生物亲和性功能化纳米颗粒研究与应用

第２２卷第４期２００２年１２月

化学传感器

ＣＨＥＭＩＣＡＬＳＥＮＳＯＲＳ

Ｖ０１．２２．Ｎｏ．４

Ｄｅｃ．２０Ｏ２

生物亲和性功能化纳米颗粒研究与应用”

何晓晓王柯敏★李。杜黄杉生羊小海李军段菁华（化学生物传感与计量学国家重点实验室，化学化工学院，

生物技术研究院，湖南大学长沙４１００８２）

纳米技术是２０世纪９０年代发展起来的一项高新技术，对当今科学技术的发展产生了重大影响。纳米技术对生物技术、医学工程、临床诊断等生物医学研究领域的影响更是具有划时代的意义，尤其是为时五年的庞大的人类基因组计划已经完成，如何利用纳米技术在后基因组时代定量解析大量的基因数据，寻找及利用与各种生物功能和疾病相关基因的生物信息将比完成人类基因组计划本身更具挑战性。生物亲和性功能化纳米颗粒正是纳米技术、生物技术与材料制备技术三项尖端技术结合的代表，采用物理或化学方法制备的一系列用以在纳米尺度上研究细胞、亚细胞、单分子、原子的行为和相互作用机理的新型纳米材料。由于具有了生物亲和性和生物选择识别性，使生物亲和性功能化纳米颗粒的发展将为生命过程的机制阐明、人类疾病的机理研究、临床医学诊断和治疗提供全新的材料、技术和方法，可望在材料科学、生物化学、医学等领域得到重大应用。

一、生物亲和性功能化纳米颗粒的基本结构

生物亲和性功能化纳米颗粒不仅仅是纳米尺寸（Ｉ～１００ａｍ）概念上的一种纳米材料，它是由功能性的内核、可生物修饰的外壳以及修饰在外壳表面的生物分子构成，具有明显核壳结构的一种新型纳米材料。以该核壳结构模式为依据，结合生物技术与纳米材料制备技术，可制备出具有多种不同功能的生物亲和性功能化纳米颗粒。

二、生物亲和性功能化纳米颗粒的研究内容

１、纳米颗粒制备方法的研究

选择合适的方法制备纳米颗粒是很重要的，具不同功能的核材料和壳材料对制备方法都会有不同的要求，另外颗粒的均匀度和颗粒粒度分布也会受到所采用的制备方法的影

＊通信联系人

＊＋国家自然科学基金重点项目（Ｎｏ．２０１３５０１０）、国家杰出青年基金（Ｎｏ．２９８２５１１０）、教育部重大项目基金（Ｎｏ．２０００—１５６）、教育部骨干教师基金（Ｎｏ．２０００—６５）、海外青年学者合作研

究基金（Ｎｏ．２００２８５０６）及湖南省自然科学基金（００ＧＫＹｌ０１１，０１ＪＪＹ２０１２）资助。

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响。在制备过程中，一方面要保证制备的颗粒的大小在１～１００ｎｍ之间，并且获得较窄的粒度分布，另一方面又要保证制备多种具不同特性的颗粒，并能在其表面包被可修饰的材料，成为生物亲和性功能化纳米颗粒，因此在制备过程中既要兼顾核材料与壳材料的选择并且考虑相容性，同时又要控制它们在形成颗粒过程中的成核和生长。在这方面主要研究各种各样的纳米颗粒的合成方法，研究不同的方法制备包括不同大小、不同核材料和具不同表面特性的纳米颗粒；研究核壳纳米颗粒制造技术的放大与最优化。

通常把制备纳米颗粒的方法按气相法、液相法和高能球磨法来分类，其中属于液相法的微乳液方法在纳米颗粒的制备中发挥了重要的作用。微乳液（Ｍｉｃｒｏｅｍｕｌｓｉｏｎ）是由油一水一表面活性剂一助表面活性剂组成的，具有热力学稳定性和各向同性，分散相质点的尺寸通常在１０。１００Ｂｉｌｌ之间，也称纳米微乳液。乳液内的水核实质上是一微型反应器，可以通过选择合适的微乳体系来控制水核的大小，且保证表面活性剂界面层有一定强度，从而控制微型反应器的尺寸，达到控制纳米微粒粒径大小和分布的目的。利用该方法成核制备的纳米颗粒，大小均匀且分散性好，并且对生物分子的活性影响很小。笔者采用该方法制备了十余种以荧光染料、磁性材料、药物、基因等为核的纳米颗粒。

２、纳米颗粒核材料的研究

采用不同的材料作为核壳纳米颗粒的核部分，制备出来的颗粒将具有不同功能，从而实现核壳纳米颗粒在多个领域的应用。如以荧光染料为核材料制备的核壳荧光纳米颗粒，可用于生物分子的荧光标记、细胞的活性染色等；以磁性物质作为核材料的核壳磁性纳米颗粒，可用于生物分子或细胞的分离；以ＣｄＳ或ＣｄＳｅ为核的量子点纳米颗粒，随颗粒大小的不同，在同一激发波长下呈现不同的发射光谱，用于制备多维响应信号的传感器；以药物为核材料制备的药物纳米颗粒，可实现药物的定向输送；以基因为核材料的纳米颗粒，可实现基因的高效率转导等。

３、纳米颗粒壳材料的研究

有许多材料可以作为纳米颗粒的外壳。一方面可利用以元机物（如氧化硅、氧化铝、硫化物及一些金属材料如金银等）为主的外壳材料，因为这些外壳材料具有化学活泼性，很容易实现生物化学修饰；另一方面要特别发展生物活性高分子材料（如蛋白质、多糖等）和生物可降的高分子材料（如聚乳酸、聚乙二醇等）作为核壳纳米颗粒的外壳材料，因为可通过生物的降解作用释放功能性的核材料，这在基因治疗和药物传送等领域具有非常重要的作用。如利用生物高分子与金属氧化物相互间化学键的作用，实现核壳材料的结合，制备以生物活性高分子为外壳的纳米颗粒。笔者利用四氧化三铁与多糖的氢键结合，制备了以多糖为外壳的磁性纳米颗粒，利用正硅酸乙酯水解的方法制备了一系列以二氧化硅为外壳的生物亲和性功能化纳米颗粒。

４、纳米颗粒的表面生物修饰方法研究

如何在极小的纳米颗粒表面修饰生物分子，同时又要不影响生物分子的活性，是纳米颗粒在生物医学中得以应用的重要环节。通常用于制备纳米颗粒的核材料大都不能直接与生物分子相互连接，或者这种连接可能影响功能材料的特性与生物分子的活性。为了使纳米颗粒表面功能化并实现其预期的应用，必须对纳米颗粒的表面进行修饰，将生物分子固定在纳米颗粒的表面。这种技术的实现主要包括生物分子在壳表面的物理吸附（如静电作用等）

４期何晓晓等：生物亲和性功能化纳米颗粒研究与应用３

和化学修饰。其中化学修饰主要是通过壳材料已有的功能基团或是经过活化后修饰上去的基团（如羟基、羧基、氨基等）与生物分子的功能基团间的化学键合，实现生物分子的修饰。此方法具有通用性，如笔者采用硅烷化试剂对以二氧化硅为外壳的纳米颗粒进行活性基团修饰，实现了抗体、ＤＮＡ、酶等的键合，并且键合的生物分子仍具有良好的生物活性。

５、纳米颗粒的物理化学特性研究

由于纳米颗粒非常小，它既不同于整体材料也不同于原子状态的物理性能，必须考虑量子尺寸效应、表面效应及可能的混沌效应，因此深入研究不同核材料及外壳的纳米颗粒的特性对推广纳米颗粒的应用是非常重要的。在这方面笔者重点对纳米颗粒的物理、化学、生物特性、及其与颗粒尺寸和生物体系的关系等进行研究。

三、生物亲和性功能化纳米颗粒的特性

由于生物亲和性功能化纳米颗粒具有明显的核壳结构特点，使其物理化学特性将比一些普通纳米材料更优越，主要表现在ｔ

１、降低了纳米颗粒对生物机体的毒性。提高了纳米颗粒的生物亲和性

纳米技术直接导致的纳米材料具有卓越的光、电、热、磁、吸附等特殊功能，在环保、新材料、民用工业、催化等领域发挥了重要的应用价值。但是已有的许多纳米材料尚不能应用于生物医学领域，其主要原因之一就是这些纳米材料缺乏生物亲和性，它的应用可能给生物机体带来一定的毒性。而核壳生物纳米颗粒具有生物亲和性的外壳，隔绝了功能化核材料与目标对象的直接作用，同时并不影响功能性核材料的物理化学性质；并且在外壳表面修饰的生物分子可降低对生物机体的毒性，可实现纳米颗粒在生物医学领域中的广泛应用。如一些常用的荧光染色剂对细胞都有一定的毒害作用，因此，很难实现细胞的活性染色，而将荧光染料包在纳米颗粒内部制备的核壳生物荧光纳米颗粒，隔绝了荧光染料与细胞的直接作用，可用于细胞的活性染色以及活细胞内分子运动的跟踪研究。

２、纳米颗粒的稳定性得到显著提高

由于生物机体生存环境的复杂性，从而对用于生物医学研究的技术手段也提出了很高的要求。体内各种酶以及防御系统都有可能影响纳米颗粒作用的发挥。通过采用外壳材料的包被避免了外界环境因素对功能化核材料的影响（如光漂白、氧化、生物降解等），使纳米颗粒的各种物理化学性质的稳定性得到显著提高，有利于发挥其应有的功能。

３、检测灵敏度增强

纳米颗粒的尺寸效应导致的比表面积增大，可以在核壳纳米颗粒表面修饰更多的生物分子，以及核壳纳米颗粒结构可实现对功能性材料包埋所带来的放大效应，使核壳纳米颗粒用于生物医学检测时，灵敏度明显提高。

四、生物亲和性纳米颗粒在生物医学中的应用

生物亲和性功能化纳米颗粒的尺寸一般在１～１００ｎｍ左右，比生物体内的细胞小得