nm)具有高光热转换效率的高分子材料鲜有报道,该研究提供了便捷制备共轭聚合物的途径

光热材料能够利用阳光并将其转化为热能,从能源开发和环境保护的角度来看,开发光热材料显得格外有吸引力,其中碳基纳米材料和共轭聚合物都是前景广阔的光热材料。同时,越来越多的证据表明,一些光热材料辅以光热疗法可能会从脱落的肿瘤细胞残留物中生成肿瘤结合剂,从而产生抗肿瘤的免疫效应,有力增强了光热疗法的癌症治疗效率。然而,光热材料的便捷合成仍然是一项挑战,目前用于合成共轭聚合物的单体种类相当有限,特别是具有良好光热性能的共轭聚合物非常少。

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针对这一挑战,在“大科学装置前沿研究”重点专项项目“环境诱发情绪异常神经机制的多尺度成像方法和研究”等的支持下,中国科学技术大学王育才研究组和梁高林研究组报道了一种便捷合成共轭聚合物的新方法,并将该共轭聚合物用于肿瘤的光热治疗,获得了优异的肿瘤光热治疗效果。研究人员通过修改相应的缩合反应,重新设计反应原料,在相对温和的反应条件下非常便捷且高产率地合成了具有良好光热转换能力的共轭聚合物PPBBT及其衍生物。在模拟太阳光源的氙灯或近红外激光照射下,PPBBT具有与单壁碳纳米管可比的升温速率和光热转换效率。此外,研究人员基于纳米沉淀技术,利用PPBBT制备了水溶性的NPPPBBT纳米粒子,实验证明该纳米粒子可被动靶向富集在肿瘤部位,在激光照射下具有优异的肿瘤光热治疗效果。该研究提供了便捷制备共轭聚合物的途径,在生物医学或光电领域有着极大的应用前景。相关研究成果近期发表在《自然·通讯》(Nature
Communications)上。

光热疗法是一种新型微创或无创治疗肿瘤的方法,其主要利用吸光材料在近红外光照射下产生的局部热量来杀死肿瘤细胞。开发具有高光热转换效率的光热材料一直是光热疗法研究的重点。当前研究普遍集中在发展能在近红外生物窗口Ⅰ具有响应的光热转换材料。与近红外生物窗口Ⅰ相比,近红外生物窗口Ⅱ具有更大皮肤可承受光暴露能量上限以及更优的光学穿透深度,然而在近红外生物窗口Ⅱ(1000-1350
nm)具有高光热转换效率的高分子材料鲜有报道,开发能够在近红外生物窗口Ⅱ具有优异光热转换效率并具有良好生物相容性的材料仍然是一个挑战。

近日,中国农业科学院特产研究所彭英华研究员团队利用生物仿生、生物矿化技术设计合成了一种新颖的纳米材料,该材料集核磁、CT成像和光热治疗等功能于一身,可实现诊疗一体化。相关研究成果在线发表在《化学工程》杂志上。

作为一种新型的导电聚合物,聚吡咯(PPy)具有环境稳定性好、电导率高、变化范围大、易于合成,生物相容性好等诸多优点。近年来,科研工作者开拓了一系列新型合成方法以制备具有不同纳/微米结构的PPy。模板法是目前合成PPy纳米线(管)最常用的方法之一

恶性肿瘤严重威胁人类以及动物健康和生命安全,精确诊断和有效治疗是肿瘤治疗的两个重要环节。目前,临床上治疗肿瘤的方法主要包括手术切除、化疗及放射性疗法,均存在不足。而光热疗法是一种新兴的肿瘤治疗方法,治疗时间短、效率高且毒副作用小。此外,在肿瘤治疗前期和治疗过程中,通过核磁和CT等影像技术分析肿瘤位置及大小对肿瘤治疗来说至关重要。

迄今为止,对聚吡咯的光热研究仅仅停留在近红外生物窗口Ⅰ,如何通过调控其物理结构与电子结构应用于近红外生物窗口II的研究尚未见诸于报道。最近,来自中国科技大学高分子系徐航勋教授以及生命科学院王育才教授的研究团队在Nano
Letters上报道了一种超薄二维聚吡咯纳米片空间限域合成新方法并展示其在近红外生物窗口Ⅱ能够实现高效光热肿瘤治疗。他们首先以具有层状结构的氯氧化铁为模板,在插入吡咯单体进行原位氧化聚合后得到具有超薄片层形貌的二维聚吡咯纳米片。由于层状氯氧化铁的空间模板限域效应,所制备的PPy纳米片普遍具有小于3
nm的厚度,最薄的仅有1 nm 。

据报道,目前,临床上治疗肿瘤的方法主要包括手术切除、化疗及放射性疗法,均存在不足。而光热疗法是一种新兴的肿瘤治疗方法,治疗时间短、效率高且毒副作用小。

图1. 超薄层状PPy纳米片的制备示意图及其TEM/AFM图片

该研究将有望优先用于宠物实体瘤的治疗,其设计合成方法已申请相关发明专利。

由于所得到的PPy纳米片具有超薄的二维片状结构,有利于酸解氯氧化铁模板过程中吸附大量掺杂离子,能够实现高度掺杂,进而使PPy纳米片的电子结构中形成双极化子能带。这个独特的性质使得PPy纳米片在近红外生物窗口Ⅱ展现出与普通PPy纳米球截然不同的光学吸收特性(图2)。测量结果显示其在1064
nm处的消光系数达到27.8 L g-1
cm-1,在1064nm激光照射下的光热转换效率达到64.6%,大大超过了之前所报道过的其他无机/有机光热材料,这也是二维聚合物纳米片用于近红外生物窗口Ⅱ光热治疗的首次报道。

2018年最新肿瘤登记年报显示,2015年中国恶性肿瘤发病人数近400万,发病率为285.8/10万;死亡人数逾230万,死亡率为170.1/10万。

图2. 超薄层状PPy纳米片的光学吸收特性

据悉,该研究设计合成的生物仿生、生物矿化的纳米材料,可用于MRI和CT成像介导的肿瘤光热治疗,实现诊疗一体化。通过靶向分子的修饰,此材料在小鼠体内体外实验均显示良好的生物相容性及肿瘤靶向性,在肿瘤部位具有良好的核磁和CT成像效果。该研究将有望优先用于宠物实体瘤的治疗,其设计合成方法已申请相关发明专利。

他们设计一系列体外和体内实验来进一步验证超薄PPy纳米片的高效光热肿瘤消除能力。PPy纳米片有良好的生物相容性,在1064nm的激光照射能够快速有效的杀死肿瘤细胞。体内的肿瘤治疗实验结果显示通过静脉注射PPy纳米片的肿瘤经过光热疗后几乎被完全消除,而且1064
nm相对于808 nm具有更好的治疗效果
(图3)。以上结果充分体现了超薄二维聚合物纳米片在近红外生物窗口Ⅱ光热肿瘤治疗的巨大潜力。

纳米材料和纳米技术是八十年代以来兴起的一个崭新的领域,随着研究的深入和技术的发展,纳米材料开始与许多学科相互交叉、渗透,显示出巨大的潜在应用价值,并且已经在一些领域获得了初步的应用。本文论述了纳米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米高分子材料、微乳液以及纳米复合材料等在生物医学领域中的研究进展和应用。

图3. PPy纳米片应用于体内动物实验的治疗结果

关键字:纳米材料;生物医学;进展;应用

超薄二维高分子材料具有独特的光物理与光化学特性,是一类具有潜力的生物材料,这项工作在发展二维聚合物材料用于光热治疗领域取得重要的进展,同时也为今后设计和合成更多的聚合物纳米结构应用于生物领域提供了新的思路。

1.前言

纳米材料是结构单元尺寸小于100nm的晶体或非晶体。所有的纳米材料都具有三个共同的结构特点:(1)纳米尺度的结构单元或特征维度尺寸在纳米数量级(1——100nm),(2)有大量的界面或自由表面,(3)各纳米单元之间存在着或强或弱的相互作用。由于这种结构上的特殊性,使纳米材料具有一些独特的效应,包括小尺寸效应和表面或界面效应等,因而在性能上与具有相同组成的传统概念上的微米材料有非常显著的差异,表现出许多优异的性能和全新的功能,已在许多领域展示出广阔的应用前景,引起了世界各国科技界和产业界的广泛关注。

“纳米材料”的概念是80年代初形成的。1984年Gleiter首次用惰性气体蒸发原位加热法制备成功具有清洁表面的纳米块材料并对其各种物性进行了系统研究。1987年美国和西德同时报道,成功制备了具有清洁界面的陶瓷二氧化钛。从那时以来,用各种方法所制备的人工纳米材料已多达数百种。人们正广泛地探索新型纳米材料,系统研究纳米材料的性能、微观结构、谱学特征及应用前景,取得了大量具有理论意义和重要应用价值的结果。纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理领域中的热点,是当前国际上的前沿研究课题之一[1]。

2.纳米陶瓷材料

纳米陶瓷是八十年代中期发展起来的先进材料,是由纳米级水平显微结构组成的新型陶瓷材料,它的晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等都只限于100nm量级的水平[2]。纳米微粒所具有的小尺寸效应、表面与界面效应使纳米陶瓷呈现出与传统陶瓷显著不同的独特性能。纳米陶瓷已成为当前材料科学、凝聚态物理研究的前沿热点领域,是纳米科学技术的重要组成部分[3]。陶瓷是一种多晶材料,它是由晶粒和晶界所组成的烧结体。由于工艺上的原因,很难避免材料中存在气孔和微小裂纹。决定陶瓷性能的主要因素是组成和显微结构,即晶粒、晶界、气孔或裂纹的组合性状,其中最主要的是晶粒尺寸问题,晶粒尺寸的减小将对材料的力学性能产生很大影响,使材料的强度、韧性和超塑性大大提高。

常规陶瓷由于气孔、缺陷的影响,存在着低温脆性的缺点,它的弹性模量远高于人骨,力学相容性欠佳,容易发生断裂破坏,强度和韧性都还不能满足临床上的高要求,使它的应用受到一定的限制。例如普通陶瓷只有在1000℃以上,应变速率小于10-4/s时,才会发生塑性变形。而纳米陶瓷由于晶粒很小,使材料中的内在气孔或缺陷尺寸大大减少,材料不易造成穿晶断裂,有利于提高材料的断裂韧性;而晶粒的细化又同时使晶界数量大大增加,有助于晶粒间的滑移,使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。许多纳米陶瓷在室温下或较低温度下就可以发生塑性变形。例如:纳米TiO2(8nm)陶瓷和CaF2陶瓷在180℃下,在外力作用下呈正弦形塑性弯曲。即使是带裂纹的TiO2纳米陶瓷也能经受一定程度的弯曲而裂纹不扩散。但在同样条件下,粗晶材料则呈现脆性断裂。纳米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。

传统的氧化物陶瓷是一类重要的生物医学材料,在临床上已有多方面应用,主要用于制造人工骨、人工足关节、肘关节、肩关节、骨螺钉、人工齿,以及牙种植体、耳听骨修复体等等。此外还用作负重的骨杆、锥体人工骨、修补移植海绵骨的充填材料、不受负重影响的人工海绵骨及兼有移植骨作用的髓内固定材料等。纳米陶瓷的问世,将使陶瓷材料在强度、硬度、韧性和超塑性上都得到提高,因此,在人工器官制造、临床应用等方面纳米陶瓷材料将比传统陶瓷有更广泛的应用并具有极大的发展前景[1]。

目前,对于具有良好力学性能和生物相容性、生物活性的种植体的需求越来越大,由于生物陶瓷材料存在强韧性的局限性,大规模临床应用还面临挑战。随着纳米技术和纳米材料研究的深入,纳米生物陶瓷材料的优势将逐步显现,其强度、韧性、硬度以及生物相容性都有显著提高,随着生物医用材料研究的不断完善,纳米生物陶瓷材料终将为人类再塑健康人体[4]。

经过近几年的发展,纳米生物陶瓷材料研究已取得了可喜的成绩,但从整体来分析,此领域尚处于起步阶段,许多基础理论和实践应用还有待于进一步研究。如纳米生物陶瓷材料制备技术的研究–如何降低成本使其成为一种平民化的医用材料;新型纳米生物陶瓷材料的开发和利用;如何尽快使功能性纳米生物陶瓷材料从展望变为现实,从实验室走向临床;大力推进分子纳米技术的发展,早日实现在分子水平上构建器械和装置,用于维护人体健康等,这些工作还有待于材料工作者和医学工作者的竭诚合作和共同努力才能够实现[5]。

3.纳米碳材料

纳米碳材料由碳元素组成的碳纳米材料统称为纳米碳材料。在纳米碳材料群中主要包括纳米碳管、气相生长碳纤维、类金刚石碳等;纳米碳管、纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂,以低碳烃化合物为碳源,以氢气为载气,在873——1473K的温度下生成的,其中的超微型气相生长碳纤

维又称为碳晶须,具有超常的物化特性,被认为是超强纤维。由它作为增强剂所制成的碳纤维增强复合材料,可以显著改善材料的力学、热学及光、电等性能,在催化剂载体、储能材料、电极材料、高效吸附剂、分离剂、结构增强材料等许多领域有着广阔的应用前景[6]。

纳米碳纤维除了具有微米级碳纤维的低密度、高比模量、比强度、高导电性之外,还具有缺陷数量极少、比表面积大、结构致密等特点,这些超常特性和良好的生物相容性,使它在医学领域中有广泛的应用前景,包括使人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱在强度、硬度、韧性等多方面的性能显著提高;此外,利用纳米碳材料的高效吸附特性,还可以将它用于血液的净化系统,清除某些特定的病毒或成份。

纳米碳材料是目前碳领域中崭新的高功能、高性能材料,也是一个新的研究生长点。对它的应用开发正处于起步阶段,在生物医学领域中,纳米碳材料有重要的应用潜能。

4.纳米高分子材料

纳米高分子材料也可以称为高分子纳米微粒或高分子超微粒,主要通过微乳液聚合的方法得到。这种超微粒子具有巨大的比表面积,出现了一些普通微米级材料所不具有的新性质和新功能,已引起了广泛的注意。

聚合物微粒尺寸减小到纳米量级后,高分子的特性发生了很大的变化,主要表现在表面效应和体积效应两方面。表面效应是指超细微粒的表面原子数与总原子数之比随着粒径变小而急剧增大,表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同,因缺少相邻原子而呈现不饱和状态,具有很大的活性,它的表面能大大增加,易与其它原子相结合而稳定下来。体积效应是由于超微粒包含的原子数减少而使带电能级间歇加大,物质的一些物理性质因为能级间歇的不连续而发生异常。这两种效应具体反映在纳米高分子材料上,表现为比表面积激增,粒子上的官能团密度和选择性吸附能力变大,达到吸附平衡的时间大大缩短,粒子的胶体稳定性显著提高。这些特性为它们在生物医学领域中的应用创造了有利条件。目前,纳米高分子材料的应用已涉及免疫分析、药物控制释放载体、及介入性

诊疗等许多方面[7]。

纳米级骨修复材料具有传统材料无可比拟的生物学性能,已在组织工程和生物材料研究中显示出广阔的应用前景,将不同生物材料复合加工,研制出类似人骨的材料,将是今后骨修复材料的研究重点。当前用于骨科临床的纳米产品不多,其性能、微观结构和生物学效应尚有待系统研究。我们相信随着纳米技术、组织工程技术和生物技术的发展与综合,必将研制出新一代性能优异的纳米骨材料,为治愈骨缺损和骨折提供最佳的选择[8]。

5.纳米复合材料

纳米复合材料包括三种形式,即由两种以上纳米尺寸的粒子进行复合或两种

以上厚薄的薄膜交替叠迭或纳米粒子和薄膜复合的复合材料。前者由于纳米尺寸的粒子具有很大的表面能,同时粒子之间的界面区已经大到超常的程度,所以使一些通常不易固溶、混溶的组份有可能在纳米尺度上复合,从而形成新型的复合材料,研究和开发无机/无机、有机/无机、有机/有机以及生物活性/非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的崭新途径。

目前应用较广的医用材料多由一些有机高分子制成,受高分子的固有性质所限,材料的机械性能不够理想。碳纳米管具有比重低、长径比高、并且可以重复弯曲、扭折而不破坏结构,因此是制备强度高、重量轻、性能好的复合材料的最佳承荷增强材料。很多研究表明,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、韧性和耐久性等性质。已经涉及的高分子材料包括聚氨酯、环氧树脂、聚苯乙烯等。对聚氨酯/多壁碳纳米管复合膜[9]和聚苯乙烯/多壁碳纳米管复合膜[10]的机械拉伸实验均显示,当碳纳米管与基体间存在良好的界面结合时,聚合物中的碳纳米管可以增强聚合物抗张强度。研究还发现,对碳纳米管进行石墨化温度处理和进行功能化有助于增强碳纳米管与聚合物基体间的相互作用[10],对于碳纳米管相关的复合膜和复合纤维的机械性能都有改善作用。Webster等[9]发现,MWNT和聚氨酯形成的复合材料较之传统的医用聚氨酯具有更好的电导性和机械强度,适合制造应用于临床的在体设备,如可能作为检查神经组织功能恢复情况的探针和骨科应用的假体等。

6.微乳液

微乳液是由油、水、表面活性剂和表面活性剂助剂构成的透明液体,是一类各向同性、粒径为纳米级的、热力学、动力学稳定的胶体分散体系。微乳液是热力学稳定体系,可以自发形成。微乳液小球的粒径小于100nm,微乳液呈透明或微蓝色。微乳液结构的特殊性使它具有重要的应用前景。近年来,随着乳液聚合理论和技术研究的不断深入,新型材料制备及分离技术的不断发展,人们对微乳液的应用研究十分关注,不断开发它在各领域中的应用,其中一些研究成果已转入实用化。

7.总结

纳米材料是80年代中期发展起来的新型材料,它所具有的独特结构使它显示出独特而优异的性能。尽管已对纳米材料的制备、结构与性能进行了大量的研究,但在基础理论及应用开发等方面还有大量的工作尚待进行[11]。

8.展望

纳米材料所展示出的优异性能预示着它在生物医学工程领域,尤其在组织工程支架、人工器官材料、介入性诊疗器械、控制释放药物载体、血液净化、生物大分子分离等众多方面具有广泛的和诱人的应用前景。随着纳米技术在医学领域中的应用,临床医疗将变得节奏更快、效率更高,诊断、检查更准确,治疗更有效

文章来源: 经济日报,军武解码,前瞻网

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