纳米材料的研究进展及其在生物医学中的应用

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基础医学与 _床卣

Bs ei l e ne adCic ai M d a Si e￣ n l i c c e . ns

专题综述：蚋米技术与生物医学{ao cnl yadbo ein ) nnt ho g n i d i e o m ce

纳米技术 (ao e ol y是指对量度范围在 0 1 0 nn t ho g ) e o .—10纳米 ( m)内的物质进行材料、 n

设计、制造、测量和控制的技术。其最终日标是按照人类的意志直接探纵单十原子、分子或原子目 (于 ln )小 O m、分子目，制造具有特定功能的产品。适夸为止 .纳米技术已出现了包 括纳米材料学、纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米显微学等高新技术群，成为世界科技发展的热点。纳米技术在医学领域中的特点是“用分子器具和对人体分子的知识 .利 进行诊断、治疗和预防疾病与创伤，减轻疼痛，促进和保持健康的科学和技术”。在此基础上，人们对未来医学中的纳米技术提出了某些设想，即随着纳米技术在医学领域中的应用 .

临床医疗特变得节奏快、效率高，诊断、捡查更准确，治疗更有效。本期综述从三十方面论述了纳米技术在生物医学领域中的具体应用。

文章 j号：10— 3 5 2 0 )2 0 9 .6皇 0 16 2{ 0 2 0—0 70

纳米材料的研究进展及其在生物医学中的应用许海燕，孔桦

(中国医学科学院中国协和医科大学基础医学研究所 .北京 100 ) 00 5

摘要：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，隧着研究的深人和技术的发展，米材料开纳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。本文主要舟绍了纳米材料的一些基本概念和特性，对纳米向瓷材料、米碳材料、米高分子材料、乳掖以及纳米复合材并纳纳微料等在生物医学领域中的研究进展和应用做了综述。

美譬词：纳米结构；物材料；生生物医学工程中圈分类号：39 R 1文棘标识码： A

纳米材料是结构单元尺寸小于 lO m的晶体或 On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 (一lO ) ( )大量的界面或自由表面， 1￣ m,2有 ( )纳米单元之间存在着或强或弱的相互作用。 3各 由于这种结构上的特殊性，纳米材料具有一些独使特的效应，括小尺寸效应和表面或界面效应等，包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，现出许多优异的性能和全表新的功能，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 8 0年代初形成的。 18 94年 G e“ t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。18 9 7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，各种方法所制备的人工纳米材料已多达数百用种。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、观结构、学特征及应用前景，微谱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，当前国际上的前沿研究课题之一。是

收稿日期：02一 I 0 20 O一 9

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基础医学与临床

Bs ei l c ne n li ai M dc i csadCi c c aS e ns及牙种植体、听骨修复体等等。此外还用作负重耳的骨杆、体人工骨、补移植海绵骨的充填材料、锥修 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，使陶瓷材料在将强度、硬度、韧性和超塑性上都得到提高，因此，在人

纳米材料在各个领域中的应用研究与开发正在兴起并已形成趋势，米材料在生物医学领域中的纳应用是近些年剐剐开始的，且发展迅速。随着人并

们对纳米材料所具有的独特性能的深入认识和开发，预期纳米材料在医学领域中的应用将会有更快、 更大的发展。

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，

由纳米级水平显擞结构组成的新型陶瓷材料，是 它的晶粒尺寸、界宽度、晶第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等都只限于 1O m量级的水平。纳米微粒所 Gn

2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 (s o cr n b n o b )气相生长碳纤维 ( ao rw a o i n a a t e、 V prG o n Cl n F. b hr e-简称 V,F也称为纳米碳纤维 )类金剐石碳 C, C、等；纳米碳管、米碳纤维通常是以过渡金属 F、纳 e c、及其合金为催化剂， o以低碳烃化合物为碳源， 以氢气为载气， 83~1 7 K的温度下生成的，在 7 3 4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，认为是超强纤维。由它作为增强被剂所制成的碳纤维增强复合材料，以显著改善材可料的力学、热学及光、电等性能，在催化剂载体、能储材料、电极材料、高效吸附剂、离剂、分结构增强材料

具有的小尺寸效应、面与界面效应使纳米陶瓷呈表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、聚态物理研究的前沿热点领凝域，纳米科学技术的重要组成部分】是。陶瓷是一种多晶材料，是由晶粒和晶界所组它成的烧结体。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、孔或裂纹的组合气

性状，中最主要的是晶粒尺寸问题，其晶粒尺寸的减小将对材料的力学性能产生很大影响，材料的强使度、韧性和超塑性大大提高。

等许多领域有着广阔的应用前景。碳是组成有机物质的主要元素之一，是构成更

常规陶瓷由于气孔、缺珀的影响，在着低温脆存性的缺点，的弹性模量远高于人骨，学相容性欠它力佳，易发生断裂破坏，容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 1 C℃以上，变速率小于 1“, O 0应 0 s

人体的重要元素，早以前人们就发现碳与人体的很生物相容性十分优异。自从

16 93年 G t在研究人 o t工血管过程中发现碳具有极好的抗血栓性以来，碳材料已在人工心脏瓣膜、人工齿根、人工骨与人工关节、人工血管、工韧带和肌腱等诸多方面获得应人用。

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，料不材易造成穿晶断裂，有利于提高材料的断裂韧性；晶而粒的细化又同时使晶界数量大大增加，助于晶粒有间的滑穆，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

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、导电性之外，具有缺陷数量高还极少、比表面积大、构致密等特点，些超常特性结这和良好的生物相容性，它在医学领域中有广泛的使应用前景，包括使人工器官、工骨、工齿、工肌人人人腱在强度、硬度、韧性等多方面的性能显著提高；此

形。例如：纳米 (n陶瓷和 c F陶瓷在 10 n Sm) B, 8℃下，在外力作用下呈正弦形塑性弯蓝。即使是带裂纹的 n纳米陶瓷也能经受一定程度的弯蓝而裂纹不扩散。但在同样条件下，晶材料则呈现脆性粗断裂。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，临床上已有多方面应用，要用于制造人工在主骨、人工足关节、肘关节、肩关节、骨螺钉、工齿，人以

外，用 …… 此处隐藏：12479字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……