神经系统的纳米材料论文

摘要纳米科学是上个世纪80年代末发展起来的新兴学科，是21世纪最有前途的新科学技术之一。随着纳米材料应用的日益广泛，其所带来的健康风险也越来越大，对其生物安全性的研究也刻不容缓。今天小编为大家精心挑选了关于《神经系统的纳米材料论文 (精选3篇)》的相关内容，希望能给你带来帮助!

神经系统的纳米材料论文 篇1：

这个纳米探针不简单 可用近红外光监测大脑深层活动

为了监测神经活动进而理解神经系统的功能机制，科学家们研发了不少高大上的“武器”。

近日，《美国化学会志》期刊报道了一项新研究成果。研究人员开发了一种可用近红外光激发的电压荧光纳米探针，并用它成功监测了斑马鱼和小鼠脑中神经元膜电位的动态变化。活体监测时，这种新“武器”表现不俗。

设计电压敏感探针一直是个技术难关

群体神经元活动的在体监测是揭示神经系统功能机制的关键。目前，神经元钙离子荧光成像是主要手段之一。然而，相比于神经脉冲信号，钙离子荧光信号的动力学相对较慢，且很难推断出与之对应的神经脉冲的频率和数量。因此，神经科学界迫切期望能开发出对细胞膜电位变化敏感、有高信噪比的纳米粒子或分子探针，从而实现高时空分辨率、大范围神经元集群电活动的活体监测。

现有的荧光电压探针多用紫外光或可见光激发，由于这两种光在活组织中易于吸收和散射，因此它们只能应用于大脑浅层。相比于可见光或紫外光，红外光(750纳米～l000纳米)在生物组织中穿透能力更强，穿透深度可达厘米量级，能够应用于大脑深层，被称为“生物组织的光学窗口”。“因此，如何研发高灵敏、可用近红外光激发的电压敏感探针已成为目前国际神经科学领域迫切希望攻克的技术难关之一。”中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心/神经科学研究所研究员杜久林对科技日报记者说。

稀土元素掺杂的上转换荧光纳米颗粒(UCNPs)是一类近红外光激发，紫外、可见光多重发射的反斯托克斯发光纳米材料。所谓反斯托克斯，即指物质的发射光波长短于激发光波长的反常现象。由于上转换荧光纳米颗粒具有低背景荧光、多重发射的特性，已在生物成像与活体诊疗的应用中获得广泛关注。

在这项研究中，研究人员设计和制备了一种基于上转换荧光纳米颗粒的电压敏感探针。研究人员首先将上转换荧光纳米颗粒固定在细胞膜上，然后将六硝基二苯胺(DPA)嵌入细胞膜磷脂双分子层。在细胞静息状态下，带负电荷的六硝基二苯胺在细胞膜外侧富集，上转换荧光纳米颗粒与六硝基二苯胺之间距离在10纳米以内，形成发光共振能量转移效应(FRET)，上转换荧光纳米颗粒发光被六硝基二苯胺吸收，检测到的光信号较弱。当细胞去极化后，六硝基二苯胺在电场作用下于细胞膜内侧富集，上转换荧光纳米颗粒与六硝基二苯胺之间距离超过10纳米，发光共振能量转移效应消失，从而恢复了上转换荧光纳米颗粒的发光。

探究活体组织中神经元活动有了新思路

为验证新研发的电压纳米探针在神经元电活动检测中的优势，研究人员应用该纳米探针分别监测了斑马鱼前脑神经元的嗅觉反应和小鼠新皮层神经元膜电位振荡随麻醉深度的变化。

神经元的电活动动态性强，以往开发的基于荧光蛋白的电压探针信噪相对较低，大都需要多次叠加才能得到清晰的感觉反应。同时，此类探针易被荧光淬灭，因此可记录时间窗口较短，限制了其实用性。

“我们运用新开发的电压纳米探针，研究了斑马鱼前脑神经元对食物刺激的反应。在近红外光激发下，单次施加食物刺激即可显著增强神经元的荧光信号，并可在连续数次刺激下稳定记录。更重要的是，得益于上转换荧光纳米颗粒较低的淬灭程度，活体记录时间可长达30分钟，为数据收集提供了充足的时间窗口。”杜久林向记者介绍。

哺乳动物神经元膜电位的阈下振荡，反映了动物个体的脑状态及其变化。在深度睡眠和麻醉状态下，脑状态主要是慢波;在动物趋于清醒时，慢波减弱甚至消失，代之以高频电活动。传统的钙离子成像反映的神经活动难以体现这种阈下膜电位振荡，研究人员在小鼠初级体感皮层中注入电压纳米探针，并考察了戊巴比妥麻醉不同深度下的神经元阈下膜电位活动。在深度麻醉状态下，纳米探针发光存在低频振荡现象，提示此状态下阈下膜电位以慢波为主。通过机械刺激小鼠尾巴提高其清醒水平后，纳米探针发光的低频振荡减弱，高频电活动相对增强，在10分钟后恢复至原有水平。此现象说明纳米探针的发光强度可真实反映脑电活动的相应变化。

对此，杜久林表示，这项研究为設计可用近红外光激发的电压敏感探针提供了全新思路，为探究深层活体组织中群体神经元活动开辟了实时动态监测的新方法。

神经系统的纳米材料论文 篇2：

纳米材料体外细胞毒性研究现状与展望

摘要 纳米科学是上个世纪80年代末发展起来的新兴学科，是21世纪最有前途的新科学技术之一。随着纳米材料应用的日益广泛，其所带来的健康风险也越来越大，对其生物安全性的研究也刻不容缓。文章就纳米材料的毒性影响因素，对细胞造成的毒性效应机制及其体外细胞毒性的评价方法进行详细阐述，并综述了近几年来关于纳米材料毒性研究的最新进展及对纳米技术安全性评估进行了系统的讨论。

关键词 纳米材料;细胞毒性;影响因素;评价方法

从“纳米牙膏”到“纳米防晒霜”，全球目前已有300多种运用纳米技术上市的产品。纳米技术开始走进人们的生活圈，它们在环境和人群中的暴露率大大增加。目前对纳米材料可能的、潜在的安全性问题报道甚少。因此，对纳米颗粒生态安全性的评估也刻不容缓。虽然纳米材料的应用在一般情况下都不会造成严重的直接暴露，但纳米材料一旦进入机体就会在体内蓄积，最终导致严重的生物毒性。大量研究表明：正常无害的大分子物质一旦做成纳米级可能会具有潜在毒性。与此同时，工程化纳米材料在医学诊断和治疗上的有效利用，造成机体对纳米颗粒的细胞摄取，循环系统和神经系统的转运与分布的特殊动力学行为，也成为了纳米材料致生物毒性的主要原因[1]。综上所述，只有全面了解纳米材料的毒性行为，才能更好地应用纳米材料并发展纳米技术。

1 纳米材料的毒性影响因素

纳米材料的毒性取决于多种因素，除了与材料的纯度，尺寸大小，化学结构，团聚状态，剂量大小及所带电荷相关外，还与曝露时间，曝露途径以及纳米材料的表面修饰、表面活性密切相关[2]。不同纳米材料的毒性效应存在差异，一般情况下，纳米颗粒粒径越小，其潜在毒性越大[3]。而这种差异与颗粒本身的其他特殊性质如表面特征，聚合状态以及化学组成等有密切关系[4]。

在体外毒性实验中，纳米颗粒会被分散于细胞培养基中，此时，颗粒处于水溶液环境，包括粒径等其他特征会发生相应变化，而这些变化很可能会影响到颗粒与生物体的作用方式及强度大小。动物实验发现：经体外灌注产生的纳米毒性效应与颗粒的粒径和表面积息息相关，即随着纳米颗粒减小，其表面积会增大，随后会产生更强的炎性反应[1]。与此同时，剂量大小也是影响纳米颗粒细胞毒性的重要关键因素。在0～15 ppm的研究范围内，纳米SiO2对鼠胚胎成纤维细胞和人体皮瘤细胞无明显毒性作用，但当纳米SiO2颗粒剂量高于138 μg/mL时，会导致细胞膜的严重损伤[5]。多数纳米金属及其金属氧化物颗粒在水溶液中易发生团聚效应，团聚后的颗粒其粒径大小决定了颗粒是通过细胞内吞作用，ROS诱导的吞噬作用还是其他机制进入细胞内部[6]。暴露途径决定了生物屏障和纳米材料间的作用关系。就目前的研究来看，肺部是纳米颗粒主要的摄入器官，呼吸途径毒性是明确的，纳米材料可引起机体呼吸系统的炎性反应，但口服、皮肤接触，正常机体非疾病状态时，纳米材料其实无法突破生物屏障。据报道，细胞膜表面带负电荷，因此细胞易与表面带正电荷的颗粒、离子以及小分子物质发生相互作用，从而进入细胞内部[7]，在细胞内蓄积并产生严重的生物毒性。Richards，D等研究表明，无机材料包覆的纳米颗粒的表面电荷及表面疏水性是细胞毒性的可控因素，表面带正电荷的纳米材料相对其他带负电荷或中性的纳米材料而言具有更强的毒性效应，且纳米颗粒的细胞毒性效应也会随着表面疏水性的增强而增强[8]。目前，对于多数纳米材料的毒性评价都只停留在简单的表面毒性方面，对于其毒性机制的研究尚不深入，急需广泛关注。

2 纳米颗粒细胞毒性发生机制

研究细胞毒性效应产生主要包括以下3个方面：线粒体活性的抑制，细胞膜完整性、通透性的改变，其次是氧化应激诱导细胞凋亡或坏死。具有不同理化性质的纳米材料可通过不同的毒性机制产生不同的炎性反应及毒性反应。Lai等将纳米颗粒与细胞相互作用后诱导产生细胞毒性及其他反应机制归纳为如下几点[9]：1)与细胞膜发生相互作用，引起离子转运及信号转导的不稳定性甚至导致细胞死亡;2)与线粒体发生相互作用，改变新城代谢途径或者干预抗氧化防护体系和ROS的产生;3)与DNA发生作用，破坏DNA片段结构，抑制细胞周期的分裂和蛋白质的合成;4)与细胞骨架发生相互作用，阻碍囊泡的运转，产生机械性损伤并导致细胞死亡;5)與磷脂、蛋白质或者其他生物大分子作用，造成不同程度的细胞损伤。

线粒体是对各种细胞损伤最为敏感的细胞器之一，在细胞损伤时最常见的病理改变主要包括线粒体大小，数量以及结构的改变，凋亡或受损的线粒体最终可由细胞的自噬过程加以处理并被溶酶体降解消化。Chou cc[21]等指出，小鼠经灌注SWCNT后，肺组织病理切片中发现肺巨噬细胞可经内吞作用摄入SWCNT，并随着时间和剂量的增加肺巨噬细胞内沉积的SWCNT颗粒越多，甚至能产生肉芽肿病变。上述研究充分证明了碳纳米管确实可以与细胞膜表面发生相互作用，并在细胞内沉积，继而产生细胞毒性。但是，目前关于CNT进入细胞的途径研究尚处于探索阶段，需要进一步深入证实。

纳米颗粒诱导氧化应激的机制主要是当金属型纳米颗粒分散在适当试剂当中会催化ROS的生成，发生Fenton反应，从H2O2氧化得到OOH-和OH-等氧化离子。此外，一些惰性纳米材料虽然不具备自发生成ROS的能力，但是当纳米离子能够靶向聚集在线粒体时，在一些生物条件下能够诱导ROS的生成。低水平的氧化应激会促使机体保护性反应的发生，而高水平的氧化应激则会导致机体的过氧化损伤[10]。细胞组织在受到自由基的氧化胁迫时，构成细胞组织的各种物质如糖类、蛋白质、脂质以及DNA等大分子物质会发生各种氧化反应，导致交联、变性、断裂等氧化损伤以及细胞结构和功能的破坏，产生机体组织和器官的病变，最终导致毒性反应。

Nel等[10]也提出ROS的生成和机体的氧化应激反应是纳米材料诱导多种生物毒性效应的重要机制。纳米SWCNTs，SiO2，ZnO对小鼠胚胎成纤维的毒性研究结果表明，纳米ZnO的细胞毒性高于其他非金属纳米颗粒，可引起细胞内ROS水平的显著上升，谷胱甘肽的大量耗竭，丙二醛以及超氧化物歧化酶含量的明显降低，在此证明氧化应激可能是纳米材料细胞毒性的一个主要途径[4]。An等[11]发现，碳纳米管可结合于DNA上，导致DNA的损伤，造成机体遗传毒性。综上可知，纳米材料会造成细胞内结构损伤，存活率下降，细胞内氧化自由基水平升高以及DNA断链等毒性反应，致使细胞在一定条件下发生凋亡。

3 体外细胞毒性实验研究现状

体外毒性检测主要包括2个方面：纳米颗粒在无细胞体系中的活性和纳米颗粒与细胞的相互作用。纳米颗粒在细胞体系中的活性包括蛋白质的反应，补体激活以及氧化自由基的产生等。检测纳米材料与细胞的作用首先是要区别是什么细胞毒性，而一般药物的毒性作用不是诱导细胞凋亡就是细胞坏死。

3.1 氧化应激检测方法

纳米颗粒致细胞毒性的一个重要途径就是诱导发生氧化应激。氧化应激反应主要的检测方法有：通过DCFH-DA[12]荧光标记法，黄嘌呤氧化酶法、二硫代二硝基苯甲酸法，罗丹明123荧光染色，硫代巴比妥酸法等检测细胞内ROS含量;Amplex Red荧光染色可检测细胞内脂质氢过氧化物;C11-BODIPY荧光染色，GSH试验方法[13]等检测细胞内脂质过氧化;免疫印迹法检测SOD的表达，氯化硝基四氮唑兰(NBT)可检测细胞内SOD的活性，DTNB可检测机体抗氧化系统的损伤。

3.2 细胞凋亡检测方法

细胞凋亡是指机体在一定的生理或病理条件下，遵循一定程序自身结束生命的过程。细胞核浓缩、染色体凝聚、DNA片段化、细胞缩小、分解，凋亡小体的形成等是细胞凋亡的主要形态变化特征，但对周围细胞无明显影响。可用于检测细胞凋亡的试验主要包括如下几种方法：

形态学观察：普通光学显微镜(Ordinary Optical Microscopy)，荧光显微镜(Fluorescence Microscope)和透射电子显微镜(Transmission Electron microscopy，TEM)可对染毒细胞的形态进行分析。凋亡细胞形态依据为：细胞染色质浓集，靠近核膜，产生核边集现象;染色质断裂、核膜裂解，凋亡小体形成等典型的细胞凋亡形态。

DNA损伤所引起的细胞毒性效应检测方法主要有彗星试验，TUNEL法，流式细胞仪法[14]等检测手段，流式细胞术检测凋亡的常用方法包括：1)DNA荧光检测;2)抗荧光抗体染色荧光检测;3)末端标记法检测;4)线粒体膜电位检测。彗星试验是将少量分散的细胞与低熔点琼脂糖液混合后铺在预冷的琼脂板上制成的，经细胞裂解和碱性解旋，并在碱性环境下进行电泳;当DNA存在断裂损伤时，细胞核会形成一个类似彗星的图像，根据彗星的头部和尾部的含量比率，进而确定细胞DNA损伤的程度。TUNEL法的原理是：当细胞凋亡时，染色体DNA会断裂并产生大量的3-OH粘性端，在相关转移酶的作用下，将脱氧核糖核苷酸与过氧化物酶或碱性磷酸酶的反应形成的衍生物标记到DNA的3-OH端，并通过荧光定量分析或酶联显色技术分析细胞凋亡情况。AMES试验及微核检测法可用于纳米材料诱导的基因遗传毒性检测[15]。FITC-Annexin V/PI双荧光标记法[16]，DNA阶梯法(DNA ladder)[17]，Caspase[18]发光实验也可用于检测细胞凋亡。

3.3 细胞坏死检测方法

细胞坏死是在病理条件下产生的被动死亡(凋亡是主动死亡)，如物理性或化学性的损害因子及缺氧与营养不良等均导致细胞坏死。坏死细胞的膜通透性增高，致使细胞肿胀，细胞器变形或肿大，早期核无明显形态学变化，最后细胞破裂，细胞内含物释放到细胞外，导致炎性反应。细胞膜完整性是一个可以用来评价细胞活力的指标，因此细胞坏死检测可包括LDH法[19]，荧光物质检查法，臺盼兰法(Trypan Blue)[20]，中性红(Neutral Red Assay)[21]以及碘化丙啶(PI)[22]染色法等。乳酸脱氢酶(LDH)是细胞内稳定的蛋白酶，主要存在于正常细胞的细胞质中，当细胞受损伤或凋亡时会释放到细胞外;LDH能催化乳酸形成丙酮酸盐，丙酮酸盐和四氮唑盐反映形成紫色的结晶物质甲瓒，可在490～500 nm出测量吸光度值，从而判断细胞坏死程度，此法操作简便、快捷，是常用的纳米材料细胞毒性评价的方法。目前，荧光物质已成为流式细胞仪或微孔板细胞检测中的理想物质，这些荧光物质可以是细胞膜通透的或者是细胞膜非通透的，他们或者直接结合与核酸，或者要求主动的细胞代谢来产生可检测的荧光，从而检测细胞活性。这类方法检测速度快，通量大、成本低，越来越受到科研工作者的青睐。染料排斥法是测定细胞存活率常用方法，其原理是存活得细胞可排斥多种染料而不着色，严重受损细胞因细胞膜通透性发生改变，染料可以通过细胞膜而被着色，台盼蓝(Trypan Blue)以及碘化丙啶(PI)是该法常用的染料。中性红(Neutral Red)是弱的阳离子染色剂，能通过细胞扩散，积累在细胞溶酶体里，如果细胞膜发生改变，中性红的摄入量就会减少及漏出，可通过测量中性红摄入的光子谱来区分死细胞和活细胞，判别细胞毒性。Wilhelmi等采用LDH法来检测纳米颗粒对RAW264.7巨噬细胞产生的细胞毒性[23]，方法简便，结果可靠。

免疫印记法与CDDE(Cell Death Detection ELISA)法，吖啶橙/溴乙非啶(Acridine Orange/ethidium Bromide)[24]试验及FITC-Annexin V/PI[25]双荧光标记也可用于细胞毒性检测，上述方法可用于区别细胞凋亡与细胞坏死。Radziun等[16]采用Annexin V-FITC/PI双荧光标记，流式细胞术(Flow cytometry，FCM)检测细胞凋亡，流式细胞散点示意图左下角为正常细胞百分含量，右下角为早期凋亡细胞百分含量，右上角为晚期凋亡细胞百分含量，以及左上角为坏死细胞百分含量。

3.4 细胞生长抑制检测方法

细胞生长抑制实验的方法包括MTT，XTT，WST-1/WST-8，MTS，TTC，Alamar Blue，[3H]胸腺嘧啶掺入法，Brude掺入法及细胞计数法等多种细胞增殖毒性研究方法。MTT，XTT，WST-1/WST-8，MTS，TTC等属于四氮唑盐类物质，可以被线粒体内的琥珀酸脱氢酶还原成有色甲瓒，然后通过酶标仪记录吸光度OD值，继而检测细胞毒性的大小。MTT比色法是目前纳米材料细胞毒性分析最常用、最经典的方法，MTT在溶液中呈浅黄色，可以被线粒体内的琥珀酸脱氢酶还原生成难溶性的深紫色结晶甲瓒(formazan)，并沉淀在细胞中(死细胞无此功能)，在特定溶剂中完全溶解，通过酶标仪在570 nm波长附近测定光吸收值。由于甲瓒形成量与细胞数成正比，从而可间接反映活细胞数量。CCK-8是一种MTT的衍生化合物，可以被线粒体内的一系列的氧化脱氢酶还原生成橙黄色的甲瓒晶体。细胞增殖速率越快，甲瓒产生的越多，颜色也会越深;因此细胞毒性越大颜色就越浅。对于同种細胞，溶液颜色的深浅与细胞数目呈正比。WST-8、MTS以及XTT产生的甲瓒晶体都是水溶性的，无需用加DMSO进一步溶解，操作更加简便。其次，WST-8产生甲瓒的比XTT和MTS产生的更加稳定，测出的结果重现性更好。另外，MTT、XTT等相比WST-8其线性范围更宽，灵敏度也更高。因此，CCK-8是检测细胞活性最有利的手段之一。AlamarBlue比色法：细胞快速增殖过程中，细胞内环境会由氧化环境转化为还原环境，其呼吸链中的NADPH/NADP，FADH/FAD和NADH/NAD等的比值也会升高;AlamarBlue被细胞摄取后，在细胞质中会被以上代谢中间体还原，而释放到细胞外;被还原AlamarBlue的累积会使培养基由靛青蓝转变成粉红色，并通过酶标仪或分光光度仪来检测培养基中OD值和荧光强度的变化，继而分析细胞增殖的情况。相对MTT、WST、CCK等四唑盐类物质，AlamarBlue毒性最小，价格便宜，且染色后细胞还可以继续培养。

细胞毒性试验的检测手段多种多样，但是一味的选择最快、最贵的方法是不明智、不合理的。一些有关碳纳米管的毒性研究结果分歧也相当大。Worle-Knirsch[22]等指出，用MTT比色法进行细胞活性测定得出碳纳米管对A549细胞有明显的细胞毒效应，而实际上，碳纳米管可能会与MTT复合物反应，继而形成复杂的结合物，导致其不能被DMSO溶解，使测定吸光度下降，最终造成细胞活性下降的假阴性结果。然而，使用WST-1方法对细胞存活力进行测定时，发现碳纳米管并无细胞毒性。Richards[8]等采用MTT、中性红、IL-8及透射显微镜等四种方法对碳纳米管进行细胞毒性检测。有趣的是，四种方法显示出了不同结果。研究者将上述发现归结于以下两点：首先经观察发现纳米材料能吸收MTT染料和中性红染料而产生假阴性与假阳性结果;其次，碳纳米材料具有吸收培养基中存在的营养物质的潜能，这些都将降低细胞生长数并且误导实验结果。因此建议采用2种或2种以上的方法，包括CCK-8，MST，INT，XTT，WST-1，TTC等方法来同时测定纳米材料的细胞毒性或者至少采用一种不会产生不良反应可能性的研究手段来确证细胞毒性效应。例如用显微镜来评估细胞病理形态学，以便能够对实验结果的可靠性进行相互佐证，防止出现类似错误的假象。

3.5 纳米材料细胞毒性的最新检测方法

纳米微粒毒性研究的一大难题就是纳米粒的毒性可能随着其理化性质(形状，大小，凝结效应，表面修饰，化学结构，结晶作用)的改变而使纳米材料变得复杂化，多样差异化而难以评定。传统的毒性测试使用的动物模型往往是不切实际的，因为它的时间密集，低容量，价格昂贵，并且只能检测有限的效应终点。鉴于上述问题，North等[26]提出了中心机制型高通量检测技术(Mechanism-centered High-throughput Testing)。该方法可很好的解决纳米材料因种类差异与数量庞大所引起的迫切问题依赖可预测性的新型毒性检测系统，高通量筛选技术(High-throughput Screening，HTS)也许会成为评估纳米材料生物毒性的最有效的方法。然而就目前研究而言，这种方法单独用于评估大批量纳米材料的毒性实验是不大可能成功的，需要有效的体内研究相互确证[9]。一些研究者还指出[27]，HTS将不会替代传统毒性检测方法，但是其对纳米材料毒性深入研究的优化作用有一定的帮助。Sayes[28]等基于对纳米材料的特殊理化参数(尺寸大小，表面电荷等)与生物特性(如LDH的释放)的测量，开发出一种数学模型以反应工程化纳米材料的特性是如何影响细胞的反应。该研究表明，计算模型的建立对暴露于纳米材料所引起的生物效应的评估能够很好地运用于预测纳米材料毒性检测。Sadik等人[29]研究出了一种便携、可溶解氧的电化学传感器阵列，该方法能够检测出工程纳米材料(量子点和富勒烯)，且具有快速提供纳米毒性信息的能力。

4 讨论

尽管目前对一些纳米材料的生物效应已经有了一些评定，但是各种类型纳米颗粒的潜在毒性和可能的机制影响还不是十分清楚。纳米材料因其特殊的尺寸、形状、组分和表面修饰的不同，生物多样性也明显超过常规化学物品。考虑到纳米材料的高产量和对潜在危害物筛选的急迫性，当前，科学界的首要任务就是在今后一两年内，达成纳米科技对人体及环境影响的国际公约，并建立科学、完善的检测方法。但现在关于纳米材料的毒理学研究较少，无论是体内代谢，细胞作用还是生化反应，都没有系统的理论。因此，初步建立评价纳米材料毒性与其特殊理化性质和体内物质的构效关系模型，是为全面、准确地评价纳米材料的毒性提供科学依据，为如何减弱或消除其毒性提供参考。流式细胞术是一种高通量、多参数细胞分子生物学检测技术，在毒理学研究领域已得到了广泛的应用。已有研究表明，将高通量筛选技术与基于细胞毒性机制的实验方法相结合，与相关的纳米材料毒性数据进行比较分析，可有效地建立多样化的理化参数与细胞毒性的关系模型[9]。近年来，一些研究者们也开始转变传统的研究思路，逐渐从生物系统的整体性分析入手，探索药物生物毒性的诊断理论和方法学的新途径。代谢组学作为一种全新的组学技术，始于上个世纪90年代中期，它利用高灵敏度、高分离效率的仪器，考察了生物体受遗传和外界环境刺激或干扰后其所有代谢产物的质和量的动态变化，来揭示药物对生物体的毒性实质和机制。Zomer等人也开始从代谢组学角度对多种常见的毒性物质(如：镉、D-半乳糖胺、四氯化碳、对乙酰氨基酚等)进行了系统的毒性效应评价[30]。Hadrup等人也运用代谢组学的方法来挖掘纳米银对小鼠造成的毒性作用的靶向器官、靶向位点以及作用的生物标志物和作用机制[31]。

体内、体外毒性研究面临的最大问题还是评价方法的不确定性和随意性，目前没有能直接反应纳米材料毒性的客观指标存在。从生物学体内的角度来看，最容易做，最容易把握的哺乳动物就是小鼠，但是真的上升到模式动物时，在納米毒性靶向不确定的情况下，这种假想是不存在的。例如，果蝇是模式动物，但在遗传方面运用较多，胚胎干细胞是理想的筛选胚胎毒性的方法，但也只局限在胚胎毒性，在毒性方面只有经过大批量的筛选才能确定纳米毒性的整体水平，单单做了几种细胞，是不能说明纳米毒性有多小，什么剂量下才能很好的控制纳米毒性。虽然动物试验能持续提供有关纳米毒性的最新信息，但却有一定的局限性，还需考虑经济与伦理方面的问题。目前，已有相关技术手段用于模拟与预测纳米颗粒在活体内的表现，因此希望在将来能够开发可以替代活体试验的检测手段。

对于这些挑战，安生·曼雷德教授也表示，纳米技术充满了原始的创新性，是具有战略性、前瞻性的新兴科技，它同时也是一把“双刃剑”。虽然工程化纳米材料可能会产生一些毒性效应，但就目前的研究结果和数据并不能充分的指出这些毒性效应将会成为主导生命健康的大问题。纳米材料具有潜在的临床价值，我们应该积极客观的看待纳米材料带给我们的影响。例如，一些纳米材料能够靶向作用于线粒体并且启动程序性的细胞死亡，这一特性能够成为一种新型的癌症化疗方法。不过要想纳米材料很好的应用于我们的生活，造福于人类，纳米材料的安全性评估是刻不容缓的。

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作者：汪保林 邱慧

神经系统的纳米材料论文 篇3：

纳米材料及其技术的应用前景

摘要：作为一种多种优异性能的功能材料，纳米材料具有广阔的应用前景。文章主要介绍纳米材料的特征，指出纳米技术在各个领域中的应用方式。

关键词：纳米材料;纳米技术;特征;方式

目前，随着生物技术、信息技术以及能源技术等的迅猛发展，社会各个领域对材料的要求越来越高，所以，利用先进的科学技术，开发和利用新型材料，成为提高科技水平的必要途径。

1.纳米材料的特征

1.1纳米材料具有表面效应

纳米微粒的尺寸较小，表面积较大，而且原子在表面上占有很大的比例，而随着粒径的减少，表面积迅速增大，从而使得表面的原子数急剧增加。所以，纳米材料性质的变化，是与纳米粒子的表面原子数、总原子数以及粒径的变化有关的。

1.2纳米材料具有体积效应

纳米粒子的体积效应是指当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或者较短时，周期性的边界条件遭到破坏，内压、磁性、光吸收、热阻、化学活性、熔点以及催化性等特性与宏观颗粒的相比发生了变化，同时，纳米材料的体积效应拓宽了纳米粒子的应用范围。

1.3纳米材料具有小尺寸效应

当超细微粒的尺寸与德布罗意、光波波长以及超导态的相干长度或者投射深度等物理特性尺寸相当或者更小时，晶体周期性的边界条件被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子的密度减小，导致光、声、电磁和热力学等特征都随着尺寸的缩小而发生明显的变化。

1.4纳米材料具有量子尺寸效应

纳米材料的量子尺寸效应是指当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子纳米面附近电子能级由准连续变为离散能级，而且，纳米半导体微粒存在着不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，从而出现能隙变宽的现象。比如，超导相向正常相转变、光吸收增加、金属熔点降低等。

2.纳米技术的具体应用方式

2.1纳米技术应用于陶瓷领域

作为三大支柱材料之一，陶瓷材料在日常生活和工业生产中占有重要的地位，但是，传统的陶瓷材料具有质地脆、韧性差、强度低的缺点，应用范围有限，而随着纳米技术的开发和应用，纳米陶瓷成为弥补陶瓷材料缺陷的重要资源。尽管在技术方面纳米陶瓷还存在着诸多的不足，但是其具有室温性能优良、抗弯强度较大、高温力学性能较好等优点，并且已经广泛应用于轴承、切削刀具、和汽车发动机部件等方面，另外，由于纳米陶瓷材料能够适应强腐蚀、超高温等苛刻的环境，所以具有非常广阔的发展空间。

2.2纳米技术应用于微电子学

作为纳米技术的重要组成部分，纳米电子学是根据纳米粒子的量子效应来设计、制备纳米量子器件的一种技术，其最终目标是进一步减小集成电路，研制出由单原子或者单分子构成的、能够使用于不同室温的各种器件。目前，通过纳米电子学已经成功研制出各种纳米器件。红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管、单电子晶体管以及超微磁场探测器等已经问世，而且，随着碳纳米管的研制成功，纳米电子学的发展速度不断提高，因而，立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念构造电子系统，开发物质潜在储存和处理信息能力的纳米电子学，可以实现信息采集和处理能力的革命性突破，成为信息时代的发展核心。

2.3纳米技术应用于生物工程

分子可以保持物质化学性质不变，所以，作为一种很好的信息处理材料，每一个生物分子本身就是一个微型的处理器，在运动过程中，可以预测方式，进行状态变化，其原理与计算机的逻辑开关相似，因而，可以利用生物分子的特性和纳米技术，设计量子计算机。目前，虽然分子计算机仅仅处于理想阶段，但是，科学家已经考虑利用几种生物分子制造计算机的组件。比如紫红质细菌，它不仅具有很好的稳定性和特异的光、热、化学物理特性，而且其奇特的光学循环可以用于储存信息，来代替计算机信息处理和信息存储的作用。尽管，在未找到具有开关功能的微型器件的情况下，目前尚未出现商品化的分子计算机，但是，纳米计算机的出现，将会突破传统极限，极大地提高单位体积物质的储存和信息处理的能力，促进电子学的发展。

2.4纳米技术应用于光电领域

纳米技术的快速发展，加强了微电子与光电子之间的联系，在光电信息传输、处理、显示、运算和存储等方面，光电器件的性能不断提高。把纳米技术用在现有雷达的信息处理上，可以使其能力提高10倍到几百倍，甚至可以利用纳米技术进行高精度的对地侦察，但是，想要获取高分辨率的图像，则需要依靠先进的数字信息处理技术。因此，在光电领域合理应用纳米技术，成为科学技术发展的重要动力。

2.5纳米技术应用于医学

在纳米技术不断发展的过程中，医学上逐渐引入纳米技术。研究人员发现，生物体内线度在15～20nm的RNA蛋白复合体和多种病毒也是纳米粒子，这些纳米粒子比红血球小，可以在血管中自由流动，因而，假如将超微粒子注入到血夜里，可以通过血管输送到人体各个部位。另外，利用纳米顆粒作为载体的病毒诱导物方式已经应用于临床动物实验之中，并且将服务于人类。此外，科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，检测、诊断身体各个部位，并且实施特殊治疗，来清除心脏动脉脂肪沉积物、疏通脑血管中的血栓甚至吞噬病毒、杀死癌细胞，所以，在不久的将来，高血压、艾滋病和癌症等疑难杂症可能会通过纳米技术得以解决。

2.6纳米技术应用于其它方面

在沟通交流方面，利用纳米技术制成含有纳米电脑的可人一机对话并且具有自我复制能力的纳米装置;利用纳米羟基磷酸钙为原料，制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料;在军事方面，通过昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统，来控制昆虫的飞向，收集敌方情报，可以起到很大的干扰功能。

3.总结

总而言之，纳米材料具有其他材料所无法比拟的优点，具有广阔的发展空间，所以，在科技水平飞速发展的今天，充分发挥纳米技术的应用价值，把纳米技术应用于生物、电子、医药、材料和化工等领域，成为推动科学技术革命的重要动力。

作者：冯栋　李甘