纳米材料的生物安全性

纳米材料的生物安全性（精选10篇）

纳米材料的生物安全性 第1篇

1 材料与方法

1.1 实验材料

β-TCP/INH-RFP-PCL/SM-SA制备:精密称定分子量为8万的PCL 0.24 g, RFP粉末0.012 g, INH粉末0.012 g, 加入氯仿, 得到的溶液在30℃, 电压为15 k V, 流量为0.5 m L/h, 接收距离为21 cm的条件下纺丝4 h, 分别得到含INH和RFP的药膜。精密称定特制粉末[β-TCP∶PCL∶Na Cl (1∶8∶1) ]0.1 g放置于模具中, 与INH药膜、RFP药膜交替加载。使用粉末压片机在14 k Pa压力下, 压制2 min, 取出, 放置去离子水中浸泡72 h, 除去Na Cl, 取出, 晾干, 得到β-TCP/INH-RFP-PCL。精确称取质量百分比浓度为1 mg/m L的SA 10 g, SM5 g, 氯化钙10 g, SA和SM加8.5 m L去离子水搅拌溶解, 氯化钙用10 m L去离子水溶解, 将含有INH和RFP的去盐人工骨置于SA溶液中超声浸泡5 min, 接着置于氯化钙溶液中交联固化10 min, 该混合物取出晾干, 即可制得抗结核药物微球复合体β-TCP/INH-RFP-PCL/SM-SA。每克复合体中INH、RFP、SM三种药的载药量分别达到0.04、0.08、0.10 g。

1.2 实验方法

1.2.1 β-TCP/INH-RFP-PCL/SM-SA复合体细胞毒性的MTT测定

以MC-3T3为实验细胞, 设置空白组、对照组、实验组, 实验组分为 (1) β-TCP组; (2) INH-RFP-SM直接给药组, 根据药物最低杀菌浓度分为:半量最低杀菌浓度、最低杀菌浓度、2倍最低杀菌浓度; (3) β-TCP/INH-RFP-PCL/SM-SA复合体组。MC3T3-E1细胞放置α-MEM培养液中生长, 待细胞长成单层后传代, 移去培养液, 0.25%胰蛋白酶消化, 37℃条件下消化1~2 min, 加入适量的α-MEM培养液, 调配至细胞分散均匀, 制成1×104/cm2的细胞悬液, 接种于96孔板中培养板, 在37℃、5%CO2培养箱中培养1 d, 使细胞贴壁, 移除培养基。在37℃、5%CO2环境下, 用α-MEM培养基按材料表面积/溶液量 (cm2/m L) =2的比例进行浸提72 h后, 收集浸提液, 然后用0.2μm的微孔滤膜过滤除菌备细胞实验用。加入50μL的α-MEM培养基 (含10%FBS) 及50μL的浸提液作为实验组;在α-MEM培养基中不加入浸提液及细胞的作为空白组;在α-MEM培养基 (含10%FBS) 中不加入浸提液的作为对照组。在37℃、5%CO2条件下, 在不同培养基中分别培养至7 d。然后采用MTT法检测吸光度值, 即分别培养1、4、7 d后每孔加入20μL的MTT (5 mg/L) 试剂孵育4 h后, 弃上清液, 再加入100μL二甲亚砜 (DMSO) , 震荡10 min后置入在490 nm波长下, 在免疫酶标仪上检测各孔的吸光度 (OD值) 。计算活细胞的存活率SR (cell survival rate) 。SR= (实验组OD-空白组OD) / (对照组OD-空白组OD) ×100%。最后转化为相应的细胞毒性等级, 标准为:0级≥100%;1级75%~<100%;2级50%~<75%;3级25%~<50%;4级0%~<25%;5级<0%。

1.2.2 致敏实验

选择实验用成年豚鼠20只 (雌雄不拘) , 3个月龄, 体重350~400 g。操作方法:以豚鼠两侧肩胛骨内缘处进行皮内注射。实验材料浸提液制备:将1 g复合材料于生理盐水中浸提72 h (37℃) 。设置分组:实验组10只:注射实验材料浸取液0.1 m L;阴性对照组5只:注射生理盐水0.1 m L;阳性对照组5只, 注射2%二硝基氟苯0.1 m L。注射完成后1、2、3 d分别观察各组皮肤反应情况, 皮肤反应分类标准见表1。每组出现阳性反应的动物数超过总数30%即判定该组为变态反应致敏阳性。

1.2.3 皮肤刺激实验

使用清洁级健康成年新西兰兔6只, 雌雄兼用, 品系、饲养条件统一, 体重不低于2 kg。实验前1天将实验用兔固定后, 于兔背部脊柱两侧被毛 (约10 cm×15 cm区域, 用8%硫化钠溶液进行脱毛) 。设置12片被皮区, 大小为25 mm×25 mm, 脊柱左右各6片, 其中6片实验组, 3片阳性对照组, 3片阴性对照组。实验组使用滤纸或纱布块充分吸附复合材料的浸提液 (制备过程同致敏实验) 至饱和, 阴性对照组吸附生理盐水, 阳性对照组吸附3.5%甲醛溶液, 贴敷于消毒后的实验部位, 阴、阳对照组与实验组交叉放置。用包扎带进行半封闭式固定4 h以上, 去除包扎带和贴敷物, 用温水清洁贴敷区并吸干, 观察皮肤的红斑及水肿情况。分别在1、2、3 d时间点记录各接触部位情况, 如存在持久性损伤有必要延长观察时间, 以判断损伤是否可逆。最后参考表1皮肤反应分类标准进行记分, 并计算原发刺激指数 (primary stimulus index, PSI) :PSI=1、2、3 d的红斑、水肿总分/观察总数。反应类型结果评价为:无刺激0~<0.5分;轻度刺激0.5~<2.0分;中度刺激2.0~<5.0分;强刺激5.0~8.0分。

1.2.4 皮内刺激实验

使用清洁级健康成年新西兰兔4只, 雌雄兼用, 品系、饲养条件统一, 体重不低于2 kg。实验前1天将实验用兔固定后, 于兔背部脊柱两侧被毛 (约10 cm×20 cm区域, 用8%硫化钠溶液进行脱毛) 。实验动物脊柱两侧旁开2.5 cm纵线上各取10个皮内注射点, 每点间距2 cm。一侧注射复合材料浸取液 (制备过程同致敏实验) 0.2 m L, 另一侧注射生理盐水作0.2 m L为对照。注射后于1、2、3 d观察局部及周围皮肤组织反应, 并按表1所列标准进行记分, 再根据记分结果推算PSI和平均原发刺激指数 (average primary stimulus index, APSI) , APSI=所有动物PSI总和/动物数。反应类型结果评价同皮肤刺激实验。

1.2.5 急性全身毒性实验

采用实验验用小鼠健康合格, 同一品系, 须在同一饲养条件下饲养, 雌雄不拘, 雌鼠应无孕, 体重17~23 g。将小鼠随机分为实验组和对照组, 每组10只。将小鼠放入固定器内, 自尾静脉分别注入复合材料浸提液 (制备过程同致敏实验) (实验组) 和生理盐水 (对照组) , 注射剂量为50 m L/kg, 注射速度为0.1m L/s。注射完毕后, 观察小鼠即时反应, 如发现有血或供试液外溢现象, 弃去此小鼠, 另取小鼠依法操作。实验后饲养法同实验前, 并于1、2、3 d, 观察和记录实验组和对照组动物的一般状态、毒性表现和死亡动物数。实验组和对照组小鼠如出现中毒表现, 则根据其症状程度记为无中毒、轻度中毒、明显中毒、重度中毒和死亡, 急性全身毒性实验中的动物反应指标见表2。根据观察结果作出评价。

2 结果

2.1 MTT细胞毒性实验

β-TCP/INH-RFP-PCL/SM-SA复合体采用MTT法观察并通过计算生存率方式测试复合体的细胞毒性。结果见图1。β-TCP组7 d内的生存率为基本为100%, 三种抗结核药直接给药组细胞存活率相对较低, 低于90%, β-TCP/INH-RFP-PCL/SM-SA复合体实验组7 d内存活率>95%。说明本实验材料具有良好细胞相容性, 无明显的细胞毒性。细胞毒性等级, 空白对照组:0级;实验组:1级;RFP直接给药组:1级。

(1) :半量最低杀菌浓度; (2) :最低杀菌浓度; (3) :2倍最低杀菌浓度

2.2 致敏实验

实验组所有豚鼠未出现明显皮肤过敏反应, 与生理盐水阴性对照组结果相同;注射二硝基氟苯阳性对照组豚鼠全部出现过敏反应, 超过总数30%判定为致敏阳性。

2.3 原发性皮肤刺激实验

β-TCP/INH-RFP-PCL/SM-SA复合体实验组在家兔皮肤实验区域未见红斑、水肿, PSI指数为0, 评价为无刺激, 同生理盐水阴性对照组。而3.5%甲醛溶液阳性对照组PSI为3, 评价为对皮肤中度刺激。见表3。

2.4 皮内刺激实验

β-TCP/INH-RFP-PCL/SM-SA复合材料实验组在实验后1、2、3 d红斑和水肿情况基本为无, 少数有微弱红斑、水肿反应。通过各个时间点结果记分, 计算出刺激指数, 最后计算出平均刺激指数实验组为0.32, 对照组为0.11。各实验组刺激指数和平均刺激指数评价为无刺激, 同生理盐水对照组。见表4。

2.5 急性全身毒性实验

β-TCP/INH-RFP-PCL/SM-SA复合材料实验组小鼠尾静脉注射后1、2、3 d进行观察, 有2只小鼠1 d时出现轻度精神异常, 2 d后恢复, 余小鼠未见明显异常表现, 评价结果为无中毒。对照组所有小鼠无不良反应出现, 同样评价为无中毒。延长观察时间至2周, 小鼠未见明显异常。见表5。

3 讨论

组织工程生物材料由于要长期甚至终生与人体相接触, 因此对其安全性的评价非常重要。本文实验对象的阶梯缓释抗结核人工骨复合材料主要包括β-TCP、PCL、SA、INH、RFP和SM三种抗结核药物。其中β-TCP作为骨支架材料, 在临床和各类实验研究均得到广泛应用, 取得良好的经济效益和社会效益。该材料具有较强的细胞相容性, 降解完全, 能够与周围的正常的骨组织直接结合, 达到可靠的骨修复作用[1]。以β-TCP为基础制备的多种复合材料或载药材料均具有良好的生物相容性及安全性[2,3,4]。PCL是化学合成的生物降解性高分子材料。它的分子结构中引入了酯基结构, 在自然界中酯基结构易被微生物或酶分解, 最终产物为CO2和H2O, 具有良好的生物降解性、生物相容性和无毒性, 而被广泛用作医用生物降解材料及药物控制释放体系[5,6,7]。SA属天然有机高分子化合物, 同样具有药物制剂辅料所需的稳定性、溶解性、黏性和安全性。能够作为释放和包埋RFP等药物的载体[8], 并被证实安全有效。笔者在既往研究中制备了单载RFP抗结核药物的缓释型人工骨复合体 (TPB/SA-RFP/PLA、PLGA、PCL) , 具有良好的释药效能和成骨性能的同时兼具良好的生物安全性[9,10]。证实使用多种复合材料并搭载合理浓度的药物制备的生物材料是安全可行的。

本研究在制作单载抗结核药物复合人工骨的基础上, 通过工艺的改进并引进静电纺丝技术, 研制出搭载3种抗结核药物的新型人工骨复合物β-TCP/INH-RFP-PCL/SM-SA, 具有较大的表面孔径, 呈多孔形态, 孔隙率较大, 微孔分布均匀, 孔径内部光滑, 内部附着载药纳米纺丝纤维与多孔间连接, 结构稳定。静电纺丝工艺是通过静电力的作用来合成纤维。其制备的纳米纤维能够模仿组织器官的细胞外基质的结构尺寸。纤维支架具有相互连接的空隙的多孔结构和优越的比表面, 利于细胞的黏附及生长。可将不同聚合物的共混, 并且加入无机材料等添加物制各成复合纤维以适应不同需求[11]。使用静电纺丝法工艺, 可以很方便对搭载药物的载体进行塑形, 同时载药膜具备较大的接触面积易于药物搭载和释放。利用静电纺丝技术制作的组织工程支架、载药载体等均证实具有良好的生物相容性及安全性[12,13,14]。其载药量在局部能实现长达3个月有效缓释, 局部药物缓释浓度能达到每种药品的最低杀菌浓度。该材料主要成分在既往实验中虽已获得生物安全性认可, 但复合后并搭载3种抗结核药物研制成的新型复合材料, 其安全性如何, 是否对人体具有毒性、致癌致病性、致畸性或其他潜在危害, 仍是必须关注的问题。同时一种医用材料在正式投入生物体研究或临床应用前, 必须依照国家有关标准[15,16], 对其进行生物安全性评价。

对生物材料的生物安全性评价方法主要有两类[17]:动物体内实验和体外实验。前者是将材料植入实验动物体内后, 观察材料及周围组织病理变化, 评价组织相容性。后者是用材料或材料浸提液, 在动物体外进行一系列研究, 测试材料对组织细胞增殖、生长、分化等活动的影响, 以MTT细胞毒性实验为代表[18]。这一方法被广泛应用于细胞增殖和细胞毒性的检测, 目前己成为生物材料和医疗器械生物评价体系中最重要的指标之一。其在分析生物材料是否具有毒性和对细胞的影响方面比体内实验具有更高的敏感性。本实验材料β-TCP/INH-RFP-PCL/SM-SA复合体最终需要在体内长期内置, 因此根据国家制定医用材料生物安全性评价要求, 选用致敏实验、原发性皮肤刺激实验、皮内刺激实验和急性全身毒性实验评价本材料的生物安全性。

转基因生物与食物安全辩论材料 第2篇

——2014级15班第八学习小组

一.观点：

转基因生物和转基因食品虽然是生物科技进步的象征，但并不标志着人类有权利按照自己的意愿去操纵地球上的生命，其安全性只是理论上的，但实践中却有很多问题，已有多方多例报道转基因生物和转基因食品给人类带来了悲剧，其安全性值得质疑，不应大力推广。

二.开场陈述词：

亲爱的同学们，可爱的对方辩友。大家都是学生物的，那么对于转基因植物与食品的定义性质我不再多说。但必须强调，作为一个辩题，我们不能孤立地只看到转基因植物与食品这两个中心名词，还因关注其产生、发展、以及进入广大人民生活的商业化过程中的种种影响。因此我方站在可持续发展的角度，以转基因植物与食品是否有利于可持续发展为标准评判其利弊。可持续发展观作为一种科学发展观，已被中共十五确定为我国“现代化建设中必须实施”的战略。它主要包括社会可持续发展，经济可持续发展，生态和资源的可持续发展。我方将就以下几个方面提出我方论点。

就自然生态、资源方面，我们不难发现，转基因植物与食品的种植、生产过程是一种不和谐的过程，是一种对资源掠夺式的发展过程，这主要表现在： 转基因植物本身是一种集成了异种优势基因的改造物种，当进入自然生态系统之后，很有可能演变成生物入侵者。与其它异种植物竞争，掠夺资源。如2001年加拿大的GM油菜事件，这种抗多种除草剂的自播油菜侵入其它农田，俨然成为了“超级杂草“。“基因扩散“，大量的转基因生物进入自然界之后很可能会与野生物种杂交，造成基因污染，从而影响到生物多样性的保护和可持续利用 有些抗虫或抗真菌的基因会对非目标生物起作用，并且会通过食物链累积、级联，破坏生态系统结构。而且由于虫害抗性的出现，反而增加农药使用量

就社会、经济方面而言。其开发过程中违背可持续发展中调以人为本的需求而不是市场商品的需求性原则，转基因植物的推广种植会破坏当地农业结构，而其商业化的过程中更是打破可持续发展“走向国家和国际平等的定义 ”。转基因作物盲目追求高产，不顾实际需求。美国由于粮食生产过剩而不得不使1／3的耕地轮流休耕（没有合理利用„„）。同时农产品廉价地出口使发展中国家的产品在世界市场上处于更加不利的境地，更会把贫困国家的农业人口逼上绝路。而自己本国的农民则享受着高额的农业补贴。外国资本通过资金渗透，然后倾销廉价的转基因作物作为扭转贸易平衡的手段。如我国的大豆产业从自给自足尚能出口到现在60%~70%依赖进口转基因大豆。国际资本家利用转基因植物专利榨取他国农民，控制他国经济主权。如阿根廷农业的悲剧，原本的其农业自给自足还能产生大量剩余，后为偿还美国国债，大面积种植孟山都的转基因大豆，达到其种植面积的99%，其生活在贫困线下的人口比例，由5%到上升2002年的51%。增加了近十倍！

最后对人类个体而言，转基因植物与食品存在极大的安全隐患。

综上所述，我方认为转基因植物与食品弊大于利！

三.辩手叙述材料：

一辩发言：转基因生物和转基因食品固然是科技进步的产物，但它毕竟是一种新生事物，其安全性只是停留于理论成分、数据的分析，还有待于实践的检验；转基因生物是按照人们的主观意愿把一种生物的基因强加于另一种生物，这种外源基因的加入扰乱了该生物的正常秩序，影响了该生物的正常生活，是否还会影响该生物的传种接代，有待于证实；这种转基因生物进入生态系统，其生活力、适应力是否会受影响，对其它生物的生存是否构成威胁，都还是未知。所以我方认为，不应盲目推广使用。

二辩发言：人们对于转基因生物和转基因食品的忧虑主要有两个方面，一是对人体健康是否有害，一是对生态环境是否构成潜在威胁。对于人体，基因的某种转移也许会产生新的毒素和过敏原，引起意想不到的中毒或过敏反应。例如，一些科学家发现，转基因食品可令肝脏发大；英国科学家普斯陶伊实验，连续喂食老鼠基因改良土豆，发现部分老鼠的肾、脾。大脑等器官收缩或发育不正常，免疫系统变弱，等等。20世纪80年代以来，生物技术领域中基因工程技术取得突破性的进展。通过生物遗传信息的人为操作进行转移，使植物、动物和微生物的生物特性进行改变，利用基因工程技术这各种可以打破生物种属间的自然隔离屏障进行人为转移，新的遗传工程体正源源不断问世。这一新的发展势态，一方面展示出先进科学技术在生产上的巨大的应用前景，另一方面也预示着可能带来人体其他键康和对生态环境引发不利影响。

三辩发言：

1.营养破坏：转基因食品中的主要营养成分、微量营养素及抗营养因子的变化，会降低食品的营养价值，使其营养结构失衡。科学家们认为外来基因会以一种人们目前还不甚了解的方式破坏食物中的营养成分。2.或不安全：未进行较长时间的安全性试验：基因化食品改变了我们所食用食品的自然属性，它所使用的生物物质不是人类食品安全提供的部份，未进行长时间的安全试验，没有人知道这类食品是安全的。3.嗜酸性肌痛：Mayeno,A.N.等（1994）报告，发生一种新的，不明原因的病症，主要表现为嗜酸性肌痛。临床表现有麻痹、神经问题、痛性肿胀、皮肤发痒、心脏出现问题，记忆缺乏、头痛、光敏、消瘦（Brenneman,D.E.等，1993；Love,L.A.等，1993）。后查明系日本一公司生的基因化工程细菌产生的色氨酸所致。食用者在3个月后发病，导致37人死亡，1500人体部份麻痹，5000多人发生偶尔性无力。据测定，含量为0.1%便可杀死人体。

4.胃肠道问题：最令人担心的是插入到转基因大豆里的基因转移到生活在我们肠道的细菌的DNA里面去，并继续发挥作用。这意味着吃Bt玉米所造成的玉米片，会把我们的肠道细菌转变成生活着的农药制造厂，可能直至我们死为止。美国人在过去十年中，有着大幅增加的胃肠道的问题。这种大量增加，医生多认为食用转基因食品造成的。最严重的问题还不止此。

5.过敏：在转基因操作中，含有从细菌中提取的基因的食品有可能导致过敏现象的扩展，使人发生过敏反应，特别是对儿童，孕妇和具有过敏体质的成人。比如:科学家将玉米的某段基因加入到大豆、小麦和贝类动物的基因中，蛋白质也随基因加了进去，那么，以前吃玉米过敏的人就可能对这些大豆、小麦和贝类食品过敏。6.心脑血管疾病：这些转基因大豆里，被他们的生物科学家植入了饱和脂肪基因。这些基因导致转基因大豆生产出来的豆油，在进入人体以后，会形成大量的饱和脂肪，增加了血液的血粘稠度，为脂肪肝、高血脂、脑血栓等重大心脑血管疾病埋下了慢性定时炸弹。7.引发新疾病：转基因技术采用耐抗菌素基因来标识转基因化的农作物，这就意味着农作物带有耐抗菌素的基因。这些基因通过细菌而影响我们。英国的研究显示，转基因作物中的突变基因可能会进入到生物体内，其结果可能会导致新的疾病。如果类似结果发生在人和动物体内，就可能培养出功效最强的、抗菌素也无法杀死的超级细菌。

四辩发言：转基因生物和转基因食品是一种按照人们自己的意愿操纵，通过基因工程技术创造出来的新生物类型，有悖于达尔文自然选择的漫长特性，其安全性应该质疑。理由如下：

（1）人类只是万物生灵中的一员，其本身的生存都需受到生物圈万物及其无机环境的漫长选择，人类自作聪明，越俎代疱创造了转基因生物新类型，打破了只有大自然才拥有改造生物、创造生物能力的自然法则。而这些生物还只是人类在实验室中按照人们的意愿把一种生物的基因强加于另一种生物创造出来的生物新类型，其生活力、适应力、安全性只有在它融合生物圈中经过漫长的自然选择才能显现，所以我方提醒正方，不要因为转入苏云金杆菌基因的西红柿无害的个别事例蒙蔽了双眼，盲目过早下结论：转基因生物、食品无害。

（2）现实生活中转基因生物、食品有害的事例屡见不鲜：①1999年5月20日的《自然》杂志报导：帝王蝶的幼虫在吃了某种转基因玉米的花粉沾染过的牛奶草叶子后，近一半的个体死亡，幸存的也不能正常发育，有可能导致该物种的绝灭，我们难道还要重道恐龙绝迹的覆辙吗？②1997年德国农民种植转基因玉米Bt-176，玉米长势喜人，毫无虫害；2001年他用该玉米喂母牛，牛开始剧烈腹泻以致70多头牛死亡，这难道不是：偷鸡不成蚀把米吗？③据中央电视台报道，某种转基因粮食使男性精子成活率下降至50%，严重影响了民族的繁荣昌盛。④已发现一种转基因大豆人食之后会引起严重的过敏反应……，转基因生物、食品的危害性事例不胜枚举，希望大家慎重食用，少食或不食。

（3）更为严重的是，转基因生物、食品的危害是基于一种生物的基因根植于另一种生物的遗传物质当中，它的存在不仅干扰了原生物基因的表达，影响着该生物的正常生命活动，关键是它会随着该生物的遗传而代代相传，正如HIV病毒感染并整合到人的T淋巴细胞DNA中去，它的繁衍通过血液又遗传给后代，影响深远，危害子孙后代，难以治愈，后果不堪设想。一些不法分子也可能趁机在一个简陋的小实验室里，就能把艾滋病病毒与感冒病毒组装在一起，使艾滋病毒像感冒一样，大范围传播。制造出带瘟疫基因的超级细菌，利用这种生化武器危害社会，那将比原子弹等核武器更可怕，这样，世界的末日还才是真的来临了。同学们，你我在座的每位都无法逃脱此厄运，你们愿意遭此劫难吗？

总之，我方认为，转基因生物、食品作为一种新事物，存在诸多未知，其危害性也初见端倪，还是不要盲目崇拜的好，温馨提示正方同学不要因盲目食用把自己年轻的生命搭进去了啰！

四.自由论述材料 ：

1.环境污染.这个是最直接的也是最显眼的坏处.2.物种灭绝加快.这是由环境污染和人类的捕杀所造成的.也属于科技发展的坏处.3.人身安全越来越没保障.现在平均每天都有数以万计的犯罪行为发生.而其犯罪手段大多都与当下时新科技相关.尤其是枪械犯罪,更是让普通人民防不胜防.而从第二次世界大战我们已经可以看出,随着科技的发展,现在的战争所造成的破坏与损失以远远不是以前可比.甚至有可能造成人类灭亡的命运.4.人类身体素质大不如前.随着科技发展,气车,火车,飞机等各种交通工具的出现使人类的日常生活发生了重大改变,人类已经不再总是依赖自己的两条腿,因而现在的人类的身体素质和以前相比已经是不能相提并论.以前项羽“力拔山河气盖兮”在当今的社会已经是不可能再出现.而这种情况继续发展下去则有可能使人的四肢萎缩,使人类出现一个新的形态.5.各种新兴病菌不断出现,很多病菌的杀伤力已经远远超过以前的病菌的破坏力.这是由于医药科技的迅速发展加快了病毒的变种.以至于科技的发展速度已经跟不上病毒的变种速度.或许有一天人类会灭亡于某一场大的瘟疫.五.事例：转基因食品的安全性一直是公众最为担心的问题，科学家们也针对这个问题开展了大量的实验和辩论。

1.其中，法国科学家塞拉利尼关于使用抗除草剂的NK603转基因玉米喂养小鼠的实验结果更是引起了世界各地的科学家的激烈讨论。

2012年9月，法国科学家塞拉利尼在《食品与化学毒理学》发表文章称，使用抗除草剂的NK603转基因玉米喂养的试验鼠出现高致癌率，试验老鼠身上乒乓球大小的肿瘤很快传遍世界，也登上了中国各大媒体网站的显著位置。

7月13日，塞拉利尼刚现身研讨会就引起媒体的关注。针对外界对小白鼠致癌试验的质疑，塞拉利尼回应说，“我们进行的是全世界最棒的测试和分析，这个事件当中我们做出了好几百例的证明，相关的数据进行了详细的记录。”

塞拉利尼说：“我们做动物90天的试验已经发现了问题，90天的相关测试都证明孟山都的产品对肝和肾都是有害的，所以90天的实验肯定不行。孟山都生产的全世界十几种转基因产品中，我们看到哺乳动物的肝和肾都出现相关问题，我们认为肯定是与消费或食用转基因有关。”

目前，转基因试验有个规定，即90天的哺乳动物试验证明安全就可以进行食用。但是塞拉利尼团队在世界首次突破了90天界线。塞拉利尼说，这是世界上的第一个长期的研究，而且我们有针对性地对肿瘤进行分析。“我们可以看到，两年间50只鼠的34个器官都增大了，我们做了200个小白鼠的实验。”

塞拉利尼举例说，试验不仅看肾脏肝脏方面的相关数据，还有对性激素的影响，这些影响也间接地导致了老鼠的死亡，其中试验雄鼠在食用转基因饲料一年后死亡，雌鼠八个月就死，雌鼠的死亡率更快。“我们进一步观察发现，差不多90%都是乳腺方面的肿瘤，还有一些其他方面的肿瘤。我们的结论是，转基因对肝、肾还有乳腺肯定会产生影响，是不安全的，我们要停止使用。

2.1997德国农民克劳纳开始种植先正达Bt－176玉米试验田，头三年，玉米长势喜人、毫无虫害，当2001年，他将这种玉米用来喂养母牛时，牛开始剧烈腹泻并停止产奶，最后，他总共损失了70头牛。

3.1998年秋，苏格兰Rowett研究所的普兹泰教授（Pusztai）就在电视上公开宣称，他的实验证明，实验鼠肾脏、胸腺和脾脏生长异常或萎缩或生长不当，脑部萎缩，多个重要器官也遭到破坏，免疫系统变弱。

4.2004年先正达研发的转基因Bt-176玉米爆发丑闻，德国黑森州北部农民从1997年开始试种Bt-176玉米，并用作奶牛的补充饲料，2000年当农民开始提高该玉米在饲料中的比例后，所有的牛都死了。2004年瑞士联邦技术研究院地球植物学研究所海尔比克教授发现，Bt-176中的用来毒杀欧洲玉米螟的Bt毒素，无法分解，最终毒死了奶牛。

5.2005年5月22日，英国《独立报》又披露了知名生物技术公司“孟山都”的一份报告，以转基因食品喂养的老鼠出现器官变异和血液成份改变的现象。

6.2006年，俄罗斯科学院高级神经活动和神经生理研究所科学家伊琳娜?艾尔马科娃博士研究发现，食用转基因大豆食物的老鼠，其幼鼠一半以上在出生后头三个星期死亡，是没有食用转基因大豆老鼠死亡率的6倍。

7.2007年，在奥地利政府的资助下，泽特克教授及其研究小组对孟都山公司研发的“转基因玉米NK603（抗除草剂）和转基因玉米MON810（Bt抗虫）的杂交品种”进行了实验。在经过长达20周的观察之后，发现转基因产品影响了小鼠的生殖能力。

8.2007年10月和11月，美国《纽约时报》等媒体报道，经过长期周密跟踪观察，发现有两种转基因玉米种植导致伤害蝴蝶生存，对生态环境安全的威胁程度已经超出可接受水平。为此，欧盟已经做出了初步决定、禁止该转基因玉米的种子销售使用。

9.2004年7月28日，美国国家科学院完成了特别专题研究并发布研究报告，指明：转基因食品可导致难以预见的主基因（Host DNA）破坏，而用现有的审核和监测系统，美国各政府机构不能发现这些破坏。美国国家科学院列举了审核转基因食品产品的时候所没发现的异常：

-食用了转基因玉米等转基因食物的老鼠，出现血细胞和肝脏细胞异常、肝脏比没食用的更重；

谈初中生物实验材料的选取 第3篇

关键词：初中；实验材料；选取

一、探究性生物实验必须选取最合适的材料

在实验中，实验材料的选择关系到能否顺利获取有效、可行的实验数据或现象，关系到能否得出某种相关结论，是科学实验取得成功的关键步骤之一。孟德尔在遗传学实验中开始选取山柳菊作为实验材料，结果一无所获，后来选取豌豆做实验材料，利用豌豆具有稳定的自花授粉、受外界干扰小的特点，经过对不同代豌豆的性状和数目进行细致入微的观察、计数和分析，终于发现了遗传学的两个规律，即孟德尔遗传分离规律和基因自由组合规律，从而揭示了生物遗传的基本规律。居里夫人选择沥青铀矿做物质放射性实验，发现了放射性元素“钋”和“镭”。镭的放射性被成功运用于医学，为人类造福。可见，在教学中选择合适的实验材料能够排除实验干扰，帮助学生顺利地完成实验操作，有利于更清晰的阐述和理解实验现象和本质。历史经验告诉我们，选对实验材料，可以收到事半功倍的效果，选对实验材料，就是实验成功的一半。

二、初中生物实验材料的特点

初中生物实验不同于理化实验，实验材料在专业商店都能购到，一般一次性采购就可以满足一学期甚至一学年的需求，而生物实验所需材料大部分都是鲜活的材料。对于观察类实验，所需实验材料，特别是珍稀保护动植物材料，还要带学生到户外去现场获取；部分实验所需材料受季节限制，需要提前采集处理加工，如桃花；还有实验周期较长，做一个实验需要几天或十几天，实验材料需提前培养，如草履虫；大部分实验材料可以替代，如大蒜代替洋葱；还有各种标本也可以动手和发动学生制作；生物实验中部分实验仪器属易损易耗品，如载玻片、盖玻片、培养皿等，均可以动手自制；总之只要我们抱着对这项工作的热爱和高度负责任的态度，勤于思考、善于动手，实时实地到市场和自然界中去采购、采集、培养和加工，生物实验材料选取难的问题就一定能解决。

三、初中生物实验材料选取的保障措施和要求

1.学校要从管理层面重视生物实验教学

为确保实验材料的正常供应和生物实验的全面开展，实验材料的购置必须纳入学校经费预算，实验教师采集、培养加工实验材料要记入工作量，实验课与普通课同等考核，学校要将生物实验室建设和仪器、药品试剂、标本的购置以及生物探究实验室的建设列入学校基础建设，实验教师要积极申请策划将学校动植物园建设纳入校园文化建设；实验教师自制的实验仪器、标本计入教研成果。

2.生物实验材料选取必须遵守科学性原则

选材要以实验目的为依据，选材的优劣以实验效果是否明显为检验标准，要能使学生感悟知识的道理和发展过程，能使学生明确科学的研究思想，能使学生获得实验设计的方法，才能有利于实验教学的使用，有利于实验结果的直观体现，满足实验教学的需求。

3.选择易获得、成本低的实验材料

现行人教版初中生物教材要求必做的58个实验规定使用的实验材料都是经过充分论证，实验效果明显的材料，这些材料价格的差异还是比较大的，要求教师在选购的时候本着满足实验要求的前提下，价格越低越好，同样能够达到实验效果。

4.因地制宜、因时制宜，选取实验材料

我国幅员辽阔，东西南北地理位置和办学条件差异较大，若全部使用商品材料，采购成本较大。如今办学条件的改善，有的学校实验分组多达25组，几个平行班，需求量会很大，其实大部分实验材料都可以到野外、学校食堂、动植物园采集得到，既可以满足实验要求，又为学校省下了一笔不小的开支。

5.使用替代材料

对于不易获得和价格较高的实验材料，可以根据当地自然资源选择适合的材料代替，按照笔者当地，课本中规定的实验材料90%在当地都能采集、采购得到，实验材料替代的原则是替代材料的实验效果等同或高于课本规定的材料。

6.拓宽实验材料选取的渠道

生物实验材料的选取不要仅仅局限于专业商店、农贸市场，中药商店也是以一个重要的场所，如全蝎、蜈蚣、海马和很多植物种子，外形特征都保持了原样。发动学生参与，组织生物兴趣小组开展活动，让学生体验实验材料的采集也是一个渠道。

7.采用新技术采集实验材料

受超市商品干玫瑰花、桃花的启示，用家用电吹风热风速干桃花、梨花和其他十字花科花，颜色、外形都不会改变，彻底改变了传统使用的福尔马林浸制材料颜色改变有刺激的不足，同样适合学生做形态观察和解剖实验。

纳米材料的生物安全性 第4篇

纳米羟基磷灰石(nano hydroxyapatite, NHAP)可诱导细胞增殖,细胞毒性趋于0 级[1]。有人指出通过微波烧结纳米级晶粒尺寸羟基磷灰石可同时提高其力学性能及生物学性能,因此纳米羟基磷灰石在临床的应用逐渐深入[2,3,4]。碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)具有优异的力学性能。Yu 等[5]测得单个多壁碳纳米管(multi- walled carbon nanotubes, MWCNT)抗张强度在11～63 GPa之间,弹性模量在270～950 GPa之间。近年来对许多学者致力于研究MWCNT/NHAP复合材料[6,7]。

本课题是由香港理工大学利用Ti- 6Al- 4V/多壁碳纳米管/纳米羟基磷灰石3 种粉末混合,结合微波技术烧结而成,研发的一种全新牙科种植体材料。本试验根据GB/T16886.5- 2003、GB/T16886.10- 2005、YY/T 0127.1- 93和 YY/T0279- 1995标准,对其生物安全性进行评价,为进一步研究奠定基础。

1 材料和方法

1.1 材料试样的制备

按照钛合金粉末、多壁碳纳米管粉末及纳米羟基磷灰石粉末体积比10∶1.7∶1的比例,通过微波烧结加工的方法,分别制备成直径14.5 mm、 厚1 mm的圆片以及直径5 mm、 厚1 mm的圆片(香港理工大学提供),SiC砂石抛光至1 200 目。

1.2 材料浸提液的制备及所需试剂

按照材料质量与浸提介质为0.2 g/ml的比例加入DMEM培养液、生理盐水,置于37 ℃恒温箱中72 h,过滤灭菌。完全弗氏佐剂CFA、十二烷基硫酸钠石蜡油SLS为美国SIGMA公司产品。

1.3 细胞毒性试验[8]

将传代至第3 代的L- 929小鼠成纤维细胞系,用0.25%胰蛋白酶消化,制成2104 个/ml的细胞悬液,以100 μl每孔接种至96 孔板, 37 ℃、5%CO2的恒温孵箱培养24 h。弃原培养液,将材料浸提液等量加入96 孔板,加入前调整浓度分别为100%、50%、10%、1%。阴性对照组为含有10%胎牛血清DMEM培养液,阳性对照组为含0.64%苯酚的培养液。连续培养1、3、5 d,每个时间节点每孔加入20 μl MTT溶液,继续培养4 h,吸去孔内的上清液体,加入150 μl DMSO,微震荡10～15 min,酶标仪选取490 nm波长测定吸光度值(A),并计算各浓度组的细胞相对增殖率(relative proliferation rate, RGR)。增殖率计算公式为P%=(实验组平均A值/阴性对照组平均A值)100%。根据6 级毒性评分标准转换成毒性分级。

1.4 黏膜刺激实验[9]

1.4.1 试验动物

鼠龄60～70d,健康雄性金黄色仓鼠20只(第四军医大学动物实验中心)。

1.4.2 试验方法

2%戊巴比妥钠腹腔注射麻醉金黄色仓鼠,消毒,铺巾。医用缝合线将材料缝合于仓鼠一侧颊囊黏膜,将牙胶片缝合于另一侧黏膜作为阴性对照。术后每日观察黏膜组织有无充血、红肿、破溃以及材料与黏膜贴合情况,连续观察14 d,处死动物,切取与材料相接触的颊囊全层组织,甲醛溶液固定,石蜡包埋,切片,HE染色后做组织学观察。

1.5 致敏试验[10]

1.5.1 试验动物

健康成年白化豚鼠30 只,体重250～300 g(第四军医大学动物实验中心)。

1.5.2 试验方法

实验动物随机分为实验组和阴、阳性对照组,每组10 只。剃除豚鼠背部两侧各4 cm6 cm区域毛发,24 h后皮内诱导试验。75%乙醇清洁豚鼠去毛区,在每只豚鼠脊背两侧各3 个点对称皮内注射。注射方法如下:各个组A点均注射0.1 ml CFA与0.9%氯化钠注射液等体积混合乳化物,试验组B点注射0.1 ml浸提液,阴性对照组B点注射0.1 ml氯化钠注射液,阳性对照组B点为甲醛溶液,C点注射与B点相对应溶剂的乳化物,如图 1。 7 d后如致敏现象不明显,可采用10%十二烷基硫酸钠石蜡油液涂布按摩。诱导完成14 d后即激发阶段,在试验动物腹部未做过试验的部位去毛,将材料浸提液及阴、阳性对照液浸泡至饱和贴敷于该部位,封闭固定24 h。观察敷贴物去除24、 48、 72 h各组动物敷贴部位的皮肤有无红斑及红肿,并对试验部位反应情况进行记分和分级。

1.6 溶血试验[11]

1.6.1 试验动物

健康成年新西兰大耳兔1 只,体重2.5～3 kg(第四军医大学动物实验中心)。

1.6.2 试验方法

实验分为试验组,阴、阳性对照组,每组3 支试管。试验组试管各放入5 g材料,加入10 ml生理盐水(n=3),阴性对照组单纯加入10 ml生理盐水(n=3),阳性对照组单纯加入10 ml蒸馏水(n=3), 9 支试管水浴中30 min。然后在每支试管中加入新鲜抗凝兔血0.2 ml,轻轻混匀,继续水浴箱保温60 min。以上各试管750 g离心5 min,吸取上清液,置于分光光度计,以545 nm波长测定各试管吸光度值,溶血率计算方法为:溶血率=实验组吸光度值-阴性对照组吸光度值/阳性对照组吸光度值-阴性对照组吸光度值100%。

2 结 果

2.1 细胞毒性试验

第一天试验组及阴性对照组细胞贴壁,细胞未完全伸展,阳性组细胞未贴壁。随着培养时间增加,试验组及阴性组细胞数量呈对数增长,镜下观察细胞充分伸展,呈长梭形,胞质饱满,并可见圆形的分裂细胞(图 2)。而阳性对照组细胞大部分细胞未贴壁,呈圆形漂浮在培养液中。

MTT实验测得各组A值及RGR值见表 1,t检验显示试验组各浓度组与阴性对照组A值差异无统计学意义(P>0.05),而阳性对照组A值与其他各组差异有显著性(P<0.05)。参考细胞毒性分级[12]表明,该试验组材料无明显细胞毒性。

2.2 黏膜刺激试验

试验期间各组试件固定良好。肉眼观察与材料接触颊囊黏膜未见充血、肿胀、糜烂等现象。组织学观察见,试验组与阴性对照组表现相似,未见水肿、上皮异常增生及炎细胞浸润,表明试验材料无黏膜刺激性(图 3)。

2.3 致敏试验

试验组及阴性对照组豚鼠背部皮肤在激发诱导后24、48、72 h反应均正常,无红肿无红斑,反应记分为0,致敏反应分级为一级,阳性对照组动物背部出现重度红斑及水肿,皮内注射区域形成黑色焦痂(图 4)。根据致敏试验分级标准,对各试验组动物皮肤反应进行评分(表 2),复合材料对豚鼠无致敏性。

2.4 溶血试验

溶血试验测定结果见表 3。根据公式计算所得溶血率为3.2%,低于5%,复合材料无溶血反应。

3 讨 论

种植体植入成功的关键环节是种植体与骨组织界面发生骨结合。随着科技的进步,纳米材料得到了迅速的应用并深入到各个领域。有研究认为,CNTs/HA复合材料能够诱导成骨,无排斥反应,表明其具备良好的生物相容性[13]。但另有研究显示,随着烧结温度的升高,碳纳米管分解加剧,因此烧结温度以低于1 100 ℃为宜[14]。传统的加工方法一般是热源体通过对流、传导或辐射等方式将热能传递至被加热物质,烧结温度高、时间长。 而微波烧结技术,可显著降低烧结温度(900 ℃左右)[15],缩短反应时间,提升效率。任何生物材料在应用于临床之前,都必须对其安全性进行评价,根据ISO/TC106国际标准化组织7406号技术报告,本研究选取其中4 项试验,根据国家和医药行业标准试验方法,对复合材料生物安全性能进行初步检测。

3.1 细胞毒性试验

细胞毒性试验是检测材料生物安全性的一项基本测试。MTT法通过与活细胞线粒体中琥珀酸脱氢酶发生反应,生成蓝色结晶物,利用分光光度仪对活细胞量进行评价。该试验方法科学、操作简易,试验结果表达直观。本实验选择4 个浸提液浓度, 1、 3、 5 d的吸光度值均与阴性对照组无明显差异,复合材料无明显细胞毒性作用。

3.2 口腔黏膜刺激试验

评价与口腔黏膜接触的材料对口腔黏膜的刺激作用。对于牙科材料来说,该试验不仅是生物材料安全性检测所要求的内容,更可以模拟临床,建立动物模型。根据组织病理学检测结果显示,未见上皮增生及炎细胞浸润,试验组与阴性组无明显差异,对黏膜无刺激作用。

3.3 致敏试验

致敏试验是评价复合材料对皮肤潜在的致敏性。致敏试验最常见的2 种方法是最大剂量法和局部封闭敷贴法,当需要利用材料浸提液进行试验时,最大剂量法是首选。本实验根据GB/T16886.10-2005标准,采用最大剂量法,阴性对照组及试验组豚鼠腹部均未见明显红斑及水肿,而阳性对照组出现了水肿及暗紫色焦痂,试验组与阳性对照组有明显的差异,而与阴性对照组无明显差别,因此该材料无皮肤致敏性。

3.4 溶血试验

溶血试验是评价材料体外急性溶血活性、鉴定血液相容性的最基本方法,能敏感地反映试样对红细胞的影响,被认为是材料生物相容性评价一个重要补充试验[16]。本实验中种植体植入兔股骨内直接与血液接触,如果材料当中含有溶血成分,可引起红细胞破坏从而导致血红蛋白释放,继而造成游离血浆血红蛋白增加,对机体产生毒副作用。试验结果显示材料的溶血率在5%以下,可认为该复合材料无溶血性,血液相容性良好。

综上所述,通过对钛合金/多壁碳纳米管/纳米羟基磷灰石体积比10 ∶1.7 ∶1微波烧结而成的复合材料的4项生物学性能检测,结果表明复合材料无细胞毒性,对黏膜无刺激性,对皮肤无致敏性,无溶血活性,可以初步认为该复合材料具有良好的生物安全性。

摘要：目的:初步评价微波烧结工艺制作由钛合金/多壁碳纳米管/纳米羟基磷灰石体积比10∶1.7∶1烧结而成的复合材料的生物安全性。方法:参照国标GB/T16886.5-2003、GB/T16886.10-2005以及医疗行业标准YY/T 0127.1-93、YY/T0279-1995所规定的方法,对复合材料进行体内与体外试验,分别为细胞毒性试验、致敏试验、溶血试验以及黏膜刺激试验。结果:体外细胞毒性试验结果显示复合材料无明显细胞毒性作用,致敏试验显示无皮肤致敏性,溶血率3.2%,口腔黏膜刺激试验结果显示对仓鼠颊黏膜无刺激作用。结论:采用微波快速烧结工艺处理的钛合金/多壁碳纳米管/纳米羟基磷灰石(体积比10∶1.7∶1)复合涂层材料显示了良好的生物安全性。

吸收性止血生物材料的体外凝血作用 第5篇

【摘要】目的：通过研究吸收性止血生物材料（PS）的体外促凝作用，以初步确定其市场开发价值。方法：本试验通过制备家兔心脏抗凝血，在平皿中央滴加抗凝血，加CaCl2搅匀后立即撒上0g、0.025 g、0.05 g和0.1 g PS，测定作用0 min、5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min后的凝血的洗液在541 nm处的OD值，并计算各个值与0 min时的比值（%）。结果：0.05 g PS的全凝时间为10 min，0.1 g PS的全凝时间为5 min。随着PS剂量的增大，凝血程度越大，且具有显著性差异（P<0.05）。结论：吸收性止血生物材料在体外有较强的促凝作用，其凝血作用具有剂量依赖性。

【关键词】吸收性止血生物材料；多聚糖；体外凝血

【中图分类号】R475.3+2【文献标志码】 A【文章编号】1007-8517（2014）02-0051-01

吸收性止血生物材料，是来源于马铃薯的一种纯化的植物淀粉，经特殊工艺制成的微孔球状多聚糖。相关研究表明[1-2]，类似结构的生物材料均可通过强大的吸水性和吸附凝血成分的效应加速内源性凝血过程，适用于外科手术中对毛细血管、静脉和动脉血管进行止血。

1材料

1.1供试品吸收性止血生物材料（PS），批号20110718，规格1 g/支，白色粉末，在显微镜下呈微孔多聚糖的颗粒，呈圆形或卵圆形，由江苏天麟生物医药科技有限公司提供。

1.2主要试剂柠檬酸三钠，批号F20070110，国药集团化学试剂有限公司；无水氯化钙，批号1202082，西陇化工股份有限公司。

1.3主要仪器分光光度计，型号UV-2000，尤尼柯（上海）仪器有限公司；超净水机，型号F3JN77433，Millipore中国公司；电子天平，型号BS124S，赛多利斯科学仪器有限公司。

2方法

家兔心脏采血9mL，加8.5%柠檬酸三钠溶液1mL，混匀制成兔抗凝血备用。取平皿28个，在平皿中央分别滴加兔抗凝血0.1mL，其中阴性对照组加0.05mL 0.1mol/L的CaCl2，搅匀后立即计时。供试品组同样加CaCl2，搅匀后立即均匀地撒上PS（0.025g、0.05g或0.1g），计时。

分别于0、5、10、20、30、40、50min用量筒取30mL超纯水缓慢冲洗平皿，洗液放置30min后于541nm处测定OD值。本试验设定0min时的OD值为100%，当某一时间的OD值小于0min的OD值的80%时为初凝时间，OD值小于0min的OD值的20%时为全凝时间。试验重复3次，取平均值。数据进行方差分析，各组间进行Tukey's多重比较。

3结果与讨论

由表1可见，从5min到50min，随着PS剂量的增大，凝血程度越大，且具有显著性差异（P<0.05）。但是从20min起，低剂量组的效果与阴性对照组无显著性差异，而中剂量组和高剂量组与阴性对照组相比一直有显著的差异，显示了较强的促凝效果。图1更为直观地说明了以上结果。PS0.025g的凝血作用是阴性对照组的5倍以上，PS0.05g的凝血作用是阴性对照组的10倍以上。

4结论

该体外凝血试验说明，吸收性止血生物材料在体外有较强的促凝血作用，其凝血作用具有一定的剂量依赖性，以PS0.1g效果最好，5min内迅速促进血液凝结，具有良好的市场开发前景。

参考文献

[1]王玉挺，宋祖军，王伟，等.多聚糖止血颗粒对兔股动脉出血的止血效果观察[J].现代生物医学进展，2011，11（10）：1855-1857.

[2]王白石，杨红岩，晏晓青，等.微孔多聚糖材料用于体表创腔止血效果评价[J].医疗卫生装备， 2012， 33（4）： 80-81.

纳米材料的生物安全性 第6篇

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下, 中国科学院化学研究所分子动态与稳态结构国家重点实验室自由基与生命科学课题组研究人员在有关纳米金的生物负效应研究方面有了新发现。

自由基的氧化损伤是构成细胞毒性的机理之一。研究人员以纳米金与血液的相互作用为切入点, 深入研究了纳米金与血液中内源性多肽的相互作用。实验发现纳米金可以促使血液中NO含量迅速提高。进一步研究表明, 该现象起因于血液中内源性亚硝基化的巯基蛋白 (或多肽) 与纳米金通过Au-S键相互作用时, 释放出活性的一氧化氮 (NO) 。在细胞内部, 释放的NO极可能与超氧阴离子 (O2-) 发生反应生成氧化活性强、破坏性更大的过氧亚硝基阴离子 (ONOO-) , 从而诱发一系列的氧化应激效应。

这一发现对纳米金作为生物探针、药物的载体及赋型剂在细胞或生物体内的应用给予了警示。此项工作得到高度评价, 认为此项工作对纳米金在生物医学中的应用和与NO相关的研究具有非常重要的意义。

生物纳米材料的研究进展 第7篇

一、国内外生物纳米材料的研究进展

现代材料科学在亚微米与纳米水平的合成与控制方面不断取得进展，使得制造具有一定特性的功能材料成为可能。在纳米水平，生物材料展现出新的特性。材料科学与生物学之间的交叉领域已成为新的研究前沿。

1．生物芯片材料

生物芯片是一个正在发展中的技术，对遗传诊断、药物发现及基础研究等方面具有重大影响，它的发展取决于生物纳米材料。它的主要进展包括两方面：一方面是纳米复合材料在生物芯片制备方面的应用，增强核酸、蛋白质与片基之间静态与动态的粘附力，促进小型化、高分辨率与多功能。另一方面，生物芯片已拓宽它的应用范围，如植物药有效成分的高通量筛选，癌症等的临床疾病诊断，作为细胞内部信号的传感器。

无论是蛋白质芯片还是DNA芯片，目前和今后一个重要的发展方向是芯片集成度的提高。即生物分子阵列从微米尺度向亚微米和纳米尺度发展，其组装从二维平面向三维空间发展，相应的检测技术则从普通的荧光显微术向扫描共聚焦荧光显微术及纳米显微术发展。

2. 纳米生物仿生材料

纳米仿生材料的研究集中在力学形变、微结构与功能方面。阐明生物纳米材料的生化过程、力学形变与运动规律有助于生物仿生材料的设计与制造。

坚果壳提供了过量储层钙与周期性间隔处理钙的有效机制，在仿生材料设计方面具有应用前景。

蜘蛛是一个制造丝蛋白的家族。这种丝经历了数千年的进化，其结构已被优化修饰。这种丝具有平衡的硬度、强度与延展性，已被用作原子力学显微镜的探针。重组的蜘蛛丝已被用作纺纱纤维。丝纤维的生物仿生矿化过程已被用于制造特殊功能的生物复合材料。

磁性细菌能够控制磁铁的生物矿化过程。在软体动物的损伤修复期间，其组织再生涉及到壳生物材料的沉积。

昆虫的粘附系统由生物纳米材料组成。该系统的摩擦特性与材料的结构及性质有关。由于由很多纳米颗粒组成，导致粘附摩擦力成几何级数增加所以，昆虫能够在玻璃等物上粘附住，而不掉下来生物陶瓷与聚合体材料的特性，通过不同排列方式植入纤维而得以优化其力学性能并修饰其结构。

3. 生物纳米马达

生物马达分子也称作纳米机器。它们在肌肉收缩，细胞移动、分化，囊泡转运，信号转导，DNA复制、卷曲与翻译方面起着重要作用。马达分子主要分为actin网络、kinesin与dynein超家族和与DNA相互作用的蛋白质，ATP合成酶，和DNA与蛋白质相互作用的马达分子。生物马达分子的力学化学相互转变的机制可用于功能性纳米装置的设计与制造。

4. 核酸与蛋白质材料

核酸包括DNA与RNA。DNA是一个直径为3.4nm的双螺旋双链。DNA是构建大分子的最佳材料。因为它易合成，具有高度特异性与柔韧性。蛋白质是制备纳米机器的天然材料。蛋白质构建的分子机器，在细胞中大量存在。肽分子在液体中经过自组织程序，可形成纳米水平的超分子结构，如胶态离子、囊泡、单向膜与微管等。

5. 生物纳米传感器

生物系统拥有一些独特的能力，如控制晶体结构、相的方向与对无机材料纳米结构的调节，识别与材料特异结合的蛋白，如半导体Wafers、半导体与磁性纳米粒子、碳纳米管与传导性聚合体。生物分子固有的自组织、高选择特性可被用于制造纳米传感器。已有多种纳米传感器出现，有种能探测单个活细胞的纳米探针，可插入活细胞内，探知会导致肿瘤的早期DNA损伤程度。把纳米颗粒引入敏感膜制备中，则生物传感器灵敏度等性能有极大的提高。

6. 生物兼容性界面材料

很多纳米材料，如纳米粒子、纳米管、核酸、纳米多肽等具有巨大的临床应用潜力。纳米材料在临床应用的一个主要问题是这些材料能否被机体免疫系统接受。生物兼容性意指控制与生物组织相接触的材料行为的一系列复杂的理化与生物学反应过程。

7. 纳米药物递送系统

生物纳米材料科学已展示出激动人心的前景。此领域最终目标是在纳米水平制造功能性生物材料。探索生物纳米材料可以更好地理解生命科学与材料科学交叉领域的根本原理。这些原理可用于设计与制造各种纳米装置。生物纳米材料已有了巨大的商业市场。生命科学产品在全球创造了每年1000亿美元的利润，据英国纳米技术研究所统计，目前纳米特征的产品只占总量的1%，随着生物纳米技术的快速发展，这个百分数在不远的未来将呈指数增长。研究开发新产品的驱动力日益增强，对生物医学的创新正越来越集中在纳米技术与传统技术的整合方面，在不远的将来，纳米装置将很可能改变我们的生活。

二、生物纳米材料的应用

1. 活的电线

在很多方面，DNA几乎是构筑纳米尺度结构的理想材料。近来，科学家通过在DNA的表面覆盖金属原子的培植方法，合成了导电的DNA链。然而，由于DNA完全被金属覆盖，仅起一种支架的作用，不再具备选择性结合其它生物分子这一很有价值的特性。Saskatchewan大学的研究者逐渐发现了将DNA发展成新一代生物传感器和半导体导线的途径。生物化学教授JeremyLee实验室的研究者发现DNA很容易把锌、镍、钴等离子并入它的双螺旋的中心，并找到了在高pH值等基本条件下，稳定DNA含有金属离子的状态，获得了新的DNA导电体。并且，此类金属DNA仍然保持选择性结合其它分子的能力。正在开发的应用之一是遗传畸变探测生物传感器。类似于其它的DNA探测，在此传感器上装配上所要探测的特制DNA序列。在此，DNA链是导电的。杂交DNA所引起的删除或变化，均起阻碍电流的作用，计算机能够简单地通过测量电导的变化，来识别DNA的异常。

这种生物传感器还能用于鉴别混合物，如：环境毒素、毒品、或蛋白质等，当这类分子结合到金属DNA上，将把金属离子排斥出来，导致电流中断。由于，信号强度的减小正比于污染物的浓度，所以，能够很容易地确定环境毒素的量。金属DNA还可以用于筛选结合于DNA的抗肿瘤药物，用作微细半导体线路的导线等。

2. 组织工程中的纳米生物材料

材料支架在组织工程中起重要作用，因为贴壁依赖型细胞只有在材料上粘附后，才能生长和分化。模仿天然的细胞外基质--胶原的结构，制成的含纳米纤维的生物可降解材料已开始应用于组织工程的体外及动物实验，并将具良好的应用前景。国内清华大学研究开发的纳米级羟基磷灰石/胶原复合物在组成上模仿了天然骨基质中无机和有机成分，其纳米级的微结构类似于天然骨基质。多孔的纳米羟基磷灰石/胶原复合物形成的三维支架为成骨细胞提供了与体内相似的微环境。细胞在该支架上能很好地生长并能分泌骨基质。体外及动物实验表明，此种羟基磷灰石/胶原复合物是良好的骨修复纳米生物材料。

通过以上所述，可以明显地看出纳米医学、纳米生物技术和纳米生物材料等内容，并无明显的界线，可以说是相互交叉、相互依赖、共同发展的。这正是纳米生物工程的含义。随着进入21世纪，纳米技术的发展将使今天的科学幻想成为明天世人普遍接受的实用技术。

3. 紫膜一种神奇的生物纳米材料

从20世纪70年代初发现嗜盐菌的紫膜以来，引起了许多科学家的关注，并对此进行了全方位的研究。据不完全统计，仅就紫膜这一领域已发表有关学术论文5000余篇，每年在Nature, Science等高水平刊物都有数量不少的论文发表。

由于细菌视紫红质在紫膜中有独特的结构和功能，所以无论在光能转换机理研究方面，还是作为纳米生物材料的应用方面都具有十分重要的意义。目前它在国际市场上的价格是每公斤将近l亿美元，相当于黄金价格的l万倍。

紫膜的功能特性包括光化学循环，质子泵功能，光电响应。紫膜的结构和功能的特点决定了紫膜材料可作为优良的纳米生物材料之一。其结构上的稳定性是一般的生物材料不可能达到的。紫膜作为纳米生物材料可用于构造生物分子器件的内在原因在于：第一，光驱动质子泵的功能可实现太阳能转换成化学能和电能;第二，光照产生的分子内的电荷分离产生的光电特性可制成光电子器件;第三，细菌视紫红质光循环中间体之间产生的光致变色特性可用于光子器件。

在纳米生物器件可能的应用前景方面，最为突出的是细菌视紫红质的光致变色性能、瞬态光电响应性能和非线性光学性能。在光致变色性能方面有望用于光学信息处理和光储存;生物芯片和生物计算机;全息照相和存储;边缘增强器;光模式识别;三维光记忆;傅里叶变换和处理;神经网络;光相关转换和相关器;光逻辑门和二进制光记忆;光寻址直接显示器。

在瞬态光电响应方面有望用于光开关和光电探测器;太阳能电池;超快光电二极管;仿视觉功能人工视网膜、人工感受野;图像传感器、运动探测和像边检测。

在非线性光学方面有望用于光过滤包括振幅滤波、光学图像单调滤波;相位共扼;光压器件;二次谐波发生器;空间光调制器;光晶体管和离子敏感的场效应晶体管。

紫膜的研究需要生物学、化学、物理学、计算机科学、半导体和电子学等多学科的交叉和融合，才能结出硕果。我们期待着这一天的到来。

三、结束语

纳米材料的生物安全性 第8篇

关键词：纳米材料,纳米技术,生物,医学,生物毒性

纳米材料是指尺度在1nm—100nm范围内的材料。纳米技术是指在纳米尺度范围内, 操纵原子、分子或原子团、分子团, 使它们重新排列组合, 创造具有特定功能的新物质的科学技术。纳米材料的研究和纳米技术在最近几年得到了广泛的重视和发展。纳米材料主要表现为表面与界面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等。在实际应用中具有很多特殊的效果, 比如表面积大、表面活性中心多、表面反应活性高、强烈的吸附能力、较高催化能力、低毒性以及不易受体内和细胞内各种酶降解等。这些特殊的表现, 使得其在生物医学方面得到广泛的应用。

应用于生物体内的纳米材料, 它本身既可以是具有生物活性, 也可以不具有生物活性, 但它在满足使用需要时还必须易于被生物体接受, 而不引起不良反应。目前纳米材料在这方面的应用十分的广泛, 如生物芯片、纳米生物探针、细胞分离和染色技术、作为药物或基因载体等很多领域。

1 生物芯片

生物芯片是在很小几何尺度的表面上, 装配一种或集成多种生物活性, 仅用微量生理或生物采样即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性以及它们之间的相互作用, 从而获得生命微观活动的规律。其主要分为蛋白质芯片和基因芯片 (即DNA芯片) 两类, 具有集成、并行和快速检测的优点, 其发展的最终目标是将样品制备、生化反应到分析检测的全过程集成化以获得所谓的微型全分析系统。纳米基因芯片技术正是利用了大多数生物分子自身所带的正或负电荷, 将电流加到测试板上使分子迅速运动并集中, 通过电子学技术, 分子在纳米基因芯片上的结合速度比传统方法提高一千倍。与常规技术相比, 纳米基因芯片具有很多优点, 如微电子技术使带电荷的分子运动速度加快, 分子杂交仅以分钟计时, 而非传统技术的以小时计;灵活性强, 测试基板可安排为各种点阵结构, 可同时对一个样本进行多种测试, 分析多种测试结果;用户容易按自己的要求建立测试点阵;可现场进行置换扩增, 使测试敏感, 更有力度等等。生物芯片最典型的应用就是进行分子诊断, 用于基因研究和传染病研究等等。

2 纳米生物探针

纳米探针是一种探测单个活细胞的纳米传感器, 探头尺寸仅为纳米量级, 当它插入活细胞时, 可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。一些高选择性和高灵敏度的纳米传感器可以用于探测很多细胞化学物质, 可以监控活细胞的蛋白质和感兴趣的其他生物化学物质。还可以探测基因表达和靶细胞的蛋白生成, 用于筛选微量药物, 以确定那种药物能够最有效地阻止细胞内致病蛋白的活动。随着纳米技术的进步, 最终实现评定单个细胞的健康状况。使用能够接受激光产生荧光的半导体量子点 (一种半导体纳米微晶粒) , 可以改善由于传统有机荧光物质激发光谱范围窄、发射峰宽而且容易脱尾等现象。使用纳米生物荧光探针可以快速准确的选择性标记目标生物分子, 灵敏测试细胞内的失踪剂, 标记细胞, 也可以用于细胞表面的标记研究。此外进行其它改造可以用以检测很多其他东西, 如有人选用葡萄糖包覆超顺磁性的Fe3O4纳米粒子, 通过葡萄糖表面的酞基化实现与抗体的偶联, 制得Fe3O4/葡萄糖/抗体磁性纳米生物探针, 将此探针进行层析实验, 结果表明, 该探针完全适用于快速免疫检测的需要。

3 细胞分离和染色技术

血液中红细胞的大小为6000 nm—9000 nm, 一般细菌的长度为2000 nm—3000 nm, 引起人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米, 因此, 纳米微粒的尺寸比生物体内的细胞和红细胞小的多, 这就为生物学研究提供了一条新的途径, 即利用纳米颗粒进行细胞分离和细胞染色等。如研究表明, 用SiO2纳米颗粒可进行细胞分离。在SiO2纳米颗粒表面, 包覆一层与待分离细胞有较好亲和作用的物质, 这种纳米颗粒可以分散在含多种细胞的胶体溶液, 通过离心技术使细胞分离。这种方法有明显的优点和实用价值。使用不同的纳米颗粒与抗体的复合体与细胞、某些组织器官和骨骼系统相结合, 就相当于给组织贴上了标签, 利用显微技术可以分辨各种组织, 即用纳米颗粒进行细胞染色技术。

4 作为药物或基因载体

传统的给药方式主要是口服和注射。但是, 新型药物的开发, 特别是蛋白质、核酸等生物药物, 要求有新的载体和药物输送技术, 以尽可能降低药物的副作用, 并获得更好的药效。粒子的尺寸直接影响药物输送系统的有效性。纳米结构的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术, 具有提高药物的生物可利用度、改进药物的时间控制释放性能、以及使药物分子精确定位的潜能。纳米结构的药物输送系统的优势体现在能够直接将药物分子运送到细胞中, 而且可以通过健康组织把药物送到肿瘤等靶组织。如通过制备大于正常健康组织的细胞间隙、小于肿瘤组织内孔隙的载药纳米粒子, 就可以把治疗药物选择性地输送到肿瘤组织中去。当前研究的用于药物输送的纳米粒子主要包括生物型粒子、合成高分子粒子、硅基粒子、碳基粒子以及金属粒子等。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, 有助干核苷酸转染细胞, 并可起到定位作用, 能够靶向输送核苷酸等。还可以对于一些药材, 如中药加工成由纳米级颗粒组成的药, 有助于人体的吸收。

纳米材料和技术在生物医学上的应用远不止上面提到的这些, 如纳米人工骨的研究成功, 并已进行临床试验。功能性纳米粒子与生物大分子如多肽、蛋白质、核酸共价结合, 在靶向药物输运和控制释放、基因治疗、癌症的早期诊断与治疗、生物芯片和生物传感器等许多方面显示出诱人的应用前景和理论研究价值。

纳米材料和纳米技术在生物医学方面的应用令人们感到欣喜, 但仍有着我们不能忽视的问题, 那就是纳米材料对生物体的不利的一面。由于纳米材料尺寸小, 其化学组成、尺寸的分布、形状及表面性质对于其生物效应均起着至关重要的作用, 但我们还没有充分的对它们各自的毒性进行了解。如将人类上皮角质细胞暴露在碳纳米管中达18h后, 可以观察到自由基形成、过氧化物的聚积、抗氧化物质的枯竭以及细胞活力的丧失, 此外细胞也发生了超微结构和形态学的变化。目前研究人员正在逐步形成一个共识, 即对纳米粒子的物理化学性质、所处环境及其在该环境中的存在状态进行充分的表征是开展毒理学研究和建立新的评价体系的一个关键的前提条件。

纳米材料的生物安全性 第9篇

1碳纳米材料在医学生物领域的应用现状分析

(1) 组织工程中的应用碳纳米材料尤其是碳纳米管道的使用有效的解决了组织修复中存在的一些问题。碳纳米管作为一种新型的纳米材料分为单壁纳米管、双壁纳米管和多壁纳米管三种类型。它独特的理化特性, 如具有很高的强度和韧度, 是一种超强的增强材料。目前, 碳纳米材料在骨组织工程中的应用取得了重大的进步, 碳纳米材料在使用的过程中, 为骨骼细胞的吸附、生长提供了良好的支撑。众所周知, 羟基磷灰石作为骨骼生长的成分之一, 它的力学能力比较弱, 并不能用作重新植入材料的依附载体。所以, 科学家为了解决这一难题, 将纳米材料和羟基磷灰石结合起来, 在保持其生物性能不变的情况下, 有力的提高了其力学性能, 大大弥补了羟基磷灰石力学性能弱的特点。这种使用方法为骨组织的修复提供了充足的条件。此外, 在富勒烯的发明下有效的抑制了骨细胞的分化, 为关节炎及滑膜炎的治疗起了重要的作用。

(2) 神经组织工程中的应用由于碳纳米管具有很强的韧度和力度, 而且具有较高的电学、磁学、吸收的性能, 这一特点引起了神经领域方面专家的极大兴趣。在生物学领域的应用中, 碳纳米管的应用很好的修复了神经缺损的运动技能, 而且, 相关专家发现在进行此项神经修复手术后发现, 再生神经电生理与组织学指标检测结果与自体神经移植材料的功能作用的发挥基本上相符合。这一发现, 大大证明了碳纳米管复合型材料是到目前为止修复周围神经的最理想的材料。此外, 在现今医学领域阿尔茨海默病俗称老年痴呆症的出现, 也给医学领域的发展带来了极大的挑战, 碳纳米材料的研究使用发现, 其中一种重要的类型富勒烯具有清除自由基的能力, 其在神经系统中的应用能够有效的减少神经元的死亡, 抑制神经细胞的衰老、分化, 对神经组织周围的氧自由基的清除起着关键的作用, 保护神经组织不受损害, 并能够有效的抑制谷氨酸受体作用的发挥, 对脑缺血损伤等神经疾病的治疗有着重要的作用。

(3) 药物、基因在体中碳纳米材料的使用碳纳米管由于其物理特性的独特, 在承载生物特异性分子、运输药物等方面发挥着重要的作用。虽然这一应用成就无可否认, 但是碳纳米材料不能溶于任何溶剂的特点, 也极大的限制了其应用领域的拓展。在科学家不断的研究下, 对碳纳米材料外壁进行修复, 力图改变其发展特点, 现今, 碳纳米材料在运输药物的时候具有很强的穿透性, 并能提高药物在血液中停留的时间, 极大的提高了药物作用发挥的时间, 这一方面的优势在抑制肿瘤细胞, 治疗癌症方面具有很大的突破。此外, 富勒烯的应用能够穿过一些生物屏障, 到达一些药物不能到达的人体组织及各个细胞中, 为医学领域疾病治疗的突破提供重要的药物运输载体。

2碳纳米材料在基因载体、生物成像等其他方面也发挥着重要的作用

笔者只是针对碳纳米材料在骨组织、神经组织、药物载体中的应用进行了具体的论述, 下面笔者将对碳纳米材料的未来发展前景作出简要的叙述。

(1) 由于现今世界上获得肿瘤疾病的人大有所在, 而且, 目前针对癌症的治疗并没有研究处重要的解决办法。而且, 随着现今环境的不断恶化, 人类生存质量的下降, 癌症的发病率正在处于逐年上升的趋势, 针对这一发展现状, 碳纳米材料在未来的人类战胜癌症的治疗中发挥着重要的作用。 (2) 上文作者提到过, 碳纳米材料虽然在众多的领域取得了重要的发展成果, 但是其引起的安全问题成为热议的话题。如碳纳米材料在人体中的使用会发生排异反应、中毒症状等不良反应的出现。所以, 在未来碳纳米材料等的使用时, 应针对其安全性问题事先进行评估预测, 并积极研究克服负面效应的办法, 以保证碳纳米材料在未来的使用中能够取得更大的进展。

3结语

综上所涉, 碳纳米材料在生物医学领域的发展取得了重大的进步, 但是其应用的安全性问题尚未解决, 所以, 相关研究人员必须在化学、生物学等各个学科的鼎力相助下共同为碳纳米材料的进一步发展清除障碍, 使碳纳米材料更好的为人类做贡献。

摘要：纳米材料的发明及使用在世界上的影响范围是非常大的, 且引起了生产领域的重大变化。碳纳米材料作为纳米材料的一种, 由于其独特的物理特性和化学特性, 在生物学领域的应用研究非常的广泛, 同时, 碳纳米材料的使用有效的促进了生物学领域的发展, 为人类的生产生活带来了重大的变革。本文写作的关键是对碳纳米材料在生物学领域的发展现状进行简要的分析及对其未来的发展前景做了简要的论述。

关键词：碳纳米材料,生物学领域,现状,展望

参考文献

[1]张金超.碳纳米材料在生物医学领域的应用现状及未来展望[J].化学进展, 2013, (08) .

[2]王冬华.纳米材料在生物医学领域的应用[J].合成材料来华与应用, 2015, (10) .

纳米材料的生物安全性 第10篇

天然生物材料大都具有微观复合和宏观完美的结构。人类社会文明的发展和材料科学技术的发展紧密相关。用于社会生产的材料每一次重大革新和进步都使人类社会文明向前发展一步。生命科学与材料科学相融合,启迪人们从生命科学的柔性和广阔视角思考材料科学与工程问题。材料科学与生命科学融合,涵盖了许多核心科学问题,主要包括:材料系统的开放;能量、物质和信息的传输与交换;材料与生物体的相容性;材料与生物体复合体系的阶层结构与功能构建;生物大分子相互作用对细胞行为控制介导、材料设计以及转基因植物与材料制备等。这些科学问题的研究进展将为材料科学的发展提供新机遇,并且孕育着新理论、新材料与新技术的诞生[1,2,3]。天然生物材料具有的精妙结构和形态吸引了众多的工程结构设计者和材料科学家们的兴趣[4]。人们也已开展了天然生物材料的结构仿生以及模仿生物体形成中形成材料的过程仿生、模拟生物材料和系统的功能仿生研究,其成果在航空材料、生物医用材料和纺织材料等方面得到了广泛应用。

1 结构特征及相应的仿生材料

仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、竹纤维仿生材料、植物根部的网状结构和纳米仿生材料等。它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化和环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。

1.1 贝壳仿生材料

贝壳结构中的珍珠层属天然复合材料,其中95%(体积分数)是片状文石,其余5%是蛋白质多糖基体。这些文石片交错排列成层,文石间填充着有机基体。单个文石晶片是微米级的单晶,其间嵌合有孪晶和非晶区。珍珠层中的文石晶体C轴取向一致,与珍珠层垂直。根据珍珠层中文石板片的排列方式,通常将其分为砌砖型(brick wall)和堆垛型(columnar-stack) 两类。砌砖型结构主要存在于双壳类中,其生长呈现叠瓦状排列,微层以类似阶梯的方式重叠。新生晶体沉积在步阶的边缘,通过横向延伸与微层聚合,在纵断而上,文石板片的轴心呈无规则排列状态。堆垛型结构主要存在于腹足类中,在生长处呈现均匀排列的堆垛状结构,新生晶体沉积在堆垛的顶端。由于不同微层的晶体在横向的生长速度近似相等,使得堆垛保持了锥形形貌。在同一堆垛中,纵向相邻的文石板片中心位置基本一致,仅在水平方向有20~100 nm的偏置与有机基质层中微孔的偏移相对应[3,5]。

珍珠层文石晶体与有机基质的交替叠层排列方式是其高韧性的关键所在。根据这一原理把SiC薄片涂以石墨胶体,沉积烧结成复合叠层材料。该材料的破裂韧性有了极大提高,破裂功提高了约100倍。采用叠层热压成型制备的SiC/Al增韧复合材料,其断裂韧性比无机SiC提高了2~5倍。制备的Si3N4 /BN叠层复合材料,其破裂韧性达28MPam1/2,破裂功超过4kJ/m2。Jackson等在研究TiN/Pt叠层微组装材料时发现:合成材料的硬度和韧性取决于TiN和Pt层的厚度,一定的TiN和Pt层厚度会使材料的硬度和韧性得到最佳结合。这样的材料不仅具有陶瓷材料的强度和化学稳定性,而且具有金属材料的抗冲击能力。当一层膜厚度达到纳米级时,有可能发生特殊的尺寸效应,这是一个非常值得深入追踪的领域。利用这一特点,可以开发出新型的超硬材料,在减摩和耐磨等方面加以应用。目前,在纳米多层膜的研究中,一方面是更广泛地探索不同材料间的纳米组合,以寻求稳定的、具有超硬效应的材料系统;另一方面开展相应的理论研究,以增进对超硬现象的物理本质的认识。

1.2 蜘蛛丝仿生材料

从20世纪90年代开始,美国投入很大力量从事这项研究工作,并已取得许多重要成果。蜘蛛丝是庞大天然生物材料中的一员。天然蜘蛛丝是世界上最结实、坚韧的纤维之一,具有极好的机械强度,其强度远高于蚕丝和涤纶等,刚性和强度低于KFVIAR和钢材,但其断裂能位于各纤维之首,高于KFVIAR和钢材。因此,它比高强度钢或用来制作防弹服的KFVIAR纤维更坚韧,且更具有弹性,质量又轻。据科学家计算,一根铅笔粗细的蜘蛛丝束,能够使一架正在飞行的波音747飞机停下来。

与人造纤维相比,蜘蛛产生纤维的过程和纤维本身对人类与环境都是友好的。蜘蛛丝还具有高弹性、高柔韧性和较高的干湿模量,是人们已知的世界上性能最优良的纤维。此外,蜘蛛丝还具有信息传导和反射紫外线等功能。蜘蛛丝的组成单元均为甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸。与蚕丝相比.蜘蛛丝中含有较多的谷氨酸和脯氨酸等。在蜘蛛丝中含结晶区和非结晶区,结晶度为蚕丝的55%~60%。结晶区主要有聚丙氨酸链段,为β折叠链;非结晶区由甘氨酸和丙氨酸以外的氨基酸组成,大多呈双螺旋结构。

1997年,Dupont(Canada)公司已分别在大肠杆菌和酵母中发现了蜘蛛丝蛋白质。同年取出蜘蛛的产丝腺体,查看所制造蜘蛛丝的蛋白质代码,测得蜘蛛丝完整的基因,并将这种人造基因移植至大肠杆菌或酵母菌发酵罐生产,达到每吨培养液产出数千克蜘蛛丝蛋白,将这种蛋白质溶解在一种溶剂中,利用类似于蜘蛛吐丝的纺织技术制成纤维[6]。

加拿大魁北克的科学家将人工合成的蜘蛛蛋白质基因植入山羊的乳腺细胞中。不久,基因被改变的山羊产出的奶中就含有了蜘蛛丝的蛋白质[7]。加拿大Nexia生物技术公司总裁杰夫特纳说,这种蛋白质能够制造出轻得令人难以置信的织物,其强度可挡住子弹,还可降解,这种材料被称之为“生物钢”。生物化学家们认为,“生物钢”有广阔的应用前景,它在任何方面都优于石油化工产品。

1.3 骨骼仿生材料

脊椎动物的骨是天然有机-无机复合材料。骨主要由水、有机物和无机盐组成。有机物中约90%是胶原蛋白,还有少量的非胶原蛋白、多糖和酯类等。无机盐中磷酸钙类矿物占骨质量的60%~70%,最主要的是羟基磷灰石(HA),此外还存在非晶磷酸钙(ACP)、磷酸八钙(OCP)和二水磷酸氢钙(DCPD)等,它们被认为是磷灰石的前体相而存在。骨的主体骨架是胶原纤维结构,片状的纳米无机晶体填充于其中。TEM研究表明,板状晶体的轴与胶原纤维的长轴呈平行排列,晶体a轴垂直于胶原纤维的长轴,骨中有机相与无机晶体间巧妙组装,使得骨具有普通磷酸钙无与伦比的强度和韧性。

骨仿生初期主要是成分和结构仿生。由于骨主要是以羟基磷灰石为主的磷酸钙构成,所以最早的仿生思想是制造以羟基磷灰石为主的骨修复和替代材料。因其生物相容性出众,羟基磷灰石迅速在骨修复材料领域中占了一席之地,但由于力学性能较差,脆性太大,骨诱导作用弱,人们不断地提出了改进措施。

冯庆玲和崔福斋等根据天然骨的结构特征仿生合成了纳米羟基磷灰石/胶原复合骨替代材料,并检测了其对骨的修复性能[8]。结果表明,此复合材料成分与微结构具有天然骨的某些特征。用此复合材料压制成的致密种植体植入骨髓腔后,可被骨内部吸收,并诱导骨组织再生,从而实现损伤或病变骨组织的永久修复。研究表明,完全可以通过仿生方法改变纳米级羟基磷灰石在胶原或者硫酸软骨素,尤其是胶原中的排列方向或结构,而形成真正的生物骨结构[9]。

1.4 竹纤维材料仿生

竹子的整体结构是由基部向上逐渐递减的圆锥形空心结构,每隔几厘米至几十厘米有一个竹节,由节的横隔壁组成纵横关联的整体,这对中空细长的竹竿的刚度和稳定性起着重要作用。带节的竹竿与不带节的竹筒相比,其抗劈开强度和横纹抗拉强度分别提高128.3%和49.1%。节子处由于维管束方向不与纵轴平行,抗拉强度有所下降,但此处组织膨胀使抗拉截面加大,而保证在外力作用下不在节子处破坏。

竹杆是典型的长纤维增强复合材料,其增强体维管束的分布是不均匀的,外层(竹青部分或表层系统)致密,体内(中部或基体系统)逐步散开,而其内层(竹黄部分或髓环)变成另一种细密结构。竹材的拉伸强度和密度曲线、杨氏模量、弯曲强度和压缩强度曲线的变化趋势与拉伸强度类似。这些性能都是在竹干的竹青部分有最高值,然后沿着厚度方向逐渐降低。对竹材的进一步研究发现,竹材的表层(竹青)的高强度和高韧性主要是竹纤维结构的优越性所致。竹纤维的精细结构包含多层厚薄相同的层,每层中的微纤丝以不同升角分布,与纤维的交角通常厚层为3°~10°,薄层为30°~45°。不同层面的界面内的升角逐渐变化,意味着可以避免几何和物理的突变,因而相邻层面的结合可以大为改善。同时,外层厚度的增加使得竹材正向刚度有少量降低,但切向刚度会大幅度增加。

根据毛竹外密内疏的结构特性,孙守金[10]等用连续电镀法在碳纤维上镀Fe和Ni,制备了镀Cu-Fe或Cu-Ni的双层碳纤维,用它们分别制备了CF/Cu-Fe和CF/Cu Ni复合材料。与Vf相近的CF/Cu复合材料相比,这种新型的复合材料的弯曲强度和导电性能都有显著的提高。刘文川等制备了SiC包裹碳纤维的梯度基复合材料,发现这种材料密度低,力学性能优良和抗氧化功能突出[11]。杜金红则在气相生长纳米碳纤维表面化学镀镍,并对它的微观结构进行了研究。同时,清华大学的学者依据竹材中微纤维别具特色的层次结构,提出仿生的纤维双螺旋模型。实验表明,其压缩变形比普通纤维的提高3倍。

1.5 植物根部的网状结构和仿生材料

人们研究植物根部的网状结构,提出了分形树纤维结构模型。在验证试验模型中发现,纤维拔出的力与能量随分叉级数增多和分叉角变大而增大,突破了传统材料的提高强度要以降低韧性为代价的概念,并在试验中证实了通过改变纤维的结构可以同时增加复合材料的强度和韧性。

周本廉等进行了仿根状结构复合材料的研制。结果表明,具有分叉结构的纤维拔出力和拔出能随分叉角的增加而增加,且大于无分叉纤维试样。纤维对断裂功的贡献为纤维拔出的平均值,于是纤维拔出能越大,纤维对复合材料断裂韧性的贡献越大。因此,分形树结构的纤维可以提高复合材料的断裂韧性。如今仿根部网络结构已广泛在堤坝和建筑业等工程领域应用,并显示了优越的性能。同时,这个纤维模型可对材料的设计提供可贵的思路[12]。

1.6 纳米仿生材料

纳米材料(颗粒直径为1~100nm)以其体积效应和表面效应显著区别于一般的颗粒与传统的块体材料。核酸与蛋白质是执行生命功能的重要纳米成分,是最好的天然生物纳米材料。这些成分相互作用,编织了一个复杂与完美的生物世界。

生物纳米材料可分为4类,即天然纳米材料、生物仿生与人工合成的纳米材料、智能纳米复合材料、合成的纳米材料与活细胞形成的复合材料或组织工程纳米材料。纳米材料问世以后,仿生材料研究的热点已开始转向纳米仿生材料,这是因为自然界动物的筋、牙齿、软肾、皮、肾骼和昆虫表皮等都是纳米复合材料。

2 仿生材料的研究方法和发展趋势

2.1 仿生材料的定义

仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料[13]。因此,仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。从材料学的角度可以把材料仿生分为几大方面,即成分和结构仿生、过程和加工制备仿生、功能和性能仿生。仿生材料学是生命科学和材料科学的交叉前沿领域。实际上,它与化学和医学也有密切的关系。仿生材料学是涉及生物材料的组成结构、性能与制备相互关系和规律的科学,其主要目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能及形成机理基础上,发展新型医用材料,以用于人体组织器官修复与替代,发展仿生高性能工程材料。

图1表示了生物材料学与相关学科的联系。图1中:材料科学与生物学的两个圆交叉部分表示生物材料学;仿生材料学与医学的交叉部分表示仿生生物医学材料;生物材料学与工程学交叉部分表示仿生工程材料、智能材料或灵巧材料。生物材料通常有两种定义:一是指天然生物材料,也就是生物过程形成的材料,如纳构蛋白(胶原纤维或蚕丝等)和生物矿物(骨、牙或贝壳等),这种定义的内涵相当明确而固定;二是指生物医用材料,其定义随着医用材料的快速发展而演变。20世纪80年代末曾被美国Clemson大学生物材料顾问委员会定义为“与活体接合的人工非生命材料”。这是这种生物材料狭义定义的代表[5]。可以预见,随着组织工程的发展,这种生物材料的定义将逐渐增大生物过程形成材料的成分。这样,两种定义就会有越来越多的重叠。

目前,仿生材料的研究无论在结构材料方面,还是功能材料方面,都取得了一定的成果。但由于工程实施的复杂性,许多内容还处在摸索阶段。在生物力学和工程力学的衔接点上,还需要进一步的研究。从材料学的角度认识天然生物材料的结构和性能,进而抽象出更多的材料模型,这方面的工作还有待进一步的深入,而仿生材料的制备方法则是摆在面前的一个关键性的课题[14]。

2.2 材料仿生的新途径

2.2.1 功能结构一体化仿生

多功能和功能结构一体化是当今材料发展的重要特征,这在生物材料上体现的近乎完美。对其进行分析效仿要比人们凭空想象或从头试起更为合理。功能结构一体化发展到一定阶段,就是机敏材料或智能材料。

2.2.2 仿生温和制备

生物体能在常温常压下,通过分子组装和模板成型等途径,一边承载一边组装而实现所谓的温和条件下的制备。这不仅节省资源,而且不污染环境。国内外已有一些初步成功的实例,值得人们进一步尝试。

2.2.3 计算机模拟和智能化制备仿生

计算机模拟和智能制备已在材料界兴起,但大多从物理、化学、化工、机械和自动化等角度着眼,很少从生物学汲取营养。其实,生物材料的遗传基因和新陈代谢过程中蕴藏着大量值得人们效法的规律,可供人们在进行材料的计算机模拟和智能化制备中参考。

2.3 仿生材料的发展趋势

2.3.1 仿生复合材料的仿生研究

基于不同观点,通常可将复合材料划分为不同类型,如金属基、陶瓷基和高分子基复合材料,或分为连续纤维、非连续纤维、晶须、颗粒和晶片增强复合材料。当前,在结构型复合材料研究中的一些疑难问题可归纳为:连续纤维的脆性和界面设计的困难;短纤维易从基体拔出,导致增强失效;晶须长径比不易选择;寻求陶瓷基复合材料增韧方法时遇到的困难;如何找到复合材料内部损伤的愈合方法是复合材料的发展方向:由宏观复合形式向微观复合形式发展;从双元混杂复合向多元混杂和超混杂方向扩展;由结构复合材料为主向与功能复合材料和多功能复合材料并重的局面发展;由复合材料的常规设计向仿生设计和电子计算机辅助设计发展。

2.3.2 生物纤维材料

所谓生物纤维材料包括两方面的含义:首先,它是生物材料,是指“用于取代和修复活组织的天然或人造材料”,这就需要这种材料具有良好的生物相容性、生物活性和可降解性,尽量接近天然材料的性能。其主要研究方法和目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能以及形成机理基础上,发展用于人体器官修复与替代的仿生高性能工程材料。其次,它是具有特殊形态的材料-纤维材料。这种特殊的形态使得它们以特殊的功能和应用领域而成为一类。目前,对生物纤维材料的研究主要包括对天然材料的形态功能分析,利用天然材料的原料制备新型的生物纤维材料,或以其机理为指导进行仿生制备。人工的纤维结构材料在修复和替代人体组织或器官等方面都得到了广泛的研究,包括人工骨、人工韧带、人工肌腱、人工血管和人工心脏瓣膜等。因此,生物纤维材料是一类非常重要的材料,具有广泛的应用前景[15]。

2.3.3 智能材料的仿生及设计

通过对生物结构系统的研究和考察,智能材料有了可借鉴的设计及建造思想、模型和方法。从仿生学的观点出发,智能材料应具有或至少是部分具有以下一些生物智能特性:感知、反馈、信息积累和识别、学习能力和预见性、响应性、自维修、自诊断、自动动态平衡及自适应等(智能材料-材料科学的发展趋势)。

新材料的发展提供了可选择的可合成智能材料系统的组元。许多材料本身具有内禀的一些“智能”特性。例如,一些材料的性能(颜色、形态、尺寸、机械性能等)随环境或使用条件的变化而改变,具有内敛的自诊断、学习和预见能力。还有一些材料的结构或成分可随工作条件而变化,从而具有一种对环境的自适应和自调节功能。具有各种独特功能或性能,并可用于建构智能材料系统的材料正在不断丰富和完善。

利用现有的、在技术上已较为成熟的机敏材料作为组元进行复合是创构智能材料的一种技术途径。这要求采用各种最先进的材料复合技术,提出的问题都具有挑战性。要获得真正的智能材料,仅在宏观及微观尺度上的结构设计和控制是不行的,必须在纳米或分子及原子的尺度上进行人工结构组装和复合。这方面的探索具有更大的挑战性,面临的技术难题更多,但一旦有所突破,将极大地推动材料科学的发展。

正是由于智能材料的重要性,引起了各工业发达国家的重视。预计在21世纪,智能材料将引导材料科学的发展方向,其应用和发展将使人类的物质文明进入更高的阶段。智能材料的构想来源于仿生,目标是获得具有类似生物材料的结构及功能的活材料系统。智能材料应具备感知、处理和驱动等3个基本要素。它的设计、置备、加工、结构和性能表征均涉及材料科学中最前沿的领域,集中反应和代表了材料科学的最高水平与最新的发展方向。

3 结束语

破解生物之谜,研制仿生材料的路还很漫长。目前人类的研究才刚刚起步,而仿生材料的前途似锦却是毋庸置疑的。仿生材料一个重要的应用方面是生物医用材料。近10d来,生物医用材料和制品的市场一直保持20%左右的年增长率,发展态势已经可以与信息和汽车产业在世界经济中的地位相比,正成长为下一个世纪经济的一个支柱,对国民经济的发展有着不可忽视的作用。因此,采取有效的措施发展生物医用材料,已成为我国经济和社会发展的一个十分迫切的任务。仿生材料,同时也是环保性材料,对于日益恶化的生态环境来说,大力发展仿生材料是改善人类生存环境的有效措施。

摘要：自然界中一些生物体的优异结构和特性给人类在不断制造和更新新型材料的过程中带来灵感和启发。根据这些生物体的优秀特征,综述了仿生材料的主要设计思想和方法,重点分析了目前一些典型仿生材料,设计与制备研究的新进展和存在的困难,并提出一些新材料设计思想方法和制备的模型,对仿生材料的设计和研究等均具有指导意义,同时对仿生材料的发展前景进行了展望。