高分子纳米生物材料的发展现状及前景

高分子纳米生物材料的发展现状及前景
纳米材料研究都是从20世纪80年代开始的，是在之前三次工业革命的基础上发展起来的的新兴科技领域。

巨大的需求与技术支撑，使其在材料、生物、医学、高分子等领域开拓出一片片新大陆，筑起21世纪工业革命的基石。

而纳米技术作为一项高新技术在高分子材料中有着非常广阔的应用前景，对开发具有特殊性能的高分子材料有着重要的实际意义
纳米高分子材料，也称高分子纳米微粒或高分子超微粒，粒径尺度在1 nm～1000 nm范围。

这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能，可用于药物、基因传递和药物控释载体，以及免疫分析、介入性诊疗等方面。

1纳米科技与高分子材料的邂逅
高分子材料学的一个重要方面就是改变单一聚合物的凝聚态,或添加填料来使高分子材料使用性能大幅提升。

而纳米微粒的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应能在声、光、电、磁、力学等物理特性方面呈现许多奇异的物理、化学性质。

金属、无机非金属和聚合物的纳米粒、纳米丝、纳米薄膜、纳米块体以及由不同组元构成的纳米复合材料,可实现组元材料的优势互补或加强。

通过微乳液聚合方法得到的纳米高分子材料具有巨大的比表面积,纳米粒子的特异性能使其在这一领域的发展过程中顺应高分子复合材料对高性能填料的需求,出现了一些普通微米级材料所不具有的新性质和新功能,纳米科技与高分子材料科学的交融互助对高分子材料科学突破传统理念发挥了重要作用。

高分子纳米复合材料的应用及前景
由于高分子纳米复合材料既能发挥纳米粒子自身的小尺寸效应、表面效应和量子效应,以及粒子的协同效应,而且兼有高分子材料本身的优点,使得它们在催化、力学、物理功能(光、电、磁、敏感)等方面呈现出常规材料不具备的特性,故而有广阔的应用前景利用纳米粒子的催化特性,并用高聚物作为载体,既能发挥纳米粒子的高催化性和选择催化性,又能通过高聚物的稳定作用使之具有长效稳定性。

定性。

纳米粒子加入聚合物基体后,能够改善材料的力学性能。

如纳米A-Al2O3/环氧树脂体系,粒径27nm,用量1%~5%(质量分数)时,玻璃化转变温度提高,模量达极大值,用量超过10%(质量分数)后,模量下降[79]。

又如插层原位聚合制备的聚合物基有机)无机纳米级复合材料(聚酰胺/粘土纳米复合材料等)具有高强度、高模量、高热变形温度等优点,目前已有产品出现,用作自行车、汽车零部件等[55]。

尤其引人注目的是高分子纳米复合材料在功能材料领域方面的应用,包括磁性、电学性质、光学性质、光电性质及敏感性质等方面。

磁性纳米粒子由于尺寸小,具有单磁畴结构,矫顽力很高,用它制作磁记录材料可以提高记录密度,提高信噪比;一般要求与聚合物复合的纳米粒子,采用单磁畴针状微粒,且不能小于超顺磁性临界尺寸(10nm)。

利用纳米粒子的电学性质,可以制成导电涂料、导电胶等,例如用纳米银代替微米银制成导电胶,可以节省银的用量;还可以用纳米微粒制成绝缘糊、介电糊等。

另外可用于静电屏蔽材料,日本松下公司应用纳米微粒Fe2O3、TiO2、Cr2O3、ZnO等具有半导体特性的氧化物粒子制成具有良好静电屏蔽的涂料,而且可以调
提高安全性。

节其颜色;在化纤制品中加入金属纳米粒子可以解决其静电问题,提高安全性。

利用复合体系的光学性能,可以制成如下材料:(1)优异的光吸收材料。

例如在塑料制品表面上涂上一层含有吸收紫外线的纳米粒子的透明涂层,可以防止塑料
老化;某些纳米微粒具有很强的吸收中红外频段的特性,加入纤维后可以对人体释放的红外线起到了很好的屏蔽作用,且可以增加保暖作用,减轻衣服的质量。

(2)隐身材料。

纳米粒子对不同波段的电磁波有强烈的吸收作用,包括红外线、雷达波,且其尺寸远小于红外线和雷达波波长,透射率较高,所以反射信号强度大大降低,达到隐身作用,且粒子密度小,利于在航空方面的应用。

例如纳米氧化铝、氧化铁、氧化硅等对中红外波段的吸收;纳米磁性粒子既有优良的吸波特性,又有良好的吸收和耗散红外线的性能;纳米级的硼化物、碳化物,包括纳米纤维,也能应用在隐身材料方面。

(3)光通讯材料。

如纳米TiO2粒子/聚酰亚胺复合材料用作波导管[80]。

(4)非线性光学材料。

许多纳米无机粒子具有大的三阶非线性光学系数V(3),如纳米粒子SiO2/PPV 复合材料等[81]。

(5)光电材料。

利用半导体高分子和纳米粒子复合材料的光诱导电化学反应,可以制备光致变色材料,彩色显示材料
[49]等,如TiO2、WO3、CdS 纳米粒子/聚苯胺构成光致变色体系,用于光记录;TiO2纳米粒子/MEH)PPV 制备固体高分子激光二极管等。

制备固体高分子激光二极管等。

利用纳米粒子的低熔点性质,如纳米银粒子熔点可以降低到100e,制成的导电浆料可以在低温进行烧结。

电浆料可以在低温进行烧结。

利用高分子纳米复合材料的敏感特性用作敏感材料,这是它最有前途的应用领域之一。

不仅由于纳米粒子具有表面积大,表面活性高,对周围环境敏感,温度、气氛、光、湿度等的变化会引起粒子电学、光学等行为的变化,而且纳米粒子在基体中的聚集结构也会发生变化,引起粒子协同性能的变化,因此可望利用纳米粒子制成敏感度高的小型化、低能耗、多功能传感器。

例如气体传感器,红外线传感器,压电传感器,温度传感器和光传感器等。

温度传感器和光传感器等。

高分子纳米复合材料用于仿生材料也有大量研究,实际上自然界生物的某些器官就是天然的高分子纳米复合材料=如采用无机纳米粒子与高沸点多官能低聚物(UDMA 、Bis-GMA 、Bis-PMEPP 等)混和成型,所得材料的硬度高、耐磨性好、吸水性低、透明性高,可用于制备人工齿。

另外,高分子纳米复合材料还可用于医用材料,如医用纱布中加入纳米银粒子可以消毒杀菌;还可用于环保材料,例如负载纳米粒子的多孔树脂可用于废气、废水等的处理;还可用作耐摩擦、耐磨损材料和高介电材料。

料和高介电材料。

总之,由于高分子纳米复合材料具有许多优异的性能,展示出诱人的应用前景,当前对它的研究十分活跃,其发展趋势一方面是对纳米体系基本理论的研究,探索新现象、新效应,总结新规律,这是纳米科技发展的基础;另一方面是作为纳米材料工程的重要组成部分,通过纳米合成,纳米添加发展新型的纳米材料,并通过纳米添加对传统材料进行改性,扩大纳米材料的应用范围。

扩大纳米材料的应用范围。

纳米技术在高分子材料改性中的应用
纳米材料加入高聚物中,可使高分子材料的性能很大提高,是制备高性能、高功能复合材料的重要手段之一。

功能复合材料的重要手段之一。

纳米材料填充塑料体系表现出同时增强、纳米材料填充塑料体系表现出同时增强、纳米材料填充塑料体系表现出同时增强、增韧的增韧的特性,为开拓聚合物复合材料的应用领域开辟了广阔的前景。

纳米技术在塑料改性中的应用
纳米材料具有许多新奇的特性,它在塑料中的应用不仅仅是增强作用,而且还能赋予基体材料其它新的性能。

如由于粒子尺寸较小,透光率好,将其加入塑料中可以使塑料变得很致密。

特别是半透明的塑料薄膜,添加纳米材料后不但透明度得到提高,韧性、强度也有所改善,且防水性能大大增强。

且防水性能大大增强。

（1）对塑料的增韧增强作用。

塑料的增韧增强改性方法较多,传统的方法有共混、混、共聚、共聚、共聚、使用增韧剂等。

使用增韧剂等。

使用增韧剂等。

无机填料填充基体无机填料填充基体,通常可以降低制品成本,提高刚性、
耐热性和尺寸稳定性,而随之往往会带来体系冲击强度、断裂伸长率的下降,即韧性下降。

往硬性塑料中加入橡胶弹性粒子,可以提高其冲击强度,但同时拉伸强度则有所下降;往高分子材料中加入增强纤维,可以大幅度提高其拉伸强度,但同时冲击强度、特别是断裂伸长率常常有所下降;近年来采用液晶聚合物对高分子材料的原位复合增强等,可使材料的拉伸及冲击强度均有所改善,但断裂伸长率仍有所下降。

而纳米技术的出现为塑料的增韧增强改性提供了一种全新的方法和途径。

纳米粒子表面活性中心多,可以和基体紧密结合,相容性比较好。

当受外力时,粒子不易与基体脱离,而且因为应力场的相互作用,在基体内产生很多的微变形区,吸收大量的能量。

这也就决定了其能较好地传递所承受的外应力,又能引发基体
从而达到同时增韧和增强的作用。

屈服,消耗大量的冲击能,从而达到同时增韧和增强的作用。

(2)改善塑料的抗老化性。

塑料抗老化性能差,影响了其推广应用。

太阳光中的紫外线波长在200~400nm之间,而280~400nm波段的紫外线能使高聚物分子链断裂,从而使材料老化。

纳米SiO2与TiO2适当混配,即可大量的吸收紫外线。

例如在PP中加入0·3%的UV-TAN-P580纳米TiO2,经过700h热光照射后,其抗张强度损失仅10%。

（3）塑料功能化。

在塑料中添加具有抗菌性的纳米粒子,可使塑料具有持久抗菌性。

应用此项技术现已产出了抗菌冰箱等制品。

将纳米ZnO或纳米金属粒子添加到塑料中可以得到具有抗静电性的塑料;选用适当的纳米粒子添加到塑料中还可以制得吸波材料,用于“隐性材料”的生产。

国内小鸭集团运用纳米技术将无机银/聚合物复合材料制成洗衣机外桶,不但增加了韧性,具有耐摩擦、耐冲击的特点,还具有很好的光洁度和很强的防垢能力,保持洗衣机自身的清洁。

保持洗衣机自身的清洁。

(4)通用塑料的工程化。

通用塑料具有产量大、应用广、价格低等特点。

在通用塑料中加入纳米粒子能使其达到工程塑料的性能。

如采用纳米技术对通用聚丙烯进行改性,其性能可达到尼龙6的性能指标,而成本却降低1/3,这样的产品如工业化生产可取得较好的经济效益。

业化生产可取得较好的经济效益。

2·2纳米技术在橡胶改性中的应用
纳米技术在橡胶改性中的应用
以往橡胶改性多通过加入炭黑来提高强度、耐磨、抗老化等性能,但这样处理后制品将变成黑色。

为了制成彩色橡胶,将白色纳米级粒子(如纳米SiO2)作补强剂或使用纳米粒子级着色剂,可制成彩色橡胶制品。

由于纳米SiO2是三维链状结构,将其均匀分散在橡胶大分子中并与之结合成为立体网状结构,从而提高制品强度、弹性、耐磨性,同时纳米SiO2对波长499nm以内的紫外线反射率达70%~80%,故可对材料起到屏蔽紫外光作用,以提高材料的抗老化性。

如北京橡胶设计研究所研制的彩色防水卷材,其性能指标达到或优于三元乙丙橡胶防水卷材，
也可用纳米技术改性轮胎侧面胶生产彩色轮胎。

轮胎侧面胶的抗折性能由10万万次。

次提高到50万次。

2·3纳米技术在化学纤维中的应用
纳米技术在化学纤维中的应用
纳米材料的出现,为制备功能纤维开辟了新的有效途径,如前所述,将少量的UV-TiTAN-P580纳米TiO2加入合成纤维中,就能制得抗老化的合成纤维,用它做成的服装和用品具有防止紫外线的功效,如防紫外线的遮阳伞等。

近年来出现的各种新型的功能化学纤维,据报道不少是应用了纳米技术。

如日本帝人公司将纳米ZnO和纳米SiO2混入化学纤维,得到的化学纤维具有除臭及净化空气的功能,这种纤维被用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、睡衣等;日本仓敷公司将纳米ZnO加入到聚酯纤维中,制得了防紫外线纤维,该纤维还具有抗菌、消毒、除臭的功能与对塑料的改性相似,将金属纳米粒子添加到化纤中可以起抗静电的
作用,将银的纳米粒子添加到化学纤维中还有除臭、灭菌的作用。

以生产“波司登”登”
羽绒服而名的江苏康博集团,将从天然奇冰石中提取的纳米级超细粉末加入“波司登”保暖内衣层内,能有效地杀菌抑菌,消除异味。

近年来,随着各种家电、手机、电视机、电脑、微波炉等的使用越来越普遍,电磁波对人体的影响已有明确定论。

目前美、日、韩等国已有抗电磁波的服装上市,国内采用纳米材料制备抗电磁波纤维的研究亦正在研究中。

纤维的研究亦正在研究中。

纳米高分子材料在生物医学领域中的应用
21药物载体药物载体
211缓控释性制备纳米缓控释系统的高分子载体材料以合成的可生物降解的聚合物体系和天然的大分子体系为主,前者如聚氰基丙烯酸烷基酯、前者如聚氰基丙烯酸烷基酯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、乳酸!乙醇酸共聚物等,它们在体内通过主链酯键的水解而降解,降解产物对人体基本无毒性;后者如天然的蛋白、明胶、多糖等。

活性组分(药物、生物活性材料等)通过溶解、包裹作用位于纳米粒子内部,或者通过吸附、附着作用位于粒子表面。

面。

药物经过载体运送后药物经过载体运送后,药效损伤很小,而且还可以有效控制释放,延长药物的作用时间。

纳米高分子材料作为载体,与各类药物之间,无论是亲水性的、疏水性的药物或者是生物大分子制剂,都有良好的相容性,因此能够负载或包覆多种药物,同时可以更有效地控制药物的释放速度。

纳米高分子材料作为药物缓控释的载体,是一种新型的控释体系。

制备纳米控释系统的方法主要有以不同单体通过聚合反应制备纳米微粒的乳液聚合和界面聚合技术,以及利用高分子聚合物超声乳化,溶剂挥发法制备纳米微粒的技术。

剂挥发法制备纳米微粒的技术。

212靶向性纳米粒进入体循环以后,主要被肝、肾、骨髓等处网状内皮细胞(RES)的巨噬细胞吞噬,具有器官靶向性。

聚氰基丙烯酸丁酯纳米粒(PBCA-NP)具有生物利用度高,释药速率可控、靶向性,能够改变药物体内分布[3] 
,用PBCA-NP 包载庆大霉素,发现小鼠腹膜的巨噬细胞和大鼠的肝细胞对庆大霉素的吸收明显高于直接对庆大霉素溶液的吸收。

高分子胶束作为新型纳米靶向给药系统是功能高分子材料的又一新应用。

胶束直径在200nm 以下,疏水嵌段组成的核可以通过化学键或物理包埋将药物增溶结合在核中,如果使用的材料是热敏性的高分子,则载药胶束释放受温度控制。

当低于低临界溶解温度(LCST),胶束的热敏外层为亲水性,在血液循环中转运药物,不易被RES 吞噬;当高于LCST 时,热敏外层呈疏水性,胶束破坏而发生聚集,释放药物。

释放药物。

通常肿瘤部位常有较高的温度通常肿瘤部位常有较高的温度,利用该生理病理特点可实现主动靶向。

目前研究的可降解型高分子胶束有聚乙二醇-聚乳酸嵌段共聚物等,聚谷氨酸(PBLG)有良好的生物相容性和降解性,与聚异丙基丙烯酰胺(PIPAAm)形成两亲性嵌段共聚物,在一定条件下可形成胶束[5],PBLG 在体内蛋白酶作用下断裂成无毒小分子。

在普通纳米粒表面通过物理吸附或共价结合亲水性聚合物,形成一层或多层保护性的亲水衣膜,可阻碍调理作用,制成隐形制成隐形 纳米粒。

同时满足亲水性和柔韧性要求的聚合物有聚乙二醇(PEG)、poloxamer 、poloxamine 、聚山梨酯80(Tween80)等,其中PEG 免疫原性和抗原性极低,且通过FDA 认可作为人体内使用的聚合物,被广泛研究和使用[。

研究表明,隐形高分子链隐形高分子链 的链长与密度都与隐形作用有关。

但由于血浆蛋白的吸附不可能完全被排除,所以高分子链的链长和链密度并非越大越好,达到一定程度后排除血浆蛋白的能力就不再明显了。

避开了肝脏枯否氏细胞吞噬的隐形纳米粒,可转运至其他组织和器官或长时间存在于体循环中。

在经过多次循环后,可显著地浓集于体内其他组
织或器官,达到靶向性的目的。

eracchia 等发现,经放射性标记的平均粒径为150nm 的聚乙二醇化聚十六烷基氰基丙烯酸酯(PEG-PHDCA)(1∀5)纳米粒尾静脉注射入雌性OF1鼠后,肝脏积聚相对于未PEF 化纳米粒明显减少,即使是静注后24h,只有40%放射量可以在肝中观察到,而未PEG 化纳米粒,仅注射后3min 就可以观察到90%放射量。

PEG-2PHDCA(1∀5)纳米粒在肺和骨髓中量也很少,但3h 后脾中含有注射量的10%,以单位重量计,脾中量远远高于肝中量。

在体内注射前,在体外以鼠巨噬细胞J774考察了PEG-PHDCA 聚合物的毒性,聚合物PHDCA 毒性由于PEG 化而下降。

原因可能在于PEG 化的纳米粒,由于PEG 链的空间位阻作用降低了粒子与细胞的相互作用程度。

与细胞的相互作用程度。

另外,多数药物为疏水性,它们与纳米颗粒载体偶联时,可能产生沉淀,利用高分子聚合物凝胶成为药物载体可望解决此类问题。

因凝胶可高度水合,如合成时对其尺寸达到纳米级,可用于增强对癌细胞的通透和保留效应。

目前,虽然许多蛋白质类、酶类抗体能够在实验室中合成,但是更好的、特异性更强的靶向物质还有待于研究与开发。

而且药物载体与靶向物质的结合方式也有待于研究(目前主动靶向给药系统大多尚处于试验研究阶段,其发展还有许多问题有待解决,如载体自身的稳定性、病变组织细胞表面抗原和受体的异质性、如何提高药物/抗体分子比等)。

213给药途径的突破Damage 等用界面聚合方法制备的含胰岛素的聚氰基丙烯酸异己酯纳米胶囊,给禁食的糖尿病大鼠单次灌胃,2d 后起效,使血糖水平降低50%~60%。

按每千克体重50单位胰岛素,以纳米胶囊形成给药,降血糖作用可维持20d;而在同样的实验条件下,口服游离的胰岛素却不能降低血糖水平。

纳米胶囊的包裹能够避免胰岛素受分解蛋白酶的作用,而且由于纳米胶囊是通过细胞间质穿过肠道并进入血液循环的,从而显示其系统药效。

这种方法是在对利用糖蛋白和糖肽结合纳米胶囊向肠壁传递的受体研究中提出的。

载药纳米粒子的胶体悬浮液滴眼后,能使药物经角膜的吸收增加,作用增强或延长,副作用减少。

Zimmer 等用乳液聚合法制备了载有匹鲁卡品的聚氰基丙烯酸异丁酯纳米粒子,在兔眼内压增高的动物模型中证明,与药物水溶液相比,载药纳米粒子悬浮液滴眼后,对眼无刺激性,并能使药物在房水中的AUC 增加,消除半衰期延长,药效学与药动学一致;在低药物含量时,载药纳米粒子能显著延长药物作用时间。

22基因载体基因载体
基因转移载体是目前纳米生物材料研究中的热点且有较好基础,对研究药物输送的学者具有极大诱惑力。

用纳米控释系统输送核苷酸有许多优越性,如能保护核苷酸,防止降解;有助于核苷酸转染细胞,并可起到定位作用;能够靶向输送核苷酸。

Chavany 等研究了聚氰基丙烯酸烷基酯纳米粒子吸附寡核苷酸的影响因素,证明了无论在缓冲液还是在细胞培养基中,结合在纳米粒子上的寡核苷酸都具有对抗核酸酶的作用,防止了核苷酸的降解,并通过细胞对纳米粒子的吞噬作用而增加了寡核苷酸进入细胞内的量,同时增强了其在细胞内的稳定性。

Godard 等将胆固醇结合到十二聚体的寡脱氧核糖核酸上,形成复合物,该复合物通过胆固醇基团吸附到聚氰基丙烯酸烷基酯纳米粒子上,然后转染人类膀胱癌细胞T24,该复合物能与Haras 原癌基因mRNA 变异区互补而形成双螺旋,从而起到反义效果,抑制了人类膀胱癌细胞T24在培养基中的增生。

纳米控释系统在体内同样能保护寡核苷酸,防止降解。

防止降解。

23免疫分析免疫分析
[11]免疫分析作为一种常规的分析方法,在蛋白质、在蛋白质、抗原、抗原、抗原、抗体乃至整个细胞的定抗体乃至整个细胞的定
量分析上发挥着巨大的作用。

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,将含有分析对象的溶液与载体温育,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。

纳米聚合物粒子,尤其是某些具有亲水性表面的粒子,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。

24介入治疗
介入治疗
纳米高分子粒子还可以用于某些疑难病的介入性诊断和治疗。

纳米粒子的直径比红血球(6~9m)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子到人体的各部位,检查病变和进行治疗。

目前已有的动物实验结果表明,将载有地塞米松的乳酸-乙酸共聚物纳米粒子,通过动脉给药的方法送入血管内,可以有效治疗动脉再狭窄,而载有抗增生药物的乳酸-乙醇酸共聚物纳米粒子经冠状动脉给药,可以有效防止冠状动脉再狭窄。

3总结与展望
高分子材料结构复杂和多样,可以在分子结构(包括支链结构)、聚集态结构、共混、复合、界面和表面甚至外观结构等诸多方面,进行单一或多种结构的综合利用,因此最大程度地满足了其他高技术要求材料技术为他们提供的更多、更好的功能。

纳米思维为高分子材料科学的发展注入了新的活力,涉及到高分子材料科学的各个方面,使其在原有领域里取得了许多新成果,同时开创了新的研究领域,为高分子科学的发展提供了崭新的思路和研究方法。

随着纳米技术研究的深入,在分子、甚至原子水平上实现材料的功能结构设计、复合与加工生产成为可能,材料的功能进一步得到扩展,呈现前所未有的创新。

可以预言,新一代功能高分子材料的春天已经来临,纳米材料必将成为新世纪材料发展的主流,也必将对新世纪的高新技术如电子、生物技术、生命科学的研究产生极为深远的影响。

生物技术、生命科学的研究产生极为深远的影响。