纳米微粒在生物医学中的作用范文

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1细胞分离与细胞染色[3,4]

1.1细胞分离

生物细胞分离是生物细胞学中一个十分重要的技术,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。以往的细胞分离技术主要采用离心法,利用密度梯度原理,时间长效果差。80年代,人们开始利用纳米微粒进行细胞分离,建立了用纳米SiO2微粒进行细胞分离的新技术。其基本原理和过程是:先制备纳米SiO2微粒,尺寸控制在15~20nm,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,一般选择与所要分离细胞有亲和作用的物质作为附着层。这种纳米SiO2微粒包覆后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砒咯烷酮胶体溶液。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砒咯烷酮胶体溶液中,再通过密度梯度原理,使所需要的细胞很快分离出来。

1•2细胞染色

纳米微粒的出现,为建立新的细胞染色技术提供了新的途径。最近比利时的DeMey博士等人利用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或者柠檬酸钠把金从氯化金酸(HAuCl4)水溶液中还原出来形成金纳米粒子,粒径的尺寸范围是3~40nm。接着制备金纳米粒子-抗体的复合体,具体的方法是将金纳米粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合。不同的抗体对细胞内各种器官和骨骼组织敏感程度和亲和力有很大的差别。可以根据这些差别制备此种金纳米粒子-抗体的复合体,而这些复合体与细胞内各种器官和骨骼系统相结合,就相当于给各种组织贴上了标签。由于它们在光学显微镜和电子显微镜下衬度很大,这就很容易分辨各种组织。这就是利用纳米粒子进行细胞染色技术。大量研究表明,纳米微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微粒-抗体的稳定复合体。细胞染色的原理与金属的超微粒子光学特性有关,一般来说超微粒子的光吸收和光散色很可能在显微镜下呈现自己的特征颜色,由于纳米微粒尺寸小,电子能级发生分裂,能级之间的间距与粒径大小有关,电子从低能级的跃迁很可能吸收某种波长的光,纳米微粒的庞大比表面中原子振动模式与颗粒内部不同,它的等离子共振也会对某种波长光的吸收产生影响,由于上述几种原因,金纳米粒子-抗体在白光或单色光照下就会呈现某种特定的颜色。试验已经证实,对10nm直径以上的金纳米微粒在光学显微镜的明场下可观察它的颜色为红色。

2纳米微粒在抗菌杀菌材料上的应用

近年来对半导体光催化材料的研究[5,6]表明,半导体材料(如TiO2,ZnO,CdS,ZnS,Fe2O3)由于具有满的价带和空的导带,当受到能量大于半导体能隙的光照射时,会吸收光使价带电子激发到导带上形成导带电子,同时在价带上产生空穴,分离的电子和空穴可分别与吸附在半导体表面上的水和氧反应,产物为O-2和•OH,O-2是强还原剂,•OH具有几乎能使全部有机物分解的氧化力,可以氧化分解构成细菌微生物主要成分的各种有机物,干扰细菌蛋白质合成,从而有效抑制细菌等微生物的繁殖,达到抗菌净化目的,可用于杀菌除臭防霉及消毒,比常用的氯、次氯酸、H2O2等具有更大效力,因此半导体材料将会成为最具希望的环境友好光催化抗菌杀菌材料,目前已成为物理学家、材料学家和生物学家的热点课题之一。但传统的光催化材料,由于光产生的电子-空穴对极易复合,导致其光催化活性低,而且反应过程中需紫外光照射,因而很难在工业化实践中得到应用。纳米材料由于尺寸小、比表面积大,使得表面原子配位不饱和,同时存在很多表面缺陷成为光生电子和空穴分离的有效位置,使得纳米半导体材料具有高的光催化活性。对纳米微粒,当粒子细化到纳米尺度时,具备很多优异的特征[7],如(1)通过量子尺寸限域造成吸收边的蓝移。(2)由离散的能级和跃迁选律造成光谱吸收及发射行为结构化。(3)与体材料相比,量子阱中的热载流子冷却速度下降,量子效率将提高。(4)光生电子和空穴的氧化还原能力增强。(5)室温下激子效应显著。这些特征将使得纳米微粒成为高效的光催化抗菌杀菌材料。作者近来的研究结果表明,纳米TiO2微粒对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌具有高的抗菌杀菌性能,其抑菌率均在99%以上。

3纳米微粒在药物上的应用

3•1纳米微粒药物

目前肝动脉栓塞化疗(TAE)已成为治疗肝癌的有效方法,拴塞物有明胶海绵、碘油-药物乳剂及各种微米级含药微囊(如白蛋白、葡聚糖、聚乳酸等),他们的不足之处在于(1)药物缓释后造成肝癌细胞耐药、而载体对耐药性无对抗作用;(2)微囊材料生物相容性差引起肝细胞的不良反应;(3)大部分微球粒径较大,肝靶向性差。针对上述情况,吴道澄等人[8]采用小粒径(纳米级)脂质体-碘油乳剂及聚氰基丙烯酸正丁酯纳米微粒-碘油乳剂用于肝癌的拴塞化疗,经动物(白鼠)试验,与各种微米级含药胶囊相比,由于它们具有良好的肝靶向性、缓释性及可生物降解性,还具有抗耐药性,因而纳米阿霉素微粒-碘油乳剂对肝癌具有良好的疗效。光照条件下纳米TiO2粒子具有高的氧化还原能力,能够分解组成微生物的有机物(蛋白质)从而杀死微生物,且经动物试验证实TiO2微粒对动物无生理毒性[9,10],因此Cai等人[11]将其用于癌细胞治疗实验中,实验结果表明紫外光照射(10min)下TiO2微粒能全部杀灭癌细胞,目前该实验正在进行中。

3•2表面包覆的磁性纳米粒子药物[12]

磁性纳米粒子表面涂覆高分子,在外部再与蛋白相结合可以注入生物体中,这种技术目前仅处于实验阶段,已通过了动物临床试验。这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子作为药物的载体,然后静脉注射到动物体(小鼠、白兔)内,在外加磁场下(2125×103/π(A/m))通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。这就是磁性超微粒子在药物学应用的基本原理。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Fe3O4纳米微粒是发展这种技术的最有前途的对象,纯金属磁性纳米Ni、Co粒子由于有致癌作用,不宜使用。例如10~50nm的Fe3O4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病的诊断和治疗,这种局部治疗效果好,副作用少,很可能成为癌病的治疗方向。但目前还存在不少的问题,影响这种技术在人体的应用,如何避免包覆高分子层在生物体中的分解,是今后应该加以研究的问题。磁性纳米粒子在分离癌细胞和正常细胞方面经动物临床试验已获成功,显示出了引人注目的应用前景。通常情况下,癌病、肿瘤手术后要进行放射性辐照,以杀死残存的癌细胞,与此同时大面积辐照也会使正常细胞受伤害,尤其是对生命极端重要的具有造血功能和免疫功能的骨髓干细胞很可能受到更为严重的伤害,通常的做法是,为了避免骨髓细胞受到损害,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,因此在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。磁性纳米粒子分离癌细胞的技术主要采用约50nm的Fe3O4纳米粒子,包覆聚苯乙烯后直径为3μm,用于小鼠骨髓中癌细胞分离试验。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,如图1所示,将小鼠带有正常细胞的骨髓取出,加入小鼠杂种产生的抗神经母细胞(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(见图中B),最后将带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(见图中C),利用磁分离装置很容易将该细胞从骨髓中分离出来,分离率达99•9%以上。最近伦敦的儿科医院、挪威工科大学和美国喷气推进研究所利用这种技术成功地进行了人体骨髓液癌细胞的分离来治疗癌病患者。

4纳米微粒在仿生体系中的应用

SiO2与金的纳米微粒在某些生物体系中具有明显的效应,例如Au的纳米粒子能提高视黄醛薄膜的光电流及其稳定性,能延长细菌视紫红质的M态的寿命[13],又如SiO2与Au的纳米粒子能提高葡萄糖氧化酶的生物活性及稳定性[14,15],这些现象在制备仿生信息与识别薄膜(生物传感器)中具有重要作用。唐芳琼等人[16]利用纳米金属微粒的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强等这些优异性质,把纳米微粒引入到葡萄糖电极中,进行葡萄糖氧化酶(GOD)的固定化研究,结果表明:纳米粒子可以显著提高GOD酶电极响应灵敏度和使用寿命。亲水、憎水纳米Au微粒均具有较佳导电性,在GOD与电极间传递电子。同时憎水纳米微粒所携带的反胶束[17]可以为GOD提供一个水溶性微环境,减少在引入高分子辅助固酶基质时带入的极性有机溶剂的接触,提高固定化酶的催化活性。这种在无机纳米微粒中固定酶的方法简单易行、操作方便、GOD用量少、不需要昂贵的实验设备、易于工业化。制备的葡萄糖生物传感器响应迅速、灵敏度高、受溶解氧影响小,线性范围宽,为纳米生物传感器的组装提供了可能。