纳米材料的安全性

第一篇：纳米材料的安全性

纳米材料的安全性

摘 要近年来，随着现代纳米技术在环境领域中的广泛应用,各种不同形式的纳米尺度物质对人类环境可能带来的潜在影响,逐渐引起相关领域研究工作者广泛关注。本文分析了纳米材料的暴露途径和对生物体及环境的潜在威胁，以及纳米材料的几种毒性；并探讨了纳米材料产生毒性效应的几种可能机制；介绍了国内外几种典型的纳米材料毒性研究情况；并提出了一些建议。

关键词 纳米材料 毒性 安全性

引 言：

广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1～100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。具体的说主要有以下特性：(1)表面与界面效应：这是指纳米晶体表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。(2)小尺寸效应：当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁、热力学等性能呈现出“新奇”的现象。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。(3)量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。(4)宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

近年来，随着纳米科技的迅猛发展，各种人造纳米材料已经在医药、化妆品和电子等产品中广泛使用[2]。纳米材料既可以造福人类，也可能给环境和人体健康带来影响。然而，纳米材料的生物安全性现在还是未知数，关于它对健康的影响也还没有成熟的分析方法。据美国纽约罗切斯特大学研究人员的实验显示[3]，实验白鼠吸入纳米材料可能对多个脏器和中枢神经系统产生不良影响。虽然现在人们还不知道纳米粒子进入大脑并堆积起来会产生何种影响，但是纳米物质应用的安全性早就被那些对纳米研究持谨慎态度的学者所重视。有些科学[3]家甚至提出，为保证人类健康和环境安全，应暂停纳米材料研究。美国、英国和日本等国多年前就已致力于富勒烯、单壁和多壁碳纳米管以及氧化铈纳米材料的安全性评估。进入21世纪，我国开始高度关注纳米生物效应与安全性的研究。目前，中国科学院高能物理所以大科学平台为中心，结合核分析重点实验室长期开展的稀土和重金属生物效应、有机卤素毒理及环境毒理学研究的丰富经验，已从生物整体水平、细胞水平、分子水平和环境等几个层面开展纳米生物效应的研究工作。预计在未来的研究中会有更多的人员加入这一行列，这预示着纳米技术研究和材料应用即将进人一个新时代。

[1]

1、纳米材料的暴露途径及其潜在威胁

纳米材料主要通过呼吸系统、皮肤接触、食用和注射及在生产、使用、处置过程中向环境释放等途径向生物体和环境暴露而产生威胁。

首先，纳米颗粒通过呼吸系统被生物体吸收。如研究人员和工厂的工人容易暴露在纳米颗粒浓度高的空气中，主要以被动扩散方式通过细胞膜吸收，由于其粒径非常小(1～100nm)，所以其布朗运动速度很快，主要附着于肺泡和较大的支气管内。附着在肺泡表面的难溶颗粒，有的被滞留，以致引起病变；有的可到达淋巴腺或随淋巴液到达血液，可能具有较高毒性。近来多项研究发现，纳米材料可以在动物的呼吸道各段和肺泡内沉积，并且可以致明显的肺泡巨噬细胞(AM)损伤。其次，皮肤是人类阻挡外源污染物质的重要屏障系统，污染物主要通过表皮脂质屏障经皮肤吸收。如皮肤吸收通常发生于使用含二氧化钛或氧化锌纳米颗粒的化妆品。再次，食用和注射难溶性药物的消化道吸收率和药效与药物的粒径呈负相关关系也人所共知。然而，科学家们发现药物制剂的粒径变小而其毒副作用却得到不同程度的增大。常规药物被纳米颗粒物装载后，急性毒性、骨髓毒性、细胞毒性、心脏毒性和肾毒性明显增强。最后，针对在生产、使用、处置过程中向环境释放，有研究者提出，纳米颗粒难溶于水，故不必担心其会污染地下水环境。但有研究发现，由于纳米碳管具有相当大的表面积，所以其他种类的分子能够吸附在碳管上，并通过地下水作用将污染物大面积传播，导致环境恶化。也有研究[5]表明。一种亲水的纳米材料，可以在没有任何表面处理的情况下于水中形成胶体样物质，其溶解度是多环芳烃(PAHs)在水中溶解度的100余倍，而水中很低浓度的PAHs也会对环境产生影响，因此推测C50可能具有相似的属性，因此有必要评价水环境中可能存在的纳米颗粒的理化特性。

除了暴露途径，暴露剂量是另一个重要的问题。纳米尺寸是决定纳米颗粒毒性的一个因素，但是纳米颗粒的总表面积(由尺寸和总剂量决定)也非常重要。表面反应活性低的纳米颗粒对人类和其他动物的潜在毒性与暴露的剂量和途径有关。因此，尽量减少以及准确确定暴露的剂量十分关键。但是，由于纳米颗粒的团聚特性，目前还很难准确测定人或生物在某一环境中对某一尺寸的暴露剂量。

从长远看，随着纳米材料的广泛应用，通过大气、水和土壤等途径将不可避免地造成对整个生态系统的暴露。因此有必要对纳米材料的生物效应进行研究，建立纳米材料安全性研究体系，以评价其环境和健康风险。

[4][4]

2、纳米材料的毒性

（1）纳米材料的吸入毒性近来多项研究发现，纳米材料可以在动物的呼吸道各段和肺泡内沉积，并且可以致明显的肺泡巨噬细胞损伤。如图1，Lam[6]等采用支气管注入法分别给小鼠注入0、0.1、0.5 mg/kg的单壁碳纳米管7 d和90d后，出现了上皮样肉芽肿，并呈剂量依赖性增加。他们认为，在[7]其实验条件下，一旦单壁碳纳米管(SWNT)到达肺脏，则其毒性比炭黑和石英都高。Warheit等也采用支气管注入法研究了单壁碳纳米管(SWNT)对大鼠的影响，染毒剂量分别为1和5mg/kg，在24h、1周、1个月和3个月后进行组织病理学评估，结果也观察到了肺损伤和肉芽肿的形成，但是，单壁碳纳米管(SWNT)暴露所导致的是多病灶肉芽肿，且没有进行性肺部炎症和细胞增生的表现。这种肉芽肿损伤更像免疫反应或是肺对外来物质的清除反应，这预示着单壁碳纳米管(SWNT)具有新的致肺损伤机制。Dick[7]等比较了纳米炭黑、纳米钻、纳米镍和纳米二氧化钛，发现它们致肺部损伤的程度与产生自由基并且引发氧化损伤有关。他们认为，这是纳米材料表面可以与组织发生反应产生自由基的缘故。

图1 透射电子显微镜下碳纳米管(深色区域）进入了细胞核。

(2)纳米材料的接触毒性

有学者[8]发现，人工培养的人表皮角质细胞暴露于单壁碳纳米管（SWNT）后出现自由基形成、过氧化物积聚以及抗氧化物质减少，暴露18 h后细胞活力下降等，同时还发现细胞形态和细胞的超微结构发生改变，如图2。Menzel等用粒径为45～150nm长、17～35nm宽的纳米二氧化钛覆盖与人体皮肤最为相似的猪皮，8h后通过粒子诱发X射线荧光分析观察纳米二氧化钛在皮肤结构中的分布情况，实验结果证实纳米二氧化钛可以通过角质层进入到表皮下的颗粒层，尤其是在表皮生发层。

[8]

图2纳米二氧化钛在皮肤结构中的分布情况

美国环境保护署毒害神经学家贝利纳维罗内齐博士及其同事查明，二氧化钛(TiO2)纳米颗粒能损害大脑细胞。

（3）纳米材料透过血脑屏障

研究表明[8]，纳米粒子是通过被动转运、载体介导或者吞噬作用跨越血脑屏障的。但是，纳米粒子究竟是怎样突破血脑屏障的，对内皮细胞间紧密连接是否有损伤，还有待于进一步确定。能够跨越血脑屏障的纳米药物固然受到欢迎，但是意味着毒性物质也有可能通过这种途径进入大脑，所以需要对纳米载药材料进行全面的安全性评价。

（4）纳米材料对微生物的影响

现已有多项研究[9]表明纳米材料具有抗菌作用。另外，纳米二氧化钛包被的中空玻璃球可以抑制蓝藻和硅藻的光合作用，显示纳米材料在抑制海藻过度生长方面的应用潜力。由于微生物在维持土壤及水生态平衡中发挥着重要作用，纳米材料对生态平衡的破坏应引起注意。一旦具有抗菌作用的纳米材料进入生态环境(如纳米废弃物或环境治理投放)，是否会破坏正常微生物种群的生长而影响到整个生态环境的平衡，应进行更加深入的研究。、纳米材料产生毒性效应的机制

纳米材料产生毒性效应的可能机制有自由基机制、分子机制和免疫机制等。

3.1 产生毒性效应的自由基机制

有关纳米材料的各种体内和体外化学试验都表明可以产生活性氧自由基，如量子点、单壁碳纳米管、富勒烯、超细颗粒物等，暴露于光、紫外线、过渡金属的条件下均可生成活性氧簇。粒径和化学组分不同的各种纳米颗粒物也会影响线粒体的代谢，因为线粒体是自由基活化组织，因此可能改变活性氧簇的产生，负载或干扰 机体抗氧化防御机制。如富勒烯作为产生超氧自由基的 标准纳米颗粒物，其确切的发生机制可能包括：纳米颗 粒物产生的光激发促使系统内自由电子的产生；纳米颗 粒物的代谢产生自由基活化介质，特别是这种代谢是经 细胞色素(P450)诱导的；体内炎症反应可能导致巨噬细

胞释放氧自由基。国际毒理学等权威杂志报道，过剩自

图3 自由基攻击细胞膜

由基可引发100多种疾病，包括各种癌症、心脑血管疾病、动脉硬化、衰老、糖尿病等。

3.2 产生毒性效应的分子机制

纳米颗粒沉积在肺部后，可能破坏细胞膜或直接通过细胞膜进入细胞内部，并与细胞内的脂质、蛋白和核酸等生物大分子相互作用，改变生物大分子的构型和构象，从而改变生物大分子的相应功能。Christie等研究了水溶性富勒烯衍生物对细胞膜的损伤作用，发现富勒烯衍生物能产生超氧阴离子。这些自由基通过脂质过氧化破坏细胞膜，使细胞丧失正常的功能，但DNA的质量浓度和线粒体的活力没有受到多大影响。细胞骨架由蛋白纤维组成，具有支撑细胞、物质转运、信息传递、细胞增殖和辅助基因表达等功能。Moller[9]等研究了几种纳米颗粒对巨噬细胞骨架的影响，发现高质量浓度的纳米颗粒会使细胞骨架的正常功能丧失，表现为阻止细胞间的物质转运，增加细胞的硬度，破坏巨噬细胞的吞噬能力，妨碍细胞增殖，导致肺部慢性炎症。

[9]图

经支气管肺活检结果

图

胸腔镜检查结果

图3 18个月后胸腔膜病理检查结果 图4 18个月后肺部病理检查结果

目前建立的毒理学机制理论较多，彼此之间存在着一定的矛盾。但一般而言，纳米材料的生物效应主要与纳米颗粒本身性质(如质量、粒子数、粒径、表面积等)及纳米粒子表面修饰(吸附、键合、载带等)有关。

4、国内外纳米材料毒性研究概况

近年来，纳米技术和纳米材料所带来的经济收益和技术进步相当的可观，这种新材料和新技术可能带来的生物安全性方面的影响和相关的研究也逐渐被认识和重视。美国环境保护机构(us environmental protection agency)已确认了一些关于纳米颗粒安全性评价的课题，如人造纳米颗粒的毒理学，使用已知颗粒和纤维的毒理数据外推人造纳米颗粒毒性的可能性，人造纳米颗粒对环境和生物的传送、持续和转化等。英国政府也要求皇家学会和皇家工程院研究纳米技术可能造成的伦理和社会问题，在一定期限内发布研究报告。国内也有一些研究人员较早地认识到这一方面研究的重要性，并开展了一些初步的研究与探讨。

4.1我国纳米材料毒性研究

我国关于纳米材料毒性相关研究还很缺乏，尽管已经取得了一些初步的研究成果，但与纳米材料研究相比尚处于起步阶段。纳米材料的生物安全性研究不仅对人体健康具有重要意义，而且还牵涉到劳动保护、资源利用等许多方面，所以应该引起我国政府的高度重视。首先是纳米磁性材料的研究，由于纳米磁性材料是一种磁性强、制备相对简单、生物相容性

[10]较好的材料，因此在生物医学领域有着广泛应用。东南大学医学院新药临床前药理基地口副对由表面包覆谷氨酸分子的球形y-Fe203和Fe304磁性纳米颗粒制成的抗癌材料进行了毒性检测，未见三氧化二铁磁性纳米材料对哺乳动物体细胞及生殖细胞有遗传毒性作用，在连续给药l4天后，该材料无毒性反应剂量是人体推荐注射量(国内：0．56～0．84mg／(kg·次))的10倍以上；而四氧化三铁磁性纳米颗粒无体细胞致突变作用，但经口染毒可能会对雄性生殖细胞有致突变作用。湖南大学的李杜等对无机硅壳类纳米颗粒进行了细胞毒性的研究，利用无机二氧化硅纳米颗粒(SiNP)、二氧化硅壳荧光纳米颗粒(FSiNP)以及二氧化硅磁性纳米颗粒(MSiNP)对美洲绿猴肾细胞、鼻咽癌细胞系和乳腺癌细胞系进行了毒性研究。结果表明，在有效浓度范围内，无机硅壳类纳米颗粒具有很好的生物相容性，对细胞的生长和代谢没有明显影响，从而为无机二氧化硅纳米颗粒在生物医学中的应用提供了一定的理论依据。贾元宏[12]等对一种以纳米硅基氧化物(SiO2-x)、纳米载银抗菌粉、纳米载锌抗菌粉为主要成分的复方抑菌剂进行了抑菌效果和毒性试验。结果表明，该抑菌剂对雌、雄小白鼠口服半数致死量（LD50）均大于5000mg／kg，按急性经口毒性评价标准，属实际无毒物质；在家兔急性皮肤刺激试验中，未见红斑、水肿和其他异常现象；而对大白兔进行眼刺激试验后，3只出现轻度分泌物，且角膜、虹膜均正常，48h后恢复正常，属无急性刺激性物质；小白鼠蓄积系数k大于5，属弱蓄积性物质。

此外，国内外学者还对固体脂质纳米颗粒、纳米聚四氟乙烯和碳颗粒用纳米SiO2／ Gf／EAM 复合材料等的生物安全性问题进行了初步研究，取得了一些成果，但这些研究仅仅是纳米材料中的很少一部分，而且研究中仍存在一些不足。纳米材料生物安全性研究是一个典型的综合性强的交叉学科领域，需要综合利用各种研究方法和手段，才能有效地完成纳米生物环境效应的研究。作为“科学技术的眼睛”的分析科学，在这项研究中有着极其重要的作用。传统用于研究纳米生物环境效应的方法，如MTT(一种黄颜色的染料)法(一种检测细胞存活和生长的方法)适合常规物质(如重金属离子、有机污染物)的检测，但不一定适合具有特殊性质的纳米尺度物质的检测。此外，这些传统的检测方法灵敏度不够高，而且费时、复杂，不利于掌握和操作。近年来，光传感器为生命科学、环境科学、材料科学的研究提供了许多新的、高灵敏度的分析手段，推动了这些学科理论和高新技术的发展。如用发光细菌的发光体系来研究存在于水体中的纳米材料的生物效应；用绿色植物叶子的延迟化学发光来研究存在于大气中的纳米粉末对光合作用过程的影响等；并进一步研究纳米材料的粒径、浓度、形貌等对其生物环境效应的影响，从而建立起简单、快速、灵敏地研究纳米材料生物环境安全性的新方法和新技术。

4.2 国外纳米材料毒性相关研究情况

首先是碳纳米管的毒性研究，由于单壁碳纳米管在机械和电子磁性方面有优越的性质，因此有着广泛的应用和商业价值未被处理过的碳纳米管非常轻，有可能通过空气到达人的肺部。因此，单壁碳纳米管对于环境和生物的安全性也最先被人们注意。在单壁碳纳米管肺部

[13][13]毒性研究方面，美国NSA Johnson空间中心的Chiu Wing Lain等和美国杜邦公司的David B．warheit[13]等已经做出了相关的研究。其次，纳米量子点是研究重点，它的特征是材料的尺寸在三维方向上均小于电子的自由程，因此在这种材料中电子在空间的运动受到限制，在不同方向上的电子能级都是离散的，从而表现出一些独特的性质，如电子隧道效应、单色光发射等。量子点由于具有独特的荧光效应，广泛用于生物学标记，因此，量子点的毒性问题也随之产生。量子点的毒性主要取决于量子点的材料组成、量子点的大小和表面修饰情况等。美国加州大学San Diego分校的Austin M．Derfus[14]等发现，以CdSe为核心的半导体量子点在某些情况下有很强的毒性。当合成半导体量子点的时候改变参数，暴露在紫外线下和表面修饰后，量子点的细胞毒性会有所变化。进一步研究揭示了细胞毒性与自由Cd的释放有关。当经过合适的修饰，以CdSe为核心的半导体量子点可变得无毒并且可在体外

[15]进行细胞移植和重组。美国Case Western Reaserve大学的研究人员对包含DNA 的纳米颗粒进行了毒性研究，将DNA压缩在多聚一赖氨酸内，然后包在纳米颗粒中，用聚乙烯乙二醇将这种纳米颗粒修饰在半胱氨酸的N端，这样做可以有效地通过某种途径转染上皮细胞。在10g的剂量下，DNA纳米颗粒没有出现可察觉到的毒性，并且在这个剂量上有最高的基

[11]因表达。这个比较好的毒性测试结果有助于控制稳定的压缩DNA的发展。

5、一些建议

著名学者方舟子博士也认为，“ 科学界在展望新技术的前景时，不要过分乐观，设想得过于美好，要让公众了解到可能的障碍和问题”。树立这样的观念是应该的, 及早关注纳米材料的环境影响, 将对人类更加有利。目前, 社会对纳米技术的负面效应认识不够，只有对纳米技术实施有效的社会控制, 才能引导它向健康方向发展，应当开始如下的工作：（1）成立跨学科的科技中心研究纳米微粒与纳米管毒性、流行病学、暴露路径, 以发展一套可以用来监控人造与自然环境中纳米微粒与纳米管的方法与仪器。

（2）由于纳米微粒与纳米管对环境的影响目前尚未完全清楚, 所以要尽可能避免将纳米微粒释放到环境中 要规范工作环境中纳米微粒的可存在量规范, 并在生产纳米微粒的过程中采取较低的暴露量标准。（3）对于消费性产品, 如含有纳米微粒成分, 在获准上市以前, 质量环境监管机构应该对所使用的纳米微粒进行完整的安全评估同时建议制造商公布评估其纳米方法细节国家应针对纳米产品的性质重新反思目前的监管机制。

（4）建议检讨现行法律关于工作环境内意外事故发生时的管理方法, 研究制定对于在有纳米微粒存在的工作环境的管制和人员保护措施。

总而言之, 我们要用理性的眼光去看待纳米技术的发展在研究、开发时既不要忽视它的潜在危险而贸然发展, 也不要夸大它的可能危险而阻止它的发展。而应该在技术自身尚未发展到充分成熟, 达到完全可以影响和驾驭自然和社会协调发展阶段之前, 拿出真正的决心和有力措施来促进技术的全面健康发展, 从源头上控制、阻止对其不适当的使用所引起的灾难性负效应。

6、结束语

目前，纳米科技应用开发的研究力度远远大于对科技本身潜在风险研究的力度，国内纳米材料的研究开发已经进入国际领先行列，市场上也出现了如纳米碳管、纳米二氧化钛和纳米氧化锌等多种产品，这些产品没有经过严格的人体危害研究之前马上投放市场是不恰当的；另外，纳米材料在生产和运输的过程中是否会对生产运输者的健康造成危害，是否会因泄漏扩散到环境中而造成污染；纳米材料在使用过程中要遵从什么样的技术规范等等问题目前都不清楚，含有纳米颗粒和纳米纤维的纺织品和生活用品会随时间推移而脱落、分解进入环境中，特别是水环境。这些材料的生物可降解性，是否会对水生生物及整个水生态系统产生不良影响，是否会通过食物链最终在人体富集积累而危害公众健康等问题目前也不清楚。鉴于双对氯苯基三氯乙烷（DDT）、多氯联苯（PCB）和二恶英（Dioxin）的惨痛教训，纳米材料对人类健康、环境和社会的影响是一个亟待解决的问题，需要建立纳米材料的研究、生产和使用的安全规范，以及环境系统评估和监测的方法和制度，并将“纳米污染”列入国家战略研究规划。

专家们认为，未来纳米环境安全问题的研究必须重视以下几个方面的工作：(1)纳米颗粒毒性与粒径大小有着重要的关系，需要比较不同粒径的同种纳米材料的毒性。

(2)纳米材料在不同外部条件下毒性发生怎样的改变，如何通过改变外部条件和修饰方法来改变毒性是一项具有重要应用价值的研究。

(3)纳米材料如何穿越生物屏障、作用于哪些靶标及引起怎样的代谢改变。(4)纳米材料对机体及其器官、组织、细胞、分子、基因等均有影响，在哪个层面上的影响最值得注意。

参考文献：

[1] 施利毅.纳米材料[M].上海：华东理工大学出版社，2007，8-15 [2] 陈飞.浅谈纳米材料的应用[J].中小企业管理与科技，2009，25(5),15-17 [3] 康得军，白光辉.纳米材料技术的负面影响[J].陕西师范大学学报，2005，25（4）,20-24 [4] 朱曾惠.纳米技术对人体健康的影响[J].化工新型材料，2007，35(2),22-25 [5] 张一平.纳米材料安全性与二氧化硅毒性研究进展[J].浙江教育学院学报，2009，7(4)，4-6 [6] 张婷，唐萌.纳米颗粒吸入毒性研究进展[J].卫生研究，2008，37(5),5-10 [7] 刘扬,高愈希,吴刚,陈春英.典型纳米材料生物效应及其毒理学研究的进展[J].中华预防医学杂志，2007，41(2),130-134 [8] 李淼，金义光.纳米材料毒性的体外评价[J].国际药学研究杂志,2010，37(1),67-70 [9] 丁玲，刘鹏，李世迁.纳米材料毒性和安全性研究进展[J].材料导报，2010，24(5),29-32 [10] 常津,刘海峰, 姚康德.医用纳米控释系统的研究进展[J].中国生物医学工程学报,2000,25(2),12-14 [11] 李杜,何晓晓,王柯敏,何春梅.无机硅壳类纳米颗粒对细胞的毒性检测[J].湖南大学学报：自然科学版,2002，29(6),34-38 [12] 贾元宏,张淑青,张学庆,王玲.一种纳米材料抑菌效果及毒性试验观察[J].预防医学文献信息 ,2002,8(6),16-19 [13] 杨明，王德举，徐芳.纳米材料环境安全性研究进展[J].化学世界，2008，8-10 [14] 唐纬坤,李勇,谢志雄.CdSe/ZnS量子点的细胞及生物大分子毒性[C].2010年第四届全国微生物遗传学学术研讨会论文摘要集,2010 [15] 陆荔，马明，张宇，唐萌，纳米材料生物安全性研究进展[J].东南大学学报：自然科学版，2004，34（5），711-714 [16] Z.L.Wang,Nanomechanics of Fiber-like Naomaterials[J],School of Materials Science and Engineering,Georgia Institute of Technology,Atlanta，GA 30332-0245,USA

第二篇：药理毒理学部纳米药物安全性评价专题讨论会总结

发布日期

栏目

标题

作者

部门

正文内容

20120131

化药药物评价>>非临床安全性和有效性评价

药理毒理学部纳米药物安全性评价专题讨论会总结

药理毒理学部

药理毒理学部

纳米技术是当前国际国内的热点技术方法，并已经延伸至制药领域。采用纳米技术制备的纳米颗粒或纳米载体药物有可能改变原化合物及其制剂的安全性和有效性特征，研发者希望通过开发纳米制剂来降低毒性、提高疗效、增加药物靶向性。目前纳米药物研发逐渐成为热点，已有部分纳米药物处于临床试验之中，但上市品种并不多，这是因为纳米药物的安全有效性特征尚需深入探索，纳米药物能否为临床治疗需求提供获益尚需进一步验证。

纳米药物的药理毒理研究可以求证其药学制剂特征，同时也可为后续临床试验目标提供信息。纳米药物的药理毒理研究内容涉及全面的药效、毒性、药代研究，但目前国内外均没有成熟的技术规范，国际上也无相关指导原则出台。国内有申请人正在研发并开始申报纳米药物，但由于对此类品种临床前评价的认知尚不成熟，进一步推进的把握度不高。药理毒理学部整理了纳米药物评价中非临床安全性与有效性技术研究与评价相关问题，经与国内外同行专家广泛交流，组织召开了关于纳米药物非临床安全性评价的专题讨论会，以期深入了解国际研究与评价动态。1.会议简介

2011年12月1日，药理毒理学部组织召开了纳米药物非临床安全性评价专题讨论会，会议邀请Abbott、Pfizer、Merck、Alnylam公司在纳米药物非临床安全性评价方面富有经验的多位专家，重点就目前国际上“纳米药物”的分类与管理、研发概况、可能的安全性风险及评价策略等进行了深入讨论。会议也邀请了国内具有相关经验的安评单位和专家参会，如中检院安全评价中心、上海药物安全评价中心。

本次会议讨论的内容包括：药物载体系统中纳米颗粒的系统毒性；siRNA纳米脂质体及其潜在毒性评估；非临床安全性评价中纳米药物的病理学；有关纳米药物的毒理研究和临床试验的技术法规。2.关于纳米药物非临床评价的技术认知

经过会议讨论，初步了解并掌握了国际上纳米药物的开发现状和药品监管机构的态度，掌握了按分类管理的非临床研究评价要点，为下一步国内大范围讨论技术要求提供了素材。现总结如下： 2.1 纳米药物的概念和分类

纳米药物基本可概括为两种情况，一是将原料药直接加工制成纳米粒，二是采用纳米级高分子纳米粒（nanoparticles, NP）、纳米球、纳米囊等为载体，与药物以一定方式结合在一起后制成的药物制剂，粒径一般不超过500nm。前者可称为纳米分子药物，后者可称为纳米载体药物，如纳米脂质体、固体脂质纳米粒、纳米囊、纳米球、聚合物胶束、纳米中药等。讨论中认识到，国际上目前对纳米药物尚无统一定义。就纳米药物粒径来说，FDA认为1-100 nm，Abbott专家认为5-200 nm，而Pfizer专家则认为1000nm以下都有可能是纳米药物。关于纳米药物的英文术语也较多，如Nanomedicine、Nanoparticle、Nanomaterials、Nanotechnology。因此关于纳米药物的定义尚需管理层方面的认识统一。2.2 纳米药物的安全性与有效性 2.2.1 纳米药物的可能特点

纳米药物与常规药物相比较，具有颗粒小、比表面积大、表面反应活性高、活性中心多、吸附能力强等特性，因此可能具有以下特点：1）缓释药物，改变药物在体内的半衰期，延长作用时间；2）减轻或消除毒副作用，在保证药效的前提下减少药用量，或由于耐受性改善而提高疗效；3）改变膜转运机制；增加药物对生物膜的透过性，有利于药物透皮吸收及细胞内药效的发挥； 4）增加药物表观溶解度，提高制剂的载药量；5）有利于药物的局部滞留，增加药物与肠壁接触的时间和面积，提高口服药物吸收利用度；6）防止胃蛋白酶等对药物的水解，提高药物胃肠稳定性，可保护核苷酸，防止其被核酸酶降解；可帮助核苷酸转染细胞并起到定位作用； 7）建立一些新的给药途径。

2.2.2 纳米药物的安全性和有效性特征

纳米药物的药学特性对其药理毒理特性有重要影响，如不同粒径的纳米药物会影响到体内特征，继而影响其药效和毒性。评价纳米药物的非临床安全性和有效性需结合其制备过程或药学特征来考虑。纳米分子药物：

体内有些组织中的毛细血管内皮细胞间是不连续的，这些不连续内皮细胞连接存在一些窗口结构，而这些窗口结构有助于纳米颗粒通过内皮细胞进入这些组织，从而实现纳米颗粒在组织中的吸收。体内具有不连续内皮细胞结构的组织主要有肝脏、脾脏、骨髓等，这些组织被称为网状内皮系统“RES”。人体中的肿瘤组织也往往具有不连续的内皮细胞结构，这有助于提高药物在肿瘤组织的渗透和滞留，很多抗肿瘤药物也是基于此解剖结构设计以纳米颗粒作为药物载体，达到向肿瘤组织靶向用药的目的。纳米颗粒的大小将很大程度影响纳米颗粒通过这种不连续内皮结构，也将影响纳米颗粒在生物利用度和药物利用效率。另外，肝脏、脾脏和骨髓等组织中富含的巨噬细胞也是纳米颗粒容易在这些组织中聚集的主要原因。纳米颗粒的粒径大小、表面电荷和表面性质是影响纳米颗粒体内分布与PK的主要因素。

纳米分子药物如果以口服或吸入给药时，通常可提高生物利用度，相同剂量下导致暴露量升高而出现毒性，因此有效性和安全性方面需进行必要的试验研究并重新风险评估。会议中Abbott专家也提到了毒性发生改变的情况。

纳米载体药物：

纳米药物载体通常是指粒径在10~1000 nm的一类新型载体，通常由天然或合成高分子材料制成，主要特点是可提高药物的溶解性和稳定性，改善药物性质和靶向性，延长药物作用时间，增加疗效，降低毒副反应等。

该类制剂IV注射后，体内行为、分布等可能发生改变，进而带来安全性特征的改变。因此在药代动力学比较研究的基础上，需要进行相关安全性对比研究：生物相容性、安全药理学、重复给药毒性试验以及其他安全性试验等。其中生物相容性研究内容非常重要，除了当前制剂溶血性研究的内容外，还包括细胞分布、摄取，对细胞成分的影响等等。组织分布发生改变很可能带来毒性靶器官的改变，因此，根据组织分布研究的结果，除了常规重复给药毒性试验外，可能需要其他有针对性的研究内容，如生殖毒性研究、特定器官毒性研究等。

在有效性方面，通常认为如果体内行为发生改变，靶部位局部药物浓度可能会发生改变而带来有效性方面的变化。3.纳米药物开发的立题考虑

研发纳米药物通常主要解决两个方面的问题：①改变难溶性药物的溶解性能，减少某些特殊辅料的使用，提高载药量和体内暴露量，从而降低毒性、提高疗效；②定向给药，增加药效靶器官的暴露量、减少毒性靶器官的暴露量，从而提高疗效、降低毒性。

纳米药物的非临床研究，应针对开发立题，从药代、毒理和药效等各方面提供支持性数据。

由于纳米药物可能带来非预期的安全性风险，其开发应考虑临床治疗需求，平衡风险/利益比。目前纳米药物大多以较为难治性的疾病为目标适应症，如肿瘤等。4.小结和展望

纳米技术作为新型药物递送系统，可能会实现靶向给药，改善吸收，延缓药物释放，延长药物作用时间，减少药物在胃肠道代谢，提高生物利用度，备注

并降低不良反应。目前该类制剂多处于体外及动物体内试验阶段，虽然部分药物已进入临床试验，但上市品种很少，可能缘于纳米制剂给药后仍有一些非预期的生物机体反应。

因此，纳米药物开发需重视立题，考虑临床需求，同时对对其药代动力学、安全性、有效性等进行全面评估。纳米药物的非临床评价需要结合药学处方工艺及质控来考虑。

药理毒理学部通过纳米药物专题讨论会对该类药物的基本概念和安全性、有效性特点有了初步认识，具体到品种审评中还需与药学、临床部门一并讨论具体的技术审评要求。我们将继续收集并整理相关技术问题，将进一步召开药学、临床、药理毒理专业参与的专题讨论会。

第三篇：纳米论文

聚合物基-纳米二氧化硅复合材料的应用研究进展

班级12材料2班学号1232230042姓名王晓婷

摘要本文介绍了近年来国内外纳米SiO2聚合物复合材料的制备方法，讨论了制备方法的特点，阐述了聚合物纳米SiO2复合材料的研究进展, 并展望了聚合物纳米SiO2 的应用前景。

关键词纳米SiO2复合材料;聚合物;制备;应用 前言

纳米SiO2是目前应用最广泛的纳米材料之一,它特有的表面效应、量子尺寸效应和体积效应等,使其与有机聚合物复合而成的纳米二氧化硅复合材料, 既能发挥纳米SiO2自身的小尺寸效应、表面效应以及粒子的协同效应, 又兼有有机材料本身的优点, 使复合材料具有良好的机械、光、电和磁等功能特性, 引起了国内外研究者的广泛关注[

1，2]

。本文就纳米Si02一聚合物复合材料的制备方法、制备方法的特点和应用进行一次全面的综述。

2聚合物/ 纳米Si O2 复合材料的制备

2．1 共混法

共混法是制备聚合物／无机纳米复合材料最直接的方法，适用于各种形态的纳米粒子，但是由于纳米粒子存在很大的界面自由能，粒子极易自发团聚。要将无机纳米粒子直接分散于有机基质中制备聚合物纳米复合材料，必须通过化学预分散和物理机械分散打开纳米粒子团聚体，消除界面能差，才能实现均匀分散并与基体保持良好的亲和性。具体途径如下。

2．1．1 高分子溶液(或乳液)共混

首先将聚合物基体溶解于适当的溶剂中制成溶液(或乳液)，然后加入无机纳米粒子，利用超声波分散或其他方法将纳米粒子均匀分散在溶液(或乳液)中。

姜云鹏等利用PVA与纳米Si02表面的羟基形成的氢键实现了纳米si02对PVA的改性；张志华等用溶胶一凝胶反应制备纳米Si02颗粒，然后通过超声分散机将颗粒分散到聚氨酯树脂中制备出了聚氨酯／Si02纳米复合材料；以上各种方法都使不同材料的各方面性能得到了改善。

2．1．2熔融共混

将纳米无机粒子与聚合物基体在密炼机、双螺杆等混炼机上熔融共混。

郭卫红等[5]在密炼机上将PMMA和纳米Si02粒子熔融共混后，用双螺杆造粒制得纳米复[4][3]合材料。石璞[6]通过熔融共混法将纳米si02粒子均匀地分散于PP基体中制得复合材料，由于复合偶联剂的一端易与离子表面上大量的羟基发生化学反应形成稳定的氢键，另一端与聚丙烯相容性较好，使纳米粒子基本没有团聚，实现了增强、增韧的目的。张彦奇等[7]将纳米Si02经超声分散并经偶联剂处理后与LLDPE等组分预混、挤出、造粒，制备了线性低密度聚乙烯(LU)PE)／纳米Si02复合材料，所得薄膜雾度显著提高。

2.2在位分散聚合法

首先采用超声波分散、机械共混等方法在单体溶液中分散纳米粒子，或采用偶联剂对纳米粒子表面进行处理，然后单体在纳米粒子表面进行聚合，形成纳米粒子良好分散的纳米复合材料(in situ polymerization)。通过这种方法，无机粒子能够比较均一地分散于聚合物基体中。

欧玉春等[8]利用带有羟基的丙烯酸酯表面处理剂对Si02进行表面处理，应用本体法聚合制备si02／PMMA纳米复合材料，结果显示纳米Si02的加入可以提高聚甲基丙烯酸甲酯材料的机械性能、玻璃化温度及材料的耐水性。Jose-Luiz Luna—Xavier等[9]采用原位聚合法以阳离子偶氮化合物AIBA为引发剂，液相纳米Si02为核，聚甲基丙烯酸甲酯为壳合成了纳米Si02一聚甲基丙烯酸甲酯乳液聚合物。由于阳离子偶氮化合物AIBA为引发剂的使用增强了与纳米si02的相互作用，使效率大大提高。

2.3溶胶-凝胶法

溶胶一凝胶法(Sol-gel)是制备聚合物／无机纳米复合材料的一种重要方法。通过烷氧基金属有机化合物的水解、缩合，将细微的金属氧化物颗粒复合到有机聚合物中并得到良好分散，从而在温和条件下制备出具有特殊性能的聚合物／无机纳米复合材料。

2.4硅酸钠溶胶一凝胶法

溶胶一凝胶法在制备聚合物／纳米si02复合材料时显示出很多优势。但是，所用的无机组分的前驱物正硅酸烷基酯价格昂贵、有毒，因此为了降低制备成本，改善生产条件和减少环境污染，张启卫等[10]用硅酸钠为无机si02组分的前驱物，与PVAC或PMMA的THF溶胶混合，经溶胶一凝胶过程制备出聚合物／Si02杂化材料。结果表明，si02含量在一定范围时，由于发生了纳米级微区效应，有机一无机两相间相容性好，不产生相分离，材料透光率提高，热稳定性增强。

3聚合物/ 纳米Si O2 复合材料的研究进展

3.1 纳米SiO2/环氧树脂复合材料

Mascia等通过红外光谱和定性黏度分析得知,纳米SiO2 和环氧树脂随着环氧树脂的分子量增加、加入偶联剂、增加溶剂的极性以及提高反应温度都会使二者的相容性提高[11]。宁荣昌等用分散混合法研究了纳米SiO2有无表面处理及其含量对复合材料性能的影响, 采用透射电镜和正电子湮没技术(PALS)对纳米SiO2 的分布和自由体积的尺寸及浓度进行了表征[12]。结果表明, SiO2表面处理后, 复合材料性能得到提高, 使环氧树脂增强和增韧;且纳米SiO2含量为3 % 时,自由体积浓度最小, 纳米复合材料的性能最佳。刘竞超等通过原位分散聚合法制得了纳米SiO2/环氧树脂复合材料[13]。结果表明, 对复合材料力学性能的影响较大的是偶联剂, 在最优工艺条件下制得的复合材料冲击强度、拉伸强度比基体分别提高了124% 和30%;复合材料的Tg和耐热性也有所提高。

3.2 纳米SiO2/丙烯酸酯类复合材料

欧玉春等用原位聚合方法制备了分散相粒径介于130 nm 左右的PMMA/SiO2(聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅)复合材料[14]。结果表明, 经表面处理的SiO2在复合材料基体中分散均匀, 界面粘结好;SiO2粒子的填充使基体的Tg和损耗峰上升, 随着SiO2含量的增加, 对应试样的Tg和损耗峰值增大;随着SiO2含量的增加, 基体的拉伸强度、弹性模量表现为先下降后升高, 而基体的断裂伸长率表现为先升高后下降。武利民等通过原位聚合、高速剪切法分散共混和球磨法分散共混等3 种方法制备丙烯酸酯/纳米SiO2复合乳液, 以相同的方法制备丙烯酸酯/微米SiO2复合乳液[15]。结果表明, 共混法制得的纳米复合物的拉伸强度、断裂伸长率和玻璃化转变温度随纳米SiO2含量的增加先上升然后逐渐下降。涂层对紫外光的吸收和透过随纳米SiO2 含量的增加分别呈上升和下降趋势, 而微米SiO2复合丙烯酸酯乳液, 其涂层对紫外光的吸收和透过基本不受微米SiO2 的影响。

3.3 纳米SiO2/硅橡胶复合材料

王世敏等对纳米SiO2/二甲基硅氧烷复合材料的光学、力学性能进行了研究[16]。结果表明, 复合材料对波长λ＞390 nm 的可见光基本能透过, 透过率达80%, 硬度随纳米SiO2的增加呈上升趋势。Mackenzie 等制备的纳米SiO2/硅氧烷复合材料在非氧化气氛中加热到1 000 ℃以上, 分子发生重排, 形成块状微孔体;继续加热到1 400 ℃时,有机碳仍不分解, 且热膨胀系数很小[17]。由于聚硅氧烷的高柔顺性, 在溶胶－凝胶过程中不会因干燥而破裂, 该材料可以作为涂层改善基体(如聚合物、金属)表面的物理化学性质。潘伟等研究SiO2纳米粉对硅橡胶复合材料的导电机理、压阻及阻温效应的影响[18]。结果表明,随着SiO2纳米粉的增加, 压阻效应越来越显著,在一定压力范围内, 材料电阻随压力呈线性增加;同时, SiO2纳米粉的加入使复合材料的电阻随温度增加而增加。

3.4 纳米SiO2/聚碳酸酯材料

聚碳酸酯具有较好的透明性, 较高的硬度, 以及较强的蠕变性。为了进一步提高其应用价值, 王金平等以聚碳酸酯为基体, 采用溶胶－凝胶法技术在聚碳酸酯表面覆盖一层纳米SiO2无机涂层, 涂层与聚碳酸酯较好的结合, 使材料的耐磨性得到明显提高[19]。

3.5 纳米SiO2/聚酰亚胺复合材料 聚酰亚胺(PI)是一种广泛应用于航空、航天及微电子领域的功能材料, 它的优点是介电性良好,力学性能优良, 但其吸水性强和热膨胀性高的缺点限制了他的应用。而采用纳米SiO2改性后的PI 在这方面得到了很大改善。杨勇等的研究表明, 采用纳米SiO2改性后的PI 其热稳定性得到加强, 热膨胀系数得到降低[20]。曹峰等研究PI/SiO2复合材料的力学性能时发现, 随着SiO2含量的增加, 其杨氏模量、拉伸强度、断裂强度增加, 加入适量的插层剂, 有利于增加有机分子与无机物分子之间的相容性, 从而可制备强度和韧性更加优异的复合材料[21]。

3.6 纳米SiO2/聚烯烃类复合材料

张彦奇等采用熔融共混法制备了线性低密度聚乙烯(LLDPE)/纳米SiO2复合材料[22]。结果表明, 纳米SiO2使LLDPE 的拉伸弹性模量、冲击强度、拉伸强度提高, 且均在纳米SiO2用量为3 份左右时达到最大值;加入少量的纳米SiO2后, LLDPE 薄膜对长波红外线(7～11 μm)的吸收能力较纯LLDPE 膜有显著提高, 透光率略有下降, 但雾度提高。曲宁等利用纳米SiO2、马来酸酐接枝PE(PE-g-MAH)和PP 通过熔融共混制备了PP/纳米SiO2复合材料[23]。结果表明, 经表面处理、用量为4 %的纳米SiO2 与4 % 的PE-g-MAH 发生协同作用, 可以使PP/纳米SiO2复合材料的冲击强度提高40 %,拉伸强度提高10%, 耐热温度提高22℃。

3.7 纳米SiO2/尼龙复合材料

E.Reynaud 等研究了不同粒径和含量的纳米SiO2 与尼龙6 通过原位聚合得到的纳米复合材料的特性[24]。形貌分析出粒子的存在不影响复合材料的结晶相;粒子的加入明显增强了基体的弹性模量,且复合材料的性能受粒子尺寸和分散状况的影响。

3.8 纳米SiO2/聚醚酮类树脂复合材料

邵鑫等研究了纳米SiO2对聚醚砜酮(PPESUK)复合材料摩擦学性能的影响[25]。结果表明, 纳米SiO2不但可以提高PPESUK 的耐磨性, 而且还有较好的减摩作用, 其最佳用量为25%。靳奇峰等采用悬浮液共混法制备了纳米SiO2填充新型杂萘联苯聚醚酮(PPEK)复合材料[26]。当纳米SiO2用量为1 % 时, 复合材料的综合力学性能最佳。纳米SiO2的加入使得复合材料的摩擦性能比纯PPEK 有了明显提高, 当纳米SiO2用量为7 % 时,材料的摩擦磨损性能最好, 并且在大载荷下纳米SiO2 更能有效改善复合材料的摩擦磨损性能。

3.9纳米SiO2/聚苯硫醚(PPS)复合材料

张文栓等首先将纳米SiO2粒子与硅烷偶联剂KH-550 的乙醇溶液混合, 在40 ℃以下用超声波振荡60 min 后脱去溶剂, 烘干后与PPS 在高速搅拌机中混合均匀, 然后用双螺杆挤出机造粒制得PPS/纳米SiO2复合材料[27]。纳米SiO2粒子呈颗粒状均匀分布在PPS 基体中, 尺寸在10～40 nm 范围内。当纳米SiO2用量为3 % 时, PPS/纳米SiO2 复合材料的力学性能最佳, 拉伸强度、弯曲弹性模量和缺口冲击强度分别提高13.4%、7.4% 和27.3%。张而耕等用转化剂、分散剂和稳定剂制备了PPS/纳米SiO2水基涂料[28]。PPS/纳米SiO2复合涂层的耐冲蚀磨损性比普通涂层提高了约50 倍, 能够用于零部件的防冲蚀磨损。

3.10纳米SiO2/PMMA 复合材料

张启卫等利用溶胶-凝胶法制备了PMMA/纳米SiO2复合材料[29]。发现PMMA 与纳米SiO2两相间的相容性好, 材料透光率可达80 %, 并且热稳定性和Tg都比纯PMMA 有较大的提高。郭卫红等将经过表面处理的纳米SiO2分散于PMMA 单体中形成胶体, 原位聚合制备了PMMA/纳米SiO2复合材料[30]。结果表明, 复合材料的耐紫外线辐射能力提高1 倍以上, 冲击强度提高80 %。同时由于纳米粒子尺寸小于可见光波长, 复合材料具有高的光泽度和良好的透明度。

4总结与展望

聚合物/纳米SiO2复合材料具有优良的综合性能, 展现出诱人的应用前景。尽管近年来对其研究较多, 并取得了较大进展, 但是对它的研究还不够深入, 还有许多问题亟待研究和解决, 如纳米SiO2在聚合物基体中的均匀分散问题, 纳米复合材料的相界面结构, 纳米SiO2 对聚合物性能影响的机理等。相信随着制备技术的进一步完善及对材料的结构与性能关系的进一步了解, 人们将能按照需要来设计和生产高性能和多功能的聚合物/纳米SiO2复合材料。纳米Si02可以改性多种高分子材料，通常对聚合物的机械性能如拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率，以及热稳定性、动态力学行为、光学行为等都有较大影响。因此人们都在力求解决很多问题，诸如纳米Si02在聚合物基体中的均匀分散；纳米Si02复合材料中有机相和无机相的相界面结构；Si02粒径大小、几何形状等形态参数及添加量对复合材料性能的影响；纳米Si02对聚合物基体材料性能影响的机理等。随着研究的不断深入，纳米Si02一聚合物体系将在越来越多的领域发挥出它的重要作用。

参考文献

[1]Gabrielson L, Edirisinghe M J.On the dispersion offine ceramic powders in polymers.Journal of MaterialsScience Letters, 1996, 15(13): 1 105～1 107 [2]徐国财, 张立德.纳米复合材料.北京: 化学工业出版社, 2002.32～43

[3]姜云鹏,SiO2 改性聚苯硫醚力学性能的研究.高分子材料科学与工程，2002，18(5)：177 [4]张志华，吴广明，等．材料科学与工程学报，2003，21(4)：498

[5]郭卫红，李盾，等．纳米SiO2 增强增韧聚氯乙烯复合材料的研究.塑料工业，1998，26(5)：10 [6]石璞，晋刚，聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅杂化材料制备与性能.国塑料，2002，16(1)：3 [7]张彦奇，华幼卿．纳米SiO2 填充杂萘联苯聚醚酮复合材料的性能研究.应用化学，2003，20(2)：638 [8] 欧玉春，杨锋，聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅杂化材料制备与性能.分子学报，1997，2：199 [9]Jose-Luiz L X，Alain G，Elodie B L J Colloid and InterfacaSci，2002，250(1)：82 [10] 张启卫，章永化，聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅杂化材料制备与性能.料科学与工程，2002，20(3)：381 [11]Mascia Leno, Tang Tao.Curing and morphology ofepoxy resin-silica hybrids.Journal of MaterialsChemistry, 1998, 8(11): 2 417～2 421 [12]郑亚萍, 宁荣昌.纳米SiO2 环氧树脂复合材料性能研究.玻璃钢/复合材料, 2001(2): 34～36

[13]郑亚萍, 宁荣昌.纳米SiO2/环氧树脂复合材料性能研究.高分子材料科学与工程, 2002, 18(5): 148～154 [14]欧玉春, 杨锋, 庄严, 等.原位分散聚合聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅纳米复合材料研究.高分子学报, 1997(2): 199～205 [15]熊明娜, 武利民, 周树学, 等.丙烯酸酯/纳米SiO2 复合乳液的制备和表征.涂料工业, 2002(11): 1～3 [16]王世敏, 吴崇浩, 赵雷, 等.聚二甲基硅氧烷/SiO2杂化材料的制备与性能的研究.材料科学与工程学报,2003, 21(2): 205～207 [17]Mackenzie John D, Chung Y J, Hu Y.RubberyOrmosils and their Applications.Journal ofNon-Crystalline Solids, 1992, 147-148: 271～278 [18]潘伟, 翟普, 刘立志.SiO2 纳米粉对炭黑/硅橡胶复合材料的压阻、阻温特性的影响.材料研究学报,1997, 11(4): 397～401 [19]王金平, 俞志欣, 何捷, 等.用sol-gel 法在pc 上制备有机－无机复合耐磨涂层.功能材料, 1999, 30(3): 323～325 [20]杨勇, 朱子康, 漆宗能.溶胶－凝胶法制备可溶性聚酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料的研究.功能材料,1999, 30(1): 78～81 [21]曹峰, 朱子康, 印杰, 等.新型光敏PI/SiO2 杂化材料的制备与性能研究.功能高分子学报, 2000, 13(3): 25～29 [22]张彦奇, 华幼卿.LLDPE/纳米SiO2 复合材料的力学性能和光学性能研究.高分子学报, 2003(5): 683～84 [23]Reynaud E, Jouen T, Gauthier C, et al.Nanofillersin polymeric matrix: a study on silica reinforcedPA6.Polymer, 2001, 42(21): 8 759～8 768 [24]邵鑫, 田军, 刘维民, 等.纳米SiO2 对聚醚砜酮复合材料摩擦学性能的影响.材料工程, 2002(2):38～39 [25]靳奇峰, 廖功雄, 蹇锡高, 等.纳米SiO2 填充杂萘联苯聚醚酮复合材料的性能研究.宇航材料工艺, 2005(2): 18～19 [26]张而耕, 王志文.PPS/SiO2 纳米复合涂层的制备和性能测试.机械工程材料, 2003, 27(5): 36～37 [27]张启卫, 章永化, 陈守明, 等.聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅杂化材料制备与性能.应用化学, 2002, 19(9): 874～875 [28]郭卫红, 唐颂超, 周达飞, 等.纳米SiO2 在MMA 单体中在原位分散聚合的研究.材料导报, 2000(10):71～72 [29]张毅, 马秀清, 李永超, 等.纳米SiO2 增强增韧不饱和聚酯树脂的研究.中国塑料, 2004, 18(2): 35～36 [30]周文英, 李海东, 牛国良, 等.纳米SiO2 改性不饱和聚酯树脂.纤维复合材料, 2003(14): 14～15

第四篇：纳米论文

纳米技术在医学上的应用

[摘要]纳米医学是纳米技术与医药技术结合的产物,纳米医学研究在疾病诊断和治疗方面显示出了巨大的应用潜力。近几年,纳米技术突飞猛进,作为纳米技术的重要领域的纳米生物工程也取得了辉煌的成就。本文从纳米医学、纳米生物技术和纳米生物材料三个方面,讲述了纳米生物工程的重大进展。本文就纳米诊断技术、组织修复和再生医学中的纳米材料、纳米药物载体、纳米药物等方面的研究现状与进展进行综述,并探讨纳米医学的发展前景。

[引言] 纳米技术的基本概念是用单个原子、分子制造和操作物质的技术,是现代高科技前沿技术.纳米技术应用前景广阔,几乎涉及现有科学技术的所有领域,世界各国都把纳米技术列为重点发展项目,投入巨资抢占纳米技术战略高地.[关键词]纳米医学;纳米生物材料;诊断;治疗

1、跨世纪的新学科——纳米科技

所谓/纳米科技,就是在0.1~100纳米的尺度上,研究和利用原子和分子的结构、特征及相互作用的高新科学技术,它是现代科学和先进工程技术结合的产物。1990年7月,第一届国际纳米科技会议的召开,标志着纳米科技的正式诞生。时至今日,纳米科技涉及到几乎现有的所有科学技术领域。它的诞生,使人类改造自然的能力直接延伸到分子和原子。它的最终目标,是人类按照自己的意志操纵单个原子,在纳米尺度上制造具有特定功能的产品,实现生产方式的飞 跃。目前,纳米科技已经取得一系列成果,正处于重大突破的前夜。研究者认为,这一兴起于本世纪90年代的纳米科技,必将雄踞于21世纪,对人类社会产生重大而深远的影响。

2、纳米医学的提出

纳米医学的形成除了纳米技术之外，其医学本身也应具有可应用纳米技术的客观基础和必要条件。客观基础是指，像其他物质一样，医学研究的主体———人体本身是由分子和原子构成的。实现纳米医学的必要条件是，要在分子水平上对人体有更为全面而详尽的了解。随着现代生物学和现代医学的不断发展,人类在生物学和医学等领域的研究内容已开始从细胞、染色体等微米尺度的结构深入到更小的层次,进入到单个分子甚至分子内部的结构。这些极其微细的分子结构的特征:尺度空间在0.1-100 nm,属于纳米技术的尺度范围。研究这些纳米尺度的分子结构和生命现象的学科,就是纳米生物学和纳米医学。纳米医学是一门涉及物理学、化学、量子学、材料学、电子学、计算机学、生物学以及医学等众多领域的综合 性交叉学科。Freitas曾给纳米医学下过一个较详细的定义:他认为,纳米医学是利用人体分子工具和分子知识,预防、诊断、治疗疾病和创伤,劫除疼痛,保护和改善人体健康的科学和技术。目前的纳米医学研究水平还处于初级阶段,当然,由于各国科学工者的不懈努力,纳米医学研究领域已初露曙光,有部分研究成果已开始接近临床应用。

从定义来看,纳米医学可以分为两大类,一是在分子水平上的医学研究,基因药物和基因疗法等就是典型体现;二是把其他领域的纳米研究成果引入医学领域,如某种纳米装置在医疗和诊断上的应用。纳米医学的奥秘在于,可以从纳米量级的尺度来进行原来不可能达到的医疗操作和疾病防治。当生命物质的结构单元小到纳米量级的时候,其性质会有意想不到的变化。这种变化既包括物质的原有性能变得更好,还可能有我们所意想不到的性能和效益,从而用来治病防病。

3、纳米技术的医学应用 3.1 诊断疾病

在诊断方面，将应用纳米医学技术手段，在诊室内进行全面的基因检查和特殊细菌涂层标记物的实时全身扫描；检测肿瘤细胞抗原、矿质沉积物、可疑的毒素、源于遗传或生活方式的激素失衡，以及其它以亚毫米空间分辨率制成所定目标三维图谱的特定分子。在纳米医学时代，这些强有力的手段将使医务人员能够检查患者的任何部位，且可详尽到分子水平，并能以合理的费用，在数分钟或数秒钟内获得所需的结果。许多以往诊断比较困难或无法诊断的疾病,随着纳米技术的介入,将很容易被确诊。为判断胎儿是否具有遗传缺陷,以往常采用价格昂贵并对人体有损害的羊水诊断技术。如今应用纳米技术,可简便安全地达到目的。孕8周左右血液中开始出现非常少量的胎儿细胞,用纳米粒很容易将这些胎儿细胞分离出来进行诊断。目前美国已将此项技术应用于临床诊断。肝癌患者由于早期没有明显症状,一旦发现常已到晚期,难以治愈,因而早期诊断极为重要。中国医科大学第二临床学院把纳米粒应用于医学研究,经过4年的努力,完成了超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体的研究。动物实验证明,运用这项研究成果,可以发现直径3mm以下的肝肿瘤。这对肝癌的早期诊断、早期治疗有着十分重要的意义。3.2 纳米药物和纳米药物载体

这是纳米医学中的一个非常活跃的领域,适时准确地释放药物是它的基本功能之一。科学家正在为糖尿病人研制超小型的,模仿健康人体内的葡萄糖检测系统。它能够被植入皮下,监测血糖水平,在必要的时候释放出胰岛素,使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。美国密西根大学的博士正在设计一种纳米/智能炸弹,它可以识别出癌细胞的化学特征。这种智能炸弹很小,仅有20nm左右,能够进入并摧毁单个的癌细胞。

德国医生尝试借助磁性纳米微粒治疗癌症,并在动物实验中取得了较好疗效。将一些极其细小的氧化铁纳米微粒注入患者的肿瘤里,然后将患者置于可变的磁场中,氧化铁纳米微粒升温到45~ 47度,这一温度可慢慢热死癌细胞。由于肿瘤附近的机体组织中不存在磁性微粒,因此这些健康组织的温度不会升高,也不会受到伤害。科学家指出,将磁性纳米颗粒与药物结合,注入到人体内,在外磁场作用下,药物向病变部位集中,从而达到定向治疗的目的,将大大提高肿瘤的药物治疗效果。

纳米药物与传统的分子药物的根本区别在于它是颗粒药物。广义的纳米药物可分为两类:一类是纳米药物载体,即指溶解或分散有分子药物的各种纳米颗粒,如纳米球、纳米囊、纳米脂质体等。二是纳米药物,即指直接将原料药物加工成的纳米颗粒,或利用崭新的纳米结构或纳米特性,发现基于新型纳米颗粒的高效低毒的治疗或诊断药物。前者是对传统药物的改良,而后者强调的是把纳米材料本身作为药物。

3.2.1 纳米药物

直接以纳米颗粒作为药物的应用之一是抗菌药物。纳米抗菌药物具有广谱、亲水、环保、遇水后杀菌力更强、不会诱导细菌耐药性等多种性能。以这种抗菌颗粒为原料,成功地开发出了创伤贴、溃疡贴等纳米医药类产品。例如,纳米二氧化钛树脂基托材料具有一定的抗变形链球菌和抗白色念珠菌的效果,当树脂基托中抗菌剂的浓度达到3%时,即可达到满意的抗菌效果。

无机纳米颗粒作为新型的抗癌药物为肿瘤治疗提供了新的思路。研究人员用Gd@C82(OH)22处理得肝癌的小鼠,在10.7mol/kg的注射剂量下能有效地抑制肿瘤生长,同时对机体不产生任何毒性。其抑瘤效应不是通过纳米颗粒对肿瘤的直接杀伤起作用,而是可能通过激活机体免疫来实现对肿瘤的抑制作用。纳米羟基磷灰石在体外对恶性肿瘤细胞产生明显的抑制作用,而对正常细胞作用甚微,可望通过进一步的研究获得一种区别于传统的化疗药物的纳米无机抗癌药物。此外,有的物质纳米化后出现新的治疗作用,如二氧化钛纳米粒子可抑制癌细胞增殖;二氧化铈纳米颗粒可以清除眼中的电抗性分子并防治一些由于视网膜老化而带来的疾病。

3.2.2 纳米药物载体

实现细胞和亚细胞层次上药物的靶向传递和智能控制释放,是降低药物毒副作用、提高治疗效果的共性问题。纳米粒子介导的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术,在药物输送方面具有许多优越性。目前,用作药物载体的材料有金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒及生物活性纳米颗粒等。理想的纳米药物载体应具备以下性质:毒性较低或没有毒性;具有适宜的制备及提纯方法;具有合适的粒径与形状;具有较高的载药量;具有较高的包封率;对药物具有良好的释放特性;具有良好的生物相容性,可生物降解或可被机体排出;具有较长的体内循环时间,并能在疗效相 关部位持久存。3.3 纳米生物技术

纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物,它即可以用于生物医学,也可以服务于其它社会需求。所包含的内容非常丰富,并以极快的速度增加和发展,难以概述。

3.3.1生物芯片技术

生物芯片是在很小几何尺度的表面积上,装配一种或集成多种生物活性,仅用微量生理或生物采样,即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性,以及它们之间的相互作用,获得生命微观活动的规律。生物芯片可以粗略地分为细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等几类,都有集成、并行和快速检测的优点,已成为21世纪生物医学工程的前沿科技。

近2年,已经通过微制作(MEMS)技术,制成了微米量级的机械手,能够在细胞溶液中捕捉到单个细胞,进行细胞结构、功能和通讯等特性研究。美国哈佛大学的教授领导的研究人员,发展了微电子工业普遍使用的光刻技术在生物学领域的应用,并研制出效果更好的软光刻方法。以此,制出了可以捕捉和固定单个细胞的生物芯片,通过调节细胞间距等,研究细胞分泌和胞间通讯。此类细胞芯片还可以作细胞分类和纯化等。它的功能原理非常简单,仅利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面特性,即可达到选择和固定细胞及细胞面密度控制。

美国圣地亚国家实验室的发现实现了纳米爱好者的预言。正像所预想的那样,纳米技术可以在血流中进行巡航探测,即时发现诸如病毒和细菌类型的外来入侵者,并予以歼灭,从而消除传染性疾病。

研究人员做了一个雏形装置,发挥芯片实验室的功能,它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞血症和感染了爱滋病的细胞。血液细胞被导入一个发射激光的腔体表面,从而改变激光的形成。癌细胞会产生一种明亮的闪光;而健康细胞只发射一种标准波长的光,以此鉴别癌变。3.3.2纳米探针

一种探测单个活细胞的纳米传感器,探头尺寸仅为纳米量级,当它插入活细胞时,可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。

3.4组织修复和再生医学中的纳米材料

将纳米技术与组织工程技术相结合,构建具有纳米拓扑结构的细胞生长支架正在形成一个崭新的研究方向。相对于微米尺度,纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞生长的自然环境更为相似。纳米拓扑结构的构建有可能从分子和细胞水平上控制生物材料与细胞间的相互作用,引发特异性细胞反应,对于组织再生与修复具有潜在的应用前景和重要意义。将纳米纤维水凝胶作为神经组织的支架,在其中生长的鼠神经前体细胞的生长速度明显快于对照材料。向高分子材料中加入碳纳米管可以显著改善原有聚合物的传导性、强度、弹性、韧性和耐久性,同时还可以改进基体材料的生物相容性。研究发现,随着复合物中碳纳米管含量的增加,神经元细胞和成骨细胞在复合材料上的黏附与生长也越来越活跃,而星形细胞和成纤维细胞的活性则呈现同等程度的下降。研究人员设计的人造红细胞输送氧的能力是同等体积天然红细胞的236倍,可应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等。研究人员成功合成了模拟骨骼亚结构的纳米物质,该物质可取代目前骨科常用的合金材料,其物理特性符合理想的骨骼替代物的模数匹配,不易骨折,且与正常骨组织连接紧密,显示出明显的正畸应用优势。

纳米自组装短肽材料RADA16-I与细胞外基质具有很高相似性,RADA16-I纳米支架可以作为一种临时性的细胞培养人工支架,它能很好地支持功能型细胞在受损位置附近生长、迁移和分化,因而有利于细胞抵达伤口缝隙,使组织得以再生。有研究人员利用RADA16-I纳米支架修复了仓鼠脑部的急性创伤,并且恢复了仓鼠的视觉功能。RADA16-I形成的水凝胶可用作新型的简易止血剂,用于多种组织和多种不同类型伤口的止血。

4、我国发展纳米生物学和纳米医学的现状和发展策略

目前,我国在纳米生物和医学领域内的研究基础还比较薄弱,通过采取各种激励措施和各种研究计划的实施,特别是国家自然科学基金委的纳米技术重大研究计划对纳米生物和纳米医学项目的支持,我国在纳米生物和纳米医学方面的研究状况有了很大的改善,生物、医学界的许多院、所相继建立了有关纳米技术的研究室,如中国医学科学院基础医学研究所、军事医学科学院毒物药物研究所和生物物理研究所等都设立了纳米研究室,初步形成了一只较强的研究队伍。近年来,来自化学、物理、信息、药物、生物和医学等领域的科学家通过几次研讨会进一步明确了纳米生物和纳米医学领域的研究方向和内容,并建立了较密切的合作。我国在纳米生物和纳米医学的研究领域也涌现了一批极具特色的研究成果,如在生物传感器、生物芯片、新型药物载体和靶向药物、新型纳米药物剂型、新造影剂、重大疾病的机制、纳米材料的应用和生物安全性及重大疾病预防和早期诊断与治疗技术等方面。但是,这些研究的水准与国际先进水平还有相当的差距,离国家、社会的需求也有相当远的距离。

纳米医学工程的建立不仅是因为有其迫切的需要,而且也因为有了实现的可能。如今,纳米科技在国际上已崭露头角,世界各发达国家纷纷开展纳米科技的研究。在我国,科技界对纳米科技的重要性有了共识,纳米科技研究已取得引人注目的成果。学科发展和社会需要是推动社会发展的巨大动力,学科发展可以创造新的需求,社会需求可以促进学科向深度和广度发展。纳米生物医学工程正在出现,我们无力将它阻挡。虽然它的广泛应用尚有待时日,并潜在危险,但若没有它,我们现在面临的许多生物医学工程问题就不可能得到满意的解决。

人类正在被历史及自身推向一个崭新的陌生世界,倘若人类能直接利用原子、分子进行生产活动,这将是一个质的飞跃,将改变人类的生产方式,并空前地提高生产能力,有可能从根本上解决人类面临的诸多困难和危机。我们有必要把纳米科技和生物医学工程概念进行拓展,把纳米科技的理论与方法引入生物医学工程的相关研究领域,创立新的边缘学科——纳米生物医学工程。可以相信,纳米医学工程将会成为纳米科技的重要分支,并开创生物医学工程新纪元。科学家认为,纳米科技在生物医学方面,甚至有可能超过信息技术和基因工程,成为决胜未来的关键性技术。[参 考 文 献] [1]刘吉平,郝向阳.纳米科学与技术[M].北京:科学出版社,2002:2,227-229,234-238,239-242,230-234.[2]李道萍.21世纪崭新的学科——纳米医学[J]1世界新医学信息文摘,2003,1(3):208-210.[3]李会东.纳米技术在生物学与医学领域中的应用[J].湘潭师范学院学报(自然科学版),2005,27(2):49-51.[4]皮洪琼,吴俊,袁直等.注射用生物可降解胰岛素纳米微球的制备[J]1应用化学,2001,18(5):365-369.[5]常津.阿毒素免疫磁性毫微粒的体内磁靶向定位研究[J].中国生物医学工程学报,1996,15(4):216-221.[6]张共清,梁屹.纳米技术在生物医学的应用[J]1中国医学科学院学报,2002,24(2):197-201.〔7〕中国社会科学院语言研究所词典编辑室编.现代汉语词典.北京:商务印书馆2002年版:1711〔8〕奇云.21世纪的纳米医学.健康报,2001(4):12〔9〕纪小龙.纳米医学怎样诊治疾病.健康报,2001,7,19[9]奇 云.纳米医学——21世纪的科技新领域[N].中国医药报,1995年6月8日~1995年7月18日,第1160期-1178期,第7版.[10]奇 云.纳米材料——21世纪的新材料[J].科技导报,1992(10):28-31.[11]奇 云.纳米电子学研究进展[J].现代物理知识,1994,6(5):24-25.[12]奇 云.纳米生物学的诱人前景[N].光明日报,1993年5月7日,第15864号第3版.[13]奇 云.纳米化学研究进展[J].自然杂志,1993,16（9、10):2-5.[14]奇 云.纳米化学研究进展[J].现代化工,1993,13(8):38-39.[15] 华中一.纳米科学与技术[J].科学,2000,52(5):6-10..

第五篇：纳米材料论文

纳米科技及纳米材料

【摘 要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚爱好。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学特性，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。文章简要地概述了纳米技术，纳米材料的分类、特性以及纳米材料在催化、涂料、医药等领域的应用，并展望了纳米材料广阔的应用前景。

【关键词】纳米技术；纳米材料；分类；特性；应用；前景

一、纳米科技及纳米材料的涵义

纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技，是一门在0.1~ 100 nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。其涵义是人类在纳米尺寸（10-9--10-7m）范围内认识和改造自然，最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。纳米科技是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。

纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。

二、纳米材料的分类

按其颗粒组成的尺寸和排列状态，可分为纳米晶体和纳米非晶体。前者指所包含的纳米微粒为晶体，后者由具有短程序的非晶态纳米微粒组成，如纳米非晶态薄膜．

按其结构来分，纳米材料的基本单元可以分为四类：零维的原子团簇和纳米微粒；一维调制的纳米单层或多层薄膜；二维调制的纳米纤维结构；三维调制的纳米相材料。

三、纳米材料的特性

纳米材料的特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不同于本体材料的新材料，其物理化学性质与本体材料有明显差异。主要表现在：纳米材料性能表现出强烈的尺寸依赖性。当粒子尺寸减小到纳米级的某一尺寸时，则材料的物性会发生突变，与同组分的常规材料的性能完全不同，且同类材料的不同性能有不同的临界尺寸，对同一性能，不同材料相应的临界尺寸也有差异，所以当物质的粒子尺寸达到纳米数量级时，将会表现出优于同组分的晶态或非晶态的性质。如熔点下降、强烈的化学活性和催化活性及特殊的光学、电学、磁学和力学及烧结性能。这主要是由纳米材料的下列效应引起：小尺寸效应（体积效应）；表面与界面效应；量子尺寸效应（久保效应）；宏观量子隧道效应。

1、小尺寸效应指当超微粒的尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现新的尺寸效应。陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，而由纳米超微粒制成的纳米陶瓷却具有良好的韧性和延展性。这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下容易迁移。因此使原先脆性的材料表现出良好的韧性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。

2、表面与界面效应指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多，因此纳米粉微粒通常具有相当高的表面能。

3、当粒子的尺寸降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级出现由准连续变为离散的现象。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，纳米微粒会呈现一系列与宏观物体截然不同的特性，称之为量子尺寸效应。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。纳米材料的量子尺寸效应使纳米材料具有：高度光学非线性；特异性催化和光催化性；强氧化性与强还原性。用这一特性可制得光催化剂、强氧化剂与强还原剂。可使用于制备无机抗菌材料。

4、微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

四、纳米材料的应用

1、在催化方面的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。

纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，主要是在有机物制备方面。光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂或钮催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。

2、在涂料方面的应用

纳米材料由于其表面和结构的非凡性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。

3、在医药方面的应用

21世纪控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。

纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分子应用工程。在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质非凡是酶，从而控制生化反应。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器，可以获取细胞内的生物信息，从而了解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。

五、纳米材料的前景

21世纪将是纳米技术的时代，纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。

21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。

参考文献: [1]殷景华，王雅珍等．功能材料概论．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.9 [2]林鸿溢．纳米材料与纳米技术．材料导报，1993 [3] 刘吉平，郝向东．纳米科学与技术[M] ．北京：高等教育出版社，2002 [4 张立德，牟季美．纳米材料学[M]．沈阳：辽宁科学技术出版社，1994