛋白结合，可提高其转入细胞的转染效率。向娟娟等探讨了氧化铁纳米颗粒作为体外基因载体的可行性及其外加磁场对于其转染效率的影响。氧化铁纳米颗粒可将外源基因转染至多个细胞系并高效表达。不同细胞系的转染效率和时间各不相同。外加磁场可使转染效率提高5～10倍[8]。（4）磁性纳米颗粒对蛋白酶的吸附及固定化生物高分子例如酶等都具有很多官能团，可以通过物理吸附、交联、共价偶合等方式将他们固定在磁性颗粒的表面。用磁性纳米颗粒固定化酶的有点是：易于将酶与底物和产物分离；可提高酶的生物相容性和免疫活性；能提高酶的稳定性，且操作简单、成本较低。制备吸附蛋白酶的磁性高分子颗粒的过程可以概括为：制备磁流体，在对磁流体中的磁性纳米颗粒用大分子包覆或联结，所形成的磁性高分子载体可用作亲和吸附的磁性亲和载体。作为酶的固定化载体，磁性高分子颗粒有利于固定化酶从反应体系中分离和回收，还可以利用外部磁场控制磁性材料固定化酶的运动和方向，从而代替传统的机械搅拌方式，提高固定化酶的催化效率。磁性高分子颗粒作为美的固定化载体还具有以下优点：固定化酶可重复使用，降低成本；可提高酶的稳定性，改善酶的生物相容性、免疫活性、亲疏水性；分离及回收，操作简单，适合大规模连续化操作[9]。三、磁性纳米材料在医学应用上存在的问题及展望目前的磁性纳米材料在生物医学领域的应用研究才刚刚起步，但随着磁性纳米材料的产业化和商业化的推进，如何大批量的生产质量可靠稳定的磁性纳米材料，如何在生产过程中简化生产步骤，降低成本，以期望大规模临床应用[10]。磁性纳米材料在生物医学方面已表现出独特的优势，具有潜在的应用前景。随着高分子材料学、电磁学、医学、生物工程学的进一步发展，必将加速推动对磁性纳米材料的基础研究和在生物医学应用研究工作，使之进入一个新的发展阶段。参考文献：[1]TakeshiKbayashi,etal.JBiosciBioeng,2005,100(1)：112～115.[2]MarxJ,Science,2000,288(5470):137.[3]孟祥兵,王秀芳.生命的化学,2001,21(2):111～113.[4]汤富酬,薛友纺.遗传,2001,23(2):167～172.[5]段发平,梁承邺.生物学通报,2002,37(3):15～16.[6]孙建国，陈正堂。生物化学与生物物理进展，2002,29（5）：678～681.[7]陈忠斌，于乐成，王升启。中国生物化学与分子生物学研究学报,2002,18（5）:525～528.[8]雷迎峰.国外医学分子生物学分册[M],2002,24(4):124～126.[9]向娟娟，聂新民。中华肿瘤杂志，2004,26(2):71～74.[10]龚连生,张阳德.中国现代医学杂志,2001,11(3):14～16