納米微粒在生物醫學中的作用范文

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1細胞分離與細胞染色[3,4]

1.1細胞分離

生物細胞分離是生物細胞學中一個十分重要的技術,它關系到研究所需要的細胞標本能不能快速獲得的關鍵問題。以往的細胞分離技術主要采用離心法,利用密度梯度原理,時間長效果差。80年代,人們開始利用納米微粒進行細胞分離,建立了用納米SiO2微粒進行細胞分離的新技術。其基本原理和過程是:先制備納米SiO2微粒,尺寸控制在15~20nm,結構一般為非晶態,再將其表面包覆單分子層,包覆層的選擇主要依據所要分離的細胞種類而定,一般選擇與所要分離細胞有親和作用的物質作為附著層。這種納米SiO2微粒包覆后形成復合體的尺寸約為30nm。第二步是制取含有多種細胞的聚乙烯砒咯烷酮膠體溶液。適當控制膠體溶液濃度。第三步是將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯砒咯烷酮膠體溶液中,再通過密度梯度原理,使所需要的細胞很快分離出來。

1•2細胞染色

納米微粒的出現,為建立新的細胞染色技術提供了新的途徑。最近比利時的DeMey博士等人利用乙醚的黃磷飽和溶液、抗壞血酸或者檸檬酸鈉把金從氯化金酸(HAuCl4)水溶液中還原出來形成金納米粒子,粒徑的尺寸范圍是3~40nm。接著制備金納米粒子-抗體的復合體,具體的方法是將金納米粒子與預先精制的抗體或單克隆抗體混合。不同的抗體對細胞內各種器官和骨骼組織敏感程度和親和力有很大的差別。可以根據這些差別制備此種金納米粒子-抗體的復合體,而這些復合體與細胞內各種器官和骨骼系統相結合,就相當于給各種組織貼上了標簽。由于它們在光學顯微鏡和電子顯微鏡下襯度很大,這就很容易分辨各種組織。這就是利用納米粒子進行細胞染色技術。大量研究表明,納米微粒與抗體的結合并不是共價鍵而是弱庫侖作用的離子鍵,因此制造穩定的復合體工藝比較復雜,但選擇適當條件是可以制造多種納米微粒-抗體的穩定復合體。細胞染色的原理與金屬的超微粒子光學特性有關,一般來說超微粒子的光吸收和光散色很可能在顯微鏡下呈現自己的特征顏色,由于納米微粒尺寸小,電子能級發生分裂,能級之間的間距與粒徑大小有關,電子從低能級的躍遷很可能吸收某種波長的光,納米微粒的龐大比表面中原子振動模式與顆粒內部不同,它的等離子共振也會對某種波長光的吸收產生影響,由于上述幾種原因,金納米粒子-抗體在白光或單色光照下就會呈現某種特定的顏色。試驗已經證實,對10nm直徑以上的金納米微粒在光學顯微鏡的明場下可觀察它的顏色為紅色。

2納米微粒在抗菌殺菌材料上的應用

近年來對半導體光催化材料的研究[5,6]表明,半導體材料(如TiO2,ZnO,CdS,ZnS,Fe2O3)由于具有滿的價帶和空的導帶,當受到能量大于半導體能隙的光照射時,會吸收光使價帶電子激發到導帶上形成導帶電子,同時在價帶上產生空穴,分離的電子和空穴可分別與吸附在半導體表面上的水和氧反應,產物為O-2和•OH,O-2是強還原劑,•OH具有幾乎能使全部有機物分解的氧化力,可以氧化分解構成細菌微生物主要成分的各種有機物,干擾細菌蛋白質合成,從而有效抑制細菌等微生物的繁殖,達到抗菌凈化目的,可用于殺菌除臭防霉及消毒,比常用的氯、次氯酸、H2O2等具有更大效力,因此半導體材料將會成為最具希望的環境友好光催化抗菌殺菌材料,目前已成為物理學家、材料學家和生物學家的熱點課題之一。但傳統的光催化材料,由于光產生的電子-空穴對極易復合,導致其光催化活性低,而且反應過程中需紫外光照射,因而很難在工業化實踐中得到應用。納米材料由于尺寸小、比表面積大,使得表面原子配位不飽和,同時存在很多表面缺陷成為光生電子和空穴分離的有效位置,使得納米半導體材料具有高的光催化活性。對納米微粒,當粒子細化到納米尺度時,具備很多優異的特征[7],如(1)通過量子尺寸限域造成吸收邊的藍移。(2)由離散的能級和躍遷選律造成光譜吸收及發射行為結構化。(3)與體材料相比,量子阱中的熱載流子冷卻速度下降,量子效率將提高。(4)光生電子和空穴的氧化還原能力增強。(5)室溫下激子效應顯著。這些特征將使得納米微粒成為高效的光催化抗菌殺菌材料。作者近來的研究結果表明,納米TiO2微粒對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌具有高的抗菌殺菌性能,其抑菌率均在99%以上。

3納米微粒在藥物上的應用

3•1納米微粒藥物

目前肝動脈栓塞化療(TAE)已成為治療肝癌的有效方法,拴塞物有明膠海綿、碘油-藥物乳劑及各種微米級含藥微囊(如白蛋白、葡聚糖、聚乳酸等),他們的不足之處在于(1)藥物緩釋后造成肝癌細胞耐藥、而載體對耐藥性無對抗作用;(2)微囊材料生物相容性差引起肝細胞的不良反應;(3)大部分微球粒徑較大,肝靶向性差。針對上述情況,吳道澄等人[8]采用小粒徑(納米級)脂質體-碘油乳劑及聚氰基丙烯酸正丁酯納米微粒-碘油乳劑用于肝癌的拴塞化療,經動物(白鼠)試驗,與各種微米級含藥膠囊相比,由于它們具有良好的肝靶向性、緩釋性及可生物降解性,還具有抗耐藥性,因而納米阿霉素微粒-碘油乳劑對肝癌具有良好的療效。光照條件下納米TiO2粒子具有高的氧化還原能力,能夠分解組成微生物的有機物(蛋白質)從而殺死微生物,且經動物試驗證實TiO2微粒對動物無生理毒性[9,10],因此Cai等人[11]將其用于癌細胞治療實驗中,實驗結果表明紫外光照射(10min)下TiO2微粒能全部殺滅癌細胞,目前該實驗正在進行中。

3•2表面包覆的磁性納米粒子藥物[12]

磁性納米粒子表面涂覆高分子,在外部再與蛋白相結合可以注入生物體中,這種技術目前僅處于實驗階段,已通過了動物臨床試驗。這種載有高分子和蛋白的磁性納米粒子作為藥物的載體,然后靜脈注射到動物體(小鼠、白兔)內,在外加磁場下(2125×103/π(A/m))通過納米微粒的磁性導航,使其移向病變部位,達到定向治療的目的。這就是磁性超微粒子在藥物學應用的基本原理。這里最重要的是選擇一種生物活性劑,根據癌細胞和正常細胞表面糖鏈的差異,使這種生物活性劑僅僅與癌細胞有親和力而對正常細胞不敏感,表面包覆高分子的磁性納米微粒載有這種活性劑就會達到治療的目的。動物臨床實驗證實,帶有磁性的Fe3O4納米微粒是發展這種技術的最有前途的對象,純金屬磁性納米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,尺寸約為200nm,這種亞微米級的粒子攜帶蛋白,抗體和藥物可以用于癌病的診斷和治療,這種局部治療效果好,副作用少,很可能成為癌病的治療方向。但目前還存在不少的問題,影響這種技術在人體的應用,如何避免包覆高分子層在生物體中的分解,是今后應該加以研究的問題。磁性納米粒子在分離癌細胞和正常細胞方面經動物臨床試驗已獲成功,顯示出了引人注目的應用前景。通常情況下,癌病、腫瘤手術后要進行放射性輻照,以殺死殘存的癌細胞,與此同時大面積輻照也會使正常細胞受傷害,尤其是對生命極端重要的具有造血功能和免疫功能的骨髓干細胞很可能受到更為嚴重的傷害,通常的做法是,為了避免骨髓細胞受到損害,在輻照治療前將骨髓抽出,輻照后再重新注入,但在較多的情況下癌細胞已擴散到骨髓中,因此在把癌細胞從骨髓液中分離出來是至關重要的,否則將含有癌細胞的骨髓液注回輻照治療后的骨髓中還會舊病復發。磁性納米粒子分離癌細胞的技術主要采用約50nm的Fe3O4納米粒子,包覆聚苯乙烯后直徑為3μm,用于小鼠骨髓中癌細胞分離試驗。首先從羊身上取出抗小鼠Fc抗體(免疫球蛋白),然后與上述磁性粒子的包覆物相結合,如圖1所示,將小鼠帶有正常細胞的骨髓取出,加入小鼠雜種產生的抗神經母細胞(尚未徹底分化的癌化神經細胞)單克隆抗體,此抗體只與骨髓液中的癌細胞結合(見圖中B),最后將帶抗體和包覆層的磁性粒子放入骨髓液中,它只與攜帶抗體的癌細胞相結合(見圖中C),利用磁分離裝置很容易將該細胞從骨髓中分離出來,分離率達99•9%以上。最近倫敦的兒科醫院、挪威工科大學和美國噴氣推進研究所利用這種技術成功地進行了人體骨髓液癌細胞的分離來治療癌病患者。

4納米微粒在仿生體系中的應用

SiO2與金的納米微粒在某些生物體系中具有明顯的效應,例如Au的納米粒子能提高視黃醛薄膜的光電流及其穩定性,能延長細菌視紫紅質的M態的壽命[13],又如SiO2與Au的納米粒子能提高葡萄糖氧化酶的生物活性及穩定性[14,15],這些現象在制備仿生信息與識別薄膜(生物傳感器)中具有重要作用。唐芳瓊等人[16]利用納米金屬微粒的比表面積大、表面反應活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力強等這些優異性質,把納米微粒引入到葡萄糖電極中,進行葡萄糖氧化酶(GOD)的固定化研究,結果表明:納米粒子可以顯著提高GOD酶電極響應靈敏度和使用壽命。親水、憎水納米Au微粒均具有較佳導電性,在GOD與電極間傳遞電子。同時憎水納米微粒所攜帶的反膠束[17]可以為GOD提供一個水溶性微環境,減少在引入高分子輔助固酶基質時帶入的極性有機溶劑的接觸,提高固定化酶的催化活性。這種在無機納米微粒中固定酶的方法簡單易行、操作方便、GOD用量少、不需要昂貴的實驗設備、易于工業化。制備的葡萄糖生物傳感器響應迅速、靈敏度高、受溶解氧影響小,線性范圍寬,為納米生物傳感器的組裝提供了可能。