1、292第 11 章 纳米生物医用材料11.1 概述生物医用材料（Biomedical materials）是对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料，又称为生物材料(Biomaterials)。它是材料科学技术中的一个正在发展的新领域，其研究涉及细胞生物学、材料科学、工程技术、临床医学等广阔领域。它可以是天然产物，也可以是合成材料或是它们的结合，还可以是有生命力的活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的杂化材料。与生物系统直接接合是生物医用材料最基本的特征，如直接进入体内的植入材料、人工心肺、肝、肾等体外辅助装置中与血液直接接触的材料等 1,2。随着生物医用材料研究的不
2、断发展，其应用范围也在不断扩大。例如骨、关节、肌肉等骨骼/肌肉系统修复和替换材料；皮肤、呼吸道等软组织材料；人工心脏瓣膜、血管、心血管内插管材料；血液净化分离的过滤器；为尿毒症患者解毒的透析装置，即人工肾、人工肝脏等；再如组织粘合剂和缝线材料；药物缓释载体材料；临床诊断及生物传感器材料等等。直至 20 世纪 80 年代中期生物医用材料一直被定义为是一种无生命的材料，或惰性材料。80 年代末随着生物技术研究的进展，基于生物衍生材料，特别是与宿主具有同源性的生物衍生材料的成功使用和杂化人工组织和器官的构成，人类已开始将生物技术应用于生物材料的研制。在材料结构及功能设计中引入生物构架活体细胞，也就是
3、利用生物要素和功能去构成所希望的材料。即利用生物技术赋予“无生命”的材料以“生命”功能。这种新型材料包含有活体细胞、组成细胞的物质，以及细胞产物和模拟细胞生物合成的人工合成物质。其研究和发展创造了一个新的学科领域，即组织工程学，主要用于人体自身组织和器官的再生与重建。21 世纪的生物医用材料的主要研究内容将是有生命活性的材料，利用生物学原理可以设计和制造的真正仿生的材料 1,2。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。随着纳米科技的发展，纳米技术被广泛应用于生物医用
4、材料的研究中，具有纳米尺度的生物医用材料称为纳米生物医用材料 3,4。在自然界，天然纳米材料早就存在，自然界的蛋白质就有许多纳米微孔；人类及兽类的牙齿，也是由纳米级有机物质所构成。纳米生物医用材料在生物医用材料领域的研究与应用目前尚处于初始阶段，但它所具有的独特结构特征使它显示出优异的性能，代表着生物医用材料的重要发展方向。纳米材料在生物和医学上的应用已经开始。最引人注目的是利用纳米粒进行细胞分离、细胞染293色及利用纳米粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗，或制作人体生物医用材料，如人工肾脏、人工关节等。早在 20 世纪 80 年代初，人们就已开始利用纳米粒进行细胞分离，建立了用 Si0
5、2纳米粒实现细胞分离的新技术。癌症、肿瘤手术后要进行放射性辐照，以杀死残存的癌细胞，但与此同时大面积辐照也会使正常细胞受到伤害，尤其是会使对生命极端重要的具有造血功能和免疫系统的骨髓细胞受损害，所以在辐照治疗前将骨髓抽出，辐照后再重新注入，但在较多的情况下癌细胞已扩散到骨髓中，因此再把癌细胞从骨髓液中分离出来是至关重要的，否则将含有癌细胞的骨髓液注回辐照治疗后的骨髓中还会旧病复发。利用磁性纳米粒分离癌细胞的技术主要采取约 50nm 的 Fe304纳米粒，包覆聚苯乙烯后直径为3m，用于小鼠骨髓液中癌细胞分离的实验。首先从羊身上取出抗小鼠 Fc 抗体(免疫球蛋白)，然后与上述磁性粒子的包覆物相结合
6、。将小鼠带有正常细胞和癌细胞的骨髓液取出，加入小鼠杂种产生的抗神经母细胞瘤(尚未彻底分化的癌化神经细胞)单克隆抗体，此抗体只与骨髓液中的癌细胞结合。最后将抗体和包覆层的磁性粒子放入骨髓液中，它只与携带抗体的癌细胞相结合。利用磁分离装置很容易将癌细胞从骨髓中分离出来，分离度达 99.9以上 3,4。由于纳米粒比血红细胞还小许多，可以在血液中自由运行，因而在疾病的诊断和治疗中发挥独特作用。美国 MIT 已成功研究了以磁性纳米材料为药物载体的靶向药物，磁性纳米粒表面涂覆高分子，在外部再与蛋白相结合，这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒作为药物的载体，经过静脉注射到动物体内(小鼠、白兔等)，在外加磁场下通
7、过纳米微粒的磁性导航，使其移向病变部位，达到定向治疗的目的，因而又称为纳米生物导弹。它可以直接用于治疗各种细胞水平的疾病，对病变组织有亲和力，对病变细胞有杀伤力。例如，对肿瘤的治疗而言，放疗、化疗、外科手术以及器官移植等现行的治疗方法，仅能弥补疾病后果或推迟死亡。用组织工程学技术修复因肿瘤等疾病引起的组织缺损时，首先要解决的问题之一就是肿瘤的复发问题。这种纳米“智能炸弹” ，可以特异性地识别出癌细胞的化学特征，导向定点给药，在肿瘤复发之前，将残存的肿瘤细胞杀灭在萌芽状态之中3,4,5 。这里最重要的是选择一种生物活性剂，根据癌细胞和正常细胞表面糖链的差异，使这种生物活性剂仅仅与癌细胞有亲和力而
8、对正常细胞不敏感，表面包覆高分子的磁性纳米微粒载有这种活性剂就会达到治疗的目的。动物临床实验证实，带有磁性的纳米晶体是发展这种技术的最有前途的对象(纯金属 Ni、Co 磁性纳米粒由于有致癌作用，不宜使用)，例如 10nm50nm 的 Fe304的磁性粒子表面包覆甲基丙烯酸，尺寸约为 200nm，这种亚微米级的粒子携带蛋白、抗体和药物可以用于癌症的诊断和治疗。这种局部治疗效果好，副作用少，很可能成为癌症的治疗方向。但目前还存在不少的问294题，影响这种技术在人体的应用。如何避免包覆的高分子层在生物体中的分解，是今后应该加以研究的问题。纳米粒在临床诊断及放射性治疗等方面也得到应用，如在人体器官成像
9、研究中，纳米粒可以作为增强显著材料进入核磁共振生物成像领域；在铁纳米粒表面覆一层高分子后，可以固定蛋白质或酶，以控制生物反应；国外用纳米陶瓷粒作载体的病毒诱导物也取得成功。和生物医用材料相对应，纳米生物医用材料主要包括纳米生物医用无机材料、纳米生物医用高分子材料、纳米生物医用金属材料、纳米生物医用复合材料等。11.2 纳米生物医用无机材料生物医用无机材料是生物医用材料的重要组成部分，在人体硬组织的缺损修复及重建方面起着重要的作用。根据无机材料的成分和性质，生物医用无机材料可分为生物陶瓷材料、生物玻璃材料、生物玻璃陶瓷、生物医用无机骨水泥、生物复合无机材料等 5 大类 1,2,6。生物医用无机材
10、料很早就应用于人体。早在 1808 年，人们就已将陶瓷用于镶牙。1892 年，Dreesman 发表了第一例使用熟石膏修复骨缺损的临床报道。现在生物医用无机材料的研究及临床应用，已从短期的替代和填充，发展成为永久性牢固植入，从生物惰性材料发展到生物活性材料、生物可降解材料和多相复合材料，已广泛地应用于人工骨、人工关节、人工椎体、骨内固定器件、人工肌腱韧带、人工牙齿、人工心脏瓣膜、耳听骨修复体、人工眼等许多领域。纳米生物医用无机材料是生物材料和纳米科技的一个重要研究领域，它不仅大大改进了传统生物医用无机材料的原有性能，并赋予其新的特殊的效应，显示出比传统生物无机材料更广泛的应用前景。纳米生物无机
11、材料的研究主要包括三个方面：一是系统地研究纳米生物无机材料的性能、微结构和生物学效应，通过和常规材料对比，找出其特殊的规律；二是发展新型的纳米生物无机材料；三是进行应用研究，开创新的产业 3,4,5。以下主要就纳米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米微孔玻璃等予以介绍。11.2.1 纳米生物医用陶瓷材料1概述陶瓷是一种多晶材料，它是由晶粒和晶界所组成的烧结体。由于工艺上的原因，很难避免材料中存在气孔和微小裂纹。决定陶瓷性能的主要因素是组成和显微结构，即晶粒、晶界、气孔或裂纹的组合性状，其中最主要的是晶粒尺寸问题，晶粒尺寸的减小将对力学性能产生很大影响。常规陶瓷由于气孔、缺陷的影响，存在着低温脆性的特点，
12、它的弹性模量远高于人骨，力学相295容性欠佳，容易发生断裂破坏，使它的应用受到一定的限制。普通陶瓷只有温度在 1000以上。应变速率小于 10-4/s 时，才会发生塑性变形。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，科学家希望以此来克服陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差的缺点，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。英国材料学家 Cahn 指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。所谓纳米生物医用陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的生物医用陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、第二相分布、气孔尺寸等都只限于 100nm 量级的水平。纳米粒所具有的小尺寸效应、表面与界面效应使纳米陶瓷呈现出与传统陶瓷显著不
13、同的独特性能，使陶瓷材料的强度、硬度、韧性、超塑性等大为提高，并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响。纳米陶瓷克服了传统陶瓷材料的许多不足，将比传统陶瓷材料有更广泛的应用前景 3,4,5,7。许多纳米陶瓷在室温下或较低温度下就可以发生塑性变形，例如纳米 TiO2陶瓷和 CaF2陶瓷在180下，在外力作用下呈正弦形塑性弯曲。即使是带裂纹的 TiO2纳米陶瓷也能经受一定程度的弯曲而裂纹不扩散；但在同样条件下，粗晶材料呈现脆性断裂。纳米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。一般认为陶瓷具有超塑性应该具有两个条件：较小的粒径；快速的扩散途径(增强的晶格、晶界扩散能力)。纳米陶瓷具有较小的
14、晶粒及快速的扩散途径，所以有望具有室温超塑性。最近研究发现，随着粒径的减少，纳米 TiO2和 ZnO 陶瓷的形变率敏感度明显提高。由于这些试样气孔很少，可以认为这种趋势是细晶陶瓷所固有的。最细晶粒处的形变率敏感度大约为 0.04，几乎是室温下铅的 1/4，表明这些陶瓷具有延展性，尽管没有表现出室温超塑性，但随着晶粒的进一步减小，这一可能是存在的。纳米陶瓷粉体是具有纳米数量级（1nm100nm）尺寸的亚稳态中间物质。随着粉体的超细化，纳米粒粒径减小，比表面积增大，表面原子数增多及表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等，使得其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了块状材料所不具有的特殊的效
15、应。具体地说纳米粉体材料具有以下的优良性能：极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能，可以显著降低材料的烧结致密化程度、节能能源；使陶瓷材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；可以从纳米材料的结构层次（lnm100nm）上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能。另外，由于陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。如果粉料的颗粒堆积均匀，烧成收缩一致且晶粒均匀长大，那么颗粒越小产生的缺陷越小，所制备的材料的强度就相应越高，这就可能出现一些大颗粒材料所不具备的独特性能3,4,5。2962纳米生物医用陶瓷的制备 纳米生物陶瓷的制备工艺主要包括纳米
16、粉体的制备、成型和烧结。要制备纳米陶瓷，这就需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散，块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制等。目前纳米陶瓷粉体的制备方法多种多样，但应用较广且方法较成熟的主要有沉淀法、醇盐水解法、喷雾法、水热法、溶剂挥发分解法及溶胶/凝胶法等 3,4,6。（1）沉淀法向含一种或多种离子的可溶性盐溶液中加入沉淀剂(如 OH、C 2O42、CO 32等)，或者于一定温度下使溶液发生水解，形成水不溶性的氢氧化物或盐类从溶液中析出，并将溶液中原有的阴离子洗去，经热分解即得到所需的纳米粒。沉淀法又分为共沉淀法和均相沉淀法两种。共沉淀法：含多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，
17、所有离子完全沉淀的方法，它又可分成单相共沉淀和混合物的共沉淀。单相共沉淀的沉淀物为单相固溶体，这种方法的适用范围很窄，条件控制严格。混合物共沉淀的沉淀产物为混合物，过程非常复杂，各种离子的沉淀先后与溶液的 pH 值密切相关。为了获得均匀性的沉淀，通常是将含多种阳离子的盐溶液慢慢加到过量的沉淀剂中并进行搅拌，使所有沉淀离子的浓度大大超过沉淀的平衡浓度，尽量使各组分按比例同时沉淀出来，从而得到较均匀的沉淀物。均匀沉淀法：一般的沉淀过程是不平衡的，但如果控制溶液中的沉淀剂浓度使之缓慢地增加，则使溶液中的沉淀处于平衡状态，且沉淀能在整个溶液中均匀地出现，这种方法称为均相沉淀。通常是通过溶液中的化学反应
18、使沉淀剂慢慢地生成，从而克服了由外部向溶液中加沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性，结果沉淀不能在整个溶液中均匀出现的缺点。用这种方法可以制备出小粒径、单分散的纳米粒。各国学者用不同的体系在 Ca/P 盐溶液中获得羟基磷灰石（HAP）微晶。采用的方法就是化学沉淀法，比较常用的体系有 Ca(OH)2-H3P O 4-H2O 体系、Ca(NO 3)2-NH4NO3-NH3H2O 体系、CaCl 2-K2HPO4-KOH 体系、CaHPO 4-Ca4(PO4)2O-H2O 体系等。上述体系虽然可以制备 HAP 微晶，并且粒径也可以小于1m，但是在制备过程中易引入杂质离子。而 Ca(OH)2-H3PO4-
19、H2O 体系的中和反应和 Ca(H2PO4)2H2O的均匀沉淀反应制备的 HAP 微晶不带入杂质离子 6。Ca(OH) 2-H3PO4-H2O 体系中和反应 配制饱和 Ca(OH)2溶液，用 H3PO4溶液缓慢滴入，同时不断搅拌，利用酸度计控制羟基磷灰石中 Ca/P 比，反应结束溶液的 pH 值为 8.2 左右。这种方法制备的磷灰石超微粉 6比较纯，但是难以使它稳定。Ca(H 2PO4)2H2O 均匀沉淀反应297在 Ca(OH)2饱和溶液中加入 Ca(H2PO4)2H2O，不断搅拌，直到溶胶稳定，这种方法可制备小粒径、单分散的 HAP 颗粒。（2）醇盐水解法这种方法制备纳米粉体是利用一些金属
20、有机醇盐能溶于有机溶剂并可发生水解而生成沉淀的特性。该法能获得同一组成的微粒。利用 Ca(EDTA)2-的水解反应可制备 HAP 微晶，制备过程如下：先用等摩尔的乙二胺四乙酸二钠(Na 2H2EDTA)和 CaCl2溶于蒸馏水中，然后和 NaH2PO4溶液混合，用NaOH 调节 pH 值至 5 左右，将混合物封入硼硅酸钠玻璃试管中，浸入硅油中在 150下恒温 l h，可获得针状的 HAP 微晶。（3）喷雾转化法这种方法是将溶液通过各种物理手段进行雾化获得纳米粒的一种化学与物理相结合的方法。它的基本过程是溶液的制备、喷雾、干燥、收集和热处理。其特点是颗粒分布比较均匀，但颗粒尺寸为亚微米到 10m
21、，具体尺寸范围取决于制备工艺和喷雾的方法。如 A12O3的纳米粒可通过此方法制备。（4）水热法水热反应是高温高压下在水(水溶液)或蒸气等流体中进行有关化学反应的总称。用水热法制备的纳米粒，最小粒径已经达到数纳米的水平。（5）溶剂挥发分解法有关这方面的制备方法很多，应用比较广泛的制备高活性纳米粒的方法是冻结干燥法。冻结干燥法分冻结、干燥、焙烧三个过程。它是将金属盐的溶液雾化成微小液滴，并快速冷却成固体，然后加热使这种冻结的液滴中的水升华汽化，从而形成了溶质的无机盐，经焙烧合成了纳米粒。（6）溶胶/凝胶法溶胶/凝胶法又称为凝聚相合成法，是指在水溶液中加入有机配体与金属离子形成配合物，通过控制 pH
22、 值、反应温度等条件让其水解、聚合，经溶胶凝胶而形成一种空间骨架结构，再脱水焙烧得到目的产物的一种方法。此法既可用来制备纳米粒，又可用于制备纳米粒薄膜，在制备复合纳米生物陶瓷材料时具有很大的优越性。凝聚相合成已被用于生产小于 10nm 的 SiO2、Al 2O3和 TiO2纳米粒。 其特点为： 化学均匀性好，由于溶胶凝胶过程中，溶胶由溶液制得，故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致；纯度高，粉料(特别是多组分粉料)制备过程中无需机械混合；颗粒细，胶粒尺寸小于 100nm；该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分。不溶性颗粒均匀地分散在含不产生沉淀的组分的溶液中，经胶凝化，不溶性组分可自然地固定在凝胶体系中。
23、不溶性组分颗粒越细，体系化学均匀性越好；烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低，但凝胶颗粒之间烧结性差，块体298材料烧结性不好，干燥时收缩大 6。用此法制备 HAP 纳米粒的过程如下：以四水硝酸钙和磷酸三甲基作原料，它们的摩尔比为 HAP的化学计量比 1.67：1，溶于乙醇或甲酰胺溶剂中，加入适量的水，控制溶液 pH 值为 7.58.0。在溶剂挥发的同时，醇盐水解并反应生成凝胶，将所得凝胶在 500-1000的温度下烧结，可得结晶良好的 HAP 微晶。醇盐水解反应生成 HAP 的方程式如下：10Ca(NO3)24H2O+6(CH3O)3PO4+16H2O Ca 10(PO4)6(OH)2+18C
24、H3OH+20HNO3在纳米粒的制备过程中，如何保持纳米粒的稳定是一个关键性问题。纳米粒表面的活性使它们很容易团聚在一起从而形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体。为了解决这一问题，通常用超声波将分散剂(水或有机试剂)中的团聚体打碎，其原理是超声频振荡破坏了团聚体中小微粒之间的库仑力或范德华力，从而使小颗粒分散于分散剂中。为了防止小颗粒团聚，可以加入反絮凝剂形成双电层，使纳米粒表面吸引异电离子形成双电层，通过双电层之间库仑排斥作用使粒子之间发生团聚的引力大大降低，从而达到分散的目的；或者加表面活性剂，使其吸附在粒子表面，形成微胞状态，由于活性剂的存在而产生了粒子间的排斥力，使得粒子间不能接触
25、，从而防止团聚体的产生。例如， 在 HAP 纳米粒的制备中，可以通过超声波以及加入表面活性剂的办法使之稳定。但稳定剂的选择必须符合：是人体内所含有的物质，用量远远小于 HAP 溶胶的剂量；不含多聚磷酸基团，不影响 HAP 颗粒的溶解度；不影响 HAP 纳米粒的生物学性能；能使溶胶长期稳定。加入稳定剂后，HAP 胶体颗粒在体内不会因聚集而堵塞毛细血管，在体液环境中也不会长大，HAP 胶团可以视为“微细胞” ，在血液中可以和红细胞、白细胞一样随血液流动。从纳米粉制成块状纳米陶瓷材料，就是通过某种工艺过程，除去孔隙，以形成致密的块材，而在致密化的过程中，又保持了纳米晶的特性。常用方法有：沉降法：如在
26、固体衬底上沉降；原位凝固法：在反应室内设置一个充液氮的冷却管，纳米团冷凝于外管壁，然后用刮板刮下，直接经漏斗送人压缩器，压缩成一定形状的块材；烧结或热压法：烧结温度提高，增加了物质扩散率，也就增加了孔隙消除的速率，在烧结温度下，纳米颗粒以较快的速率粗化，制成块状纳米陶瓷材料。3纳米生物医用陶瓷的应用前景纳米生物陶瓷作为一种新型高性能陶瓷，它在组织工程化人工器官、人工植入物等方面广泛的应用前景越来越受到世界各国科学家的关注。它在生物和医学中已有成功的使用，如细胞分离、细胞染色、疾病诊断等。29911.2.2 纳米碳材料由碳元素组成的碳纳米材料统称为纳米碳材料。纳米碳材料是以过渡金属 Fe、Co、
27、Ni 及其合金为催化剂，在 873l473K 的温度下生成的。在纳米碳材料群中主要包括纳米碳管和气相生长碳纤维（也称为纳米碳纤维） 。其中的超微型气相生长碳纤维又称为碳晶须，具有超常的物化特性，由它作为增强剂所制成的碳纤维增强复合材料，可以显著改善材料的力学、热学、及光电学性能，在医药学、生物材料学和组织工程学等许多领域有广阔的应用前景 3,4,5,8。碳是组成有机物质的主要元素之一，更是构成人体的重要元素。自 1963 年 Gott 在研究人工血管过程中发现碳具有较好的抗血栓性以来，碳材料已在人工心脏瓣膜、人工齿根、人工骨与人工关节、人工血管、人工韧带和肌腱等方面得到应用。纳米碳纤维除了具有
28、微米级碳纤维的低密度、高比模量、高比强度、高导电性外，还具有缺陷数量极少、比表面积大、结构致密等特点。利用纳米碳纤维的这些超常特性和良好的生物相容性，可以在医药学领域得到广泛的应用，使弹质人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱、人工韧带等的硬度、强度、韧性、生物相容性等多方面的性能得到显著的提高；利用纳米碳材料的高效吸附特性，可以更好地应用于血液的净化系统，清处某些特定的病毒或成分等。11.2.3 纳米微孔玻璃纳米微孔 SiO2玻璃粉也是一种新型的无机纳米材料，近年来被广泛用作功能性基体材料。在生物化学和生物医药学领域，纳米微孔玻璃可以用作微孔反应器，微晶储存器，功能性分子吸附剂，细胞分离基质，生
29、物酶催化剂载体，药物控制释放体系的载体等。生物细胞分离是生物细胞学研究中一种十分重要的技术，它关系到研究所需要的细胞标本能不能快速获得的关键问题。细胞分离技术在医疗临床诊断和组织工程学中干细胞的分离纯化上有广阔的应用前景。以往的细胞分离技术主要采用离心法，利用密度梯度原理进行分离，时间长效果差。20 世纪 80 年代初，人们开始利用纳米粒进行细胞分离，建立了用 SiO2纳米粒实现细胞分离的新技术，在医疗临床诊断上显示了广阔的应用前景。其基本原理和过程是：先制备 SiO2纳米粒，尺寸控制在 15nm20nm，结构一般为非晶态，再将其表面包覆单分子层，包覆层的选择主要依据所要分离的细胞种类而定，一
30、般选择与所要分离细胞有亲和作用的物质作为包覆层。这种 SiO2纳米粒包覆后所形成复合体的尺寸约为 30nm。第二步是制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液，适当控制胶体溶液浓度。第三步是将纳米 SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，再通过离心技术，利用密度梯度原理，使所需要的细胞很快分离出来。此方法的优点如下。易形成密度梯度一般来说，病毒尺寸为 80nml00nm，细菌几百纳米，细胞尺寸更大些，而纳米包300覆体尺寸约 30nm，因而胶体溶液在离心作用下很容易产生密度梯度；易实现 SiO2纳米粒与细胞的分离。这是因为 SiO2纳米粒是属于无机玻璃的范畴，性能稳定，
31、一般不与胶体溶液和生物溶液反应，既不会玷污生物细胞，也容易把它们分开 3,4,5。例如，在妇女怀孕 8 星期左右，其血液中就开始出现非常少量的胎儿细胞，为判断胎儿是否有遗传缺陷，过去常常采用价格昂贵并对人身有害的技术，如羊水诊断等。用纳米粒很容易将血样中极少量胎儿细胞分离出来，方法简便，价格便宜，井能准确地判断胎儿细胞是否有遗传缺陷。美国等先进国家已采用这种技术用于临床诊断。癌症的早期诊断一直是医学界亟待解决的难题。美国科学家利贝蒂指出，利用纳米粒进行细胞分离技术很可能在肿瘤早期的血液中检查出癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。同时他们还正在研究用纳米微粒检查血液中的心肌蛋白，以帮助治疗心脏病。
32、纳米细胞分离技术将给人们带来福音。11.3 纳米生物医用高分子材料生物医用高分子材料是和医学、生物学发展有关的高分子材料的总称，也就是以医用为目的，用于和活体组织接触，具有诊断、治疗或替换机体中组织、器官或增进其功能的无生命高分子材料。根据其来源，生物医用高分子材料可分为天然生物医用高分子材料和合成生物医用高分子材料。根据其稳定性可分为生物降解型医用高分子材料和不可降解型生物医用高分子材料。根据其应用，可分为人工脏器，固定、缝合材料，药用高分子材料，诊断用高分子材料及血液净化高分子材等 1,2,6。高分子材料广泛用于医学领域始于 20 世纪 50 年代高分子工业发展以后。50 年代，有机硅聚合
33、物开始用于人体组织修复和替代。60 年代初，聚甲基丙烯酸甲酯(又称骨水泥)开始用于髋关节的修复。到了 70 年代，随着高分子化学工业的发展，出现了大量的医用新材料和人工装置，如人工瓣膜、人工血管、人工肾用透析膜、软组织增强、心脏起搏器以及骨生长诱导剂等。70 年代以后，由于生物医学工程、材料科学和生物技术的发展，医用高分子材料和其医疗装置又得到迅速发展，如植入型全人工心脏、肝、肾、胰、膀胱、皮、骨、接触镜、角膜、晶体、内外耳修复、心瓣膜、各种尺寸的血管，以及缝线等都获得了临床应用。现代医学的发展，对材料的性能提出了愈来愈高的要求，这是大多数金属材料和无机材料难以满足的，而合成高分子材料与生物体
34、(天然高分子)有着极其相似的化学结构，而且其来源丰富，能够长期保存、品种繁多、性能可变化、范围广，如从坚硬的牙齿和骨头、强韧类似筋腱和指甲，到柔软而富于弹性的肌肉组织、透明角膜和晶状体等，都可用高分子材料制作，而且其可加工成各种复杂的形状。因此，生物医用高分子材料在生物医用材料领域占绝对优势。301高分子纳米粒(或称为聚合物纳米粒),粒径尺度在1000nm 范围内，它主要通过微乳状液聚合的方法得到。这种纳米粒具有巨大的比表面积，出现了一些普通微米材料所不具有新性质和新功能，已引起了广泛的注意，对于微乳状液聚合制备的纳米高分子材料的应用研究，近年来刚刚开始，预期不久以后将有更大的发展 3,4,5
35、,9。关于聚合物纳米粒详见本书第五章。高分子材料的纳米化可以依赖于高分子的纳米合成，高分子的纳米化学，就是要按照精确的分子设计，在纳米尺度上规划分子链中的原子间的相对位置和结合方式，以及分子链间的相互位置和排列，通过纳米尺度上操纵原子、分子或分子链，完成精确操作，实现纳米量级上的高分子各级结构的精确定位，从而精确调控所得到的高分子材料的性质和功能。高分子的纳米合成的目的就是实现高分子材料的纳米化。利用外场包括温度场、溶剂场、电场、磁场、力场和微重力场等的作用，在一确定的空间或环境中像搬运积木块一样移动分子，采用自组装、自组合或自合成等方法，靠分子间的相互作用，构建具有特殊结构形态的分子聚集体。
36、如果再在这种分子聚集体中引发化学成键，则能得到具有高度准确的多级结构的高分子。通过这种精确操作的高分子合成，可以准确实现高分子的分子设计。高分子材料的纳米化还可以通过成型加工的方式得以实现，即在成型加工过程中控制高分子熔体的流动，调节高分子的结构形态从而控制使用性质。高分子材料的纳米化研究不仅应包括纳米化制备方法，还不应忽略高分子材料的纳米结构的观察和纳米性质的测量。因为结构和性能决定材料的使用价值。而高分子材料的纳米化的结果，是使得表面层上和界面层上的结构和性能表现出特异性，这部分也是由于在表面和界面的尺寸限制下，高分子材料的相结构和形态发生突变所致。因此需要开展表面层上和界面层上的相结构、
37、相行为及分子链动力学的研究，建立相应受限条件下的高分子材料的构效关系。采用的研究方法中，计算机模拟和扫描探针技术等都是十分有用的。 高分子微粒尺寸减小到纳米量级后使高分子的特性发生了很大的变化，主要表现在表面效应和体积效应两方面。表现为比表面积激增，粒子上的官能团密度和选择性吸附能力变大，达到吸附平衡的时间大大缩短，粒子的胶体稳定性显著提高。这些特性为它在生物医药学领域中的应用创造了有利条件。目前，纳米高分子材料的应用已涉及免疫分析、介入性诊疗、药物控制释放载体、组织工程学中生长因子控制释放及作为转基因载体等许多方面。免疫分析现在已作为一种常规的分析方法在对蛋白质、抗原、抗体乃至整个细胞的定量
38、分析发挥着巨大的作用。免疫分析根据其标识物的不同可以分为荧光免疫分析、放射性免疫分析和酶联分析等。在特定的载体上以共价结合的方式固定对应于分析对象的免疫亲和分子标识物，并将含有分析对象的溶液与载体温育，然后通过显微技术检测自由载体量，就可以精确地对分析对象进行定量分析。在免疫分析中，载体材料的选择十分关键。高分子纳米粒，尤其是某些具有亲水性表面的粒302子，对非特异性蛋白的吸附量很小，因此已被广泛地作为新型的标记物载体来使用。在生长因子和药物控制释放方面，高分子纳米粒也有重要的应用价值。 3,4,5,9。由于纳米粒的粒径很小，具有大量的自由表面，使得纳米粒具有较高的胶体稳定性和优异的吸附性能，
39、并能较快地达到吸附平衡。因此，高分子纳米粒可以直接用于生物物质的吸附分离。将纳米颗粒压成薄片制成过滤器，由于过滤孔径为纳米量级，在医药工业中可用于血清的消毒(引起人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米)。通过在纳米粒表面引入羧基、羟基、磺酸基、胺基等基团，就可以利用静电作用或氢键作用使纳米粒与蛋白质、核酸等生物大分子产生相互作用，导致共沉降而达到分离生物大分子的目的。当条件改变时，又可以使生物大分子从纳米粒上解吸，使生物大分子得到回收。 高分子纳米粒还可以用于某些疑难病的介入性诊断和治疗。由于纳米粒比红血球(69m)小得多，可以在血液中自由运动，因此可以注入各种对机体无害的纳米粒到人体的各部位，检查
40、病变和进行治疗。微生物、动植物细胞的表面通常带有负电荷，当高分子纳米粒表面带有正电荷时，就可以作为絮凝剂吸附细胞或细胞碎片，把它们从体系中清除出去。11.4 纳米生物医用金属材料生物医用金属材料是人们最早开始应用的医用材料之一，也是目前全世界应用最多、最广泛的医用材料。它以其优良的力学性能、易加工性和可靠性在临床医学各学科中获得了广泛的应用，由它制成的各种医疗器件具有很好的治疗、修复、替代人体组织或器官功能的作用。迄今为止，除医用贵金属、医用钛、钽、铌、锆等单质金属外，其他生物医用金属材料都是合金，其中应用较多的主要有医用不锈钢、医用钴基合金、医用钛及其合金、医用贵金属、医用钽铌锆材料、医用磁
41、性合金等 1,2,6。纳米科学与技术的发展，不仅大大改进了传统生物医用金属材料的原有性能，并赋予其崭新的特殊效应，显示了更广泛的应用前景。纳米金属材料发展的历史较长，早在 20 世纪 80 年代初德国科学家 HGleiter 教授提出纳米晶体材料的概念并首次获得了纳米金属银、铜、铝等块体材料，引起了国际上的关注。11.4.1 纳米金属材料的制备1纳米金属材料的制备常用的制备合成纳米金属材料的方法有金属蒸发凝聚/原位冷压成型法、机械研磨法、非晶晶化法、沉积法等。这些制备方法按其界面形成过程可分为三大类：外压力合成，如超细粉冷压法，303机械研磨法；沉积合成，如各种沉积方法；相变界面形成，如非晶晶
42、化法。针对不同的用途，这几类方法各有其优缺点。下面以金属蒸发凝聚原位冷压成型法为例予以说明 3,4。金属蒸发凝聚/原位冷压成型法是 Gleiter 等发展的合成纳米晶体材料的最早技术。其主要设计思想是先制备出纳米粒，在保持其表面清洁的情况下将粒子冷压成块，形成了由纳米尺寸晶粒组成的多晶体。据此，他们设计了第一套人工制备金属纳米晶体样品的实验装置，即在惰性气体中使金属受热升华，将蒸发的金属气相凝结成纳米尺寸的纳米粒，并聚集在液态氮冷阱壁上，取下这些纳米粒并在高真空下进行原位冷压(压力约为 l5GPa)成块，可以获得毫克级三维纳米晶体样品。近年来，在这种装置的基础上不断发展，通过改进使金属升华的热
43、源及方式(如采用感应加热，等离子体法，磁控溅射法等)，以及改良其他制备，可以获得克级到几十克级的纳米晶体样品。2块状致密纳米金属材料合成研究纳米金属材料制备的一个主要目标是要获得大尺寸的纳米金属样品，其中界面清洁致密，无微孔隙，晶粒细小均匀。利用改进的金属蒸发凝聚/原位冷压成型法获得了比较密实的单质金属纳米晶体材料。最初该种方法均在室温下使超微粒子冷压成型，由于获得样品的密度较低，近来采用温(热)压技术进行了尝试。例如，Weertman 等获得了相对密度达 97.898.5的纳米 Cu 和 Pd 样品(其中晶粒尺寸保持在 10nm 左右)。采用不同的压制成型技术可以将球磨纳米粉末材料合成为致密
44、度高的块状样品，以满足力学性能和实际应用的需要。这些方法包括振动波压实(shock wave compaction)、热挤压(warm extrusion)、热等静压(hot isostatic pressing)、烧结锻 (sinter forging)及利用相转变的热压实(hot pressing utilizing phase transformation)等。与此同时，在大尺寸纳米晶体材料的直接制备方面也取得了一些新进展。例如，Erb 等利用电解沉积技术制备出厚度为 100m2mm 的块状纳米晶材料，其组织结构均匀密实，并获得了包括单质(如 Ni、Co、Pd)，合金(如 Ni-Ni-F
45、e、Ni-Fe-Cr)和复合材料等不同类型材料。又如，通过快凝技术获得直径在厘米量级的棒材非晶态合金样品，或者通过热压技术将非晶态合金条带和粉末压结成完全密实的块状非晶态样品，从而可以利用非晶完全晶化法得到三维大尺寸纳米晶体材料。11.4.2 金属纳米晶体材料的性能 金属材料在室温下表现了很好的韧性和延展性，特别是贵金属材料如金、银、铜等室温的延展性都均高于其他的金属材料。金属材料普遍存在着低温脆性，即使金、银这种高延展性的金属在极低温下也表现出脆性。纳米晶体金属材料的问世，为解决这一问题提供了新的机遇。纳米金属铜多304层结构，在室温下表现了高的延展性。最近，美国科学家利用纳米技术制成了铜、
46、铬交替的多层结构，每个单层均为金属纳米晶，这种一层铜纳米晶、一层铬纳米晶交替排列的叠层结构在液氦的温度下，具有极高的延展性。随着晶粒尺度的减小，强度和韧性同步提高。这种异常的特性，是传统金属材料所不具备的。一般来说，随着晶粒尺度的减小，常规金属材料的强度增加，但韧性下降，这说明纳米晶体金属材料的力学性质与传统的金属材料不同，具有新的特性和新的规律。最近，纳米晶铜与纳米晶铌叠层结构在极低温下也发现了超延展性，这方面的研究正在深入地进行 3,4。由于纳米晶体材料中含有大量的内界面，因而可能表现出许多与常规多晶体不同的理化性能。如纳米晶体材料的超细晶粒及多界面特征使这类新材料可能表现出一些不同于普遍
47、多晶体材料的力学性能，纳米晶体的强度与晶粒尺寸的关系就是一个有代表性的实例。在纳米晶体材料中，强度/硬度与晶粒尺寸的关系既有遵循正常的 HallPetch 关系，也有表现为反常的 HallPetch 关系，即随着晶粒尺寸的降低，其强度/硬度降低。另外，在纳米晶金属如 Cu 和 Ni，金属间化合物(TiAl)及合金(Ni-P)中均发现硬度与晶粒尺寸的关系偏离了正常的 HallPetch 规律。11.4.3 纳米生物医用金属材料的应用纳米生物医用金属材料在医药领域具有广泛的应用前景，世界各国对其有极大的兴趣。目前, 在细胞染色、细胞分离等方面开始得到应用 3,4，但三维尺寸纳米晶体材料的应用尚依赖
48、于制备技术的进一步发展和完善，以及人们对其结构、性能及二者关系进一步的深入认识和理解。细胞内部的染色对用光学显微镜和电子显微镜研究细胞内各种组织是十分重要的一种技术。它在研究细胞生物学中占有极为重要的作用，细胞中存在各种细胞器和细丝。细胞器有线粒体、核和小胞腔等。细丝主要有三种，直径约为 6nm20nm，它们纵横交错在细胞内构成了细胞骨架体系，而这种组织保持了细胞的形态，控制细胞的变化、运动、分裂、细胞器的移动和原生质流动等。未加染色的细胞由于衬度很低，很难用光学显微镜和电子显微镜进行观察，细胞器和骨架体系很难观察和分辨，为了解决这一问题，物理学家已经发展了几种染色技术，如荧光抗体法、铁蛋白抗
49、体法和过氧化物酶染色法等，目的是提高用光学显微镜和电子显微镜观察细胞组织的衬度。随着细胞学研究的发展，要求进一步提高观察细胞内组织的分辨率，这就需要寻找新的染色方法。纳米粒的出现，为建立新的染色技术提供了新的途径。最近比利时的德梅博士等人采用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或者柠檬酸钠把金从氯金酸水溶液中还原出来形成金纳米粒，粒径的尺寸范围是3nm40nm。接着制备金纳米粒/抗体的复合体，具体方法是将金纳米粒与预先精制的抗体或单克隆抗体混合。这里选择抗体的类型是制备复合体的重要一环，不同的抗体对细胞内各种细胞器和骨架组织敏感程度和亲和力有很大的差别。我们可以根据这些差别制备多种金纳米粒子/抗体的复合体，而这些复合体分别与细胞内各种细胞器和骨架系统相结合，就相当于给各种组织贴上了标签。由于305它们在光学显微镜和电子显微镜下衬度差别很大，这就很容易分辨各种组织。大量研究表明，纳米粒与抗体的结合并不是共价键而是弱库仑作用的离子键，因此制造稳定的复合体工艺比较复杂，但选择适当条件是可以制造多种纳米粒/抗体的稳定复合体。细胞染色的原理与金的纳米粒光学特性有关。一般来
