时间：2023-03-22 17:33:43
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1．2基于荧光共振能量转移的检测Kuningas等人［23］首次提出了基于上转换纳米材料的荧光共振能量转移分析技术（upconversionFRETAssay，UC－FRET或UC－LRET），并通过使用抗生蛋白链菌素修饰的上转换纳米材料作为能量供体，生物素化的藻胆蛋白作为能量受体实现了生物素的高灵敏检测．此后，基于UC－FRET的分析方法得到了快速发展，例如：李富友课题组［41］构建了一种高灵敏度的DNA纳米传感器：用表面修饰有DNA捕获探针的NaYF4：Yb／Er上转换纳米颗粒作为能量供体，用标记有罗丹明的短链互补DNA序列作为能量受体构建UC－FRET结构，目标DNA通过链置换反应与DNA捕获探针进行互补配对从而破坏UC－FRET结构实现对目标DNA的检测，目标DNA的浓度与发射光的强度比存在线性关系，测量的目标DNA浓度极低，检测范围为10～60nmol•L－1．同样，Zhang等人［42］也报道了基于寡核苷酸修饰上转换纳米颗粒的生物传感器用来检测DNA，检出限低至到1．3nmol•L－1．贵金属纳米颗粒如纳米金等具有表面等离子体共振性质和较大的消光系数，将这些材料与上转换纳米材料相结合可以降低检测时的背景荧光干扰并提高检测灵敏度，因此贵金属纳米颗粒也常常被作为能量受体用于UC－FRET生物检测中［43］．例如，Wang等人［44］报道了基于NaYF4：Yb／Er和金纳米颗粒的UC－FRET生物传感器用来检测抗生物素蛋白，检出限低至0．5nmol•L－1．最近，Deng等人［45］提出一种在溶液和活细胞中快速检测谷胱甘肽的新方法，该方法的基本原理是，谷胱甘肽能抑制上转换纳米颗粒表面的二氧化锰纳米片对上转换发光的猝灭作用．根据材料本身独特的电学和热学性能，石墨烯、氧化石墨烯和碳纳米颗粒也在基于UC－FRET的生物检测中被广泛用作能量猝灭剂。
2生物成像领域内的应用
2．1体内深层组织的荧光成像稀土上转换纳米材料所用到的激发光源（980nm）在生物组织中有很强的穿透能力、不会引起生物体自发荧光干扰而且对生物组织几乎无损伤，所以稀土上转换纳米材料是各种生物组织或生物体成像分析的理想荧光标记材料．Zhang课题组［49］使用PEI包裹的NaYF4：Yb／Er纳米颗粒首次实现了动物体成像，证明了稀土上转换纳米材料相比于量子点在体内深层组织成像中的优势．为了进一步增加稀土上转换发射光的组织穿透深度从而提高成像灵敏度，需要调节上转换发射光谱到红光区（600～700nm）．这一波长范围内生物组织对发射光的散射和吸收均较小，且自发荧光干扰也很小，对深层组织成像至关重要．赵宇亮课题组［22］报道了Mn掺杂的发单色红光的NaYF4：Yb／Er上转换纳米材料用于活体成像，成像深度可延伸至15mm．Prasad课题组［50］也报道了一种新的体内成像方法，该方法利用NaYF4：Yb／Tm上转换纳米材料发出的近红外光（800nm）作为检测信号，在小鼠体内成像实验中获得了高对比度的荧光图像．在随后用Yb／Tm共掺杂的上转换颗粒进行小鼠全身荧光成像的实验中，实现了20mm的光穿透深度［51，52］．此外，聚丙烯酸修饰的上转换纳米颗粒（PAA－NaLuF4：Yb／Tm）也被报道作为光学生物学探针用于正常黑鼠的体内荧光成像，而且该探针在兔子体内成像实验中也能获得很高的信噪比［53］．多路复用成像是识别不同生物体最有效的方法之一，随着稀土上转换纳米材料合成方法的不断发展，可以通过调节掺杂元素的种类和含量在紫外到近红外光谱区内对稀土上转换纳米颗粒的发射光谱进行精确调节，并可以使其呈现多个发射峰．Yu等人［54］首次使用NaYF4：Yb／Er／La纳米棒实现了活体内多色成像．Cheng等人［55］将具有不同发射光谱的3种上转换纳米颗粒经皮下注射进入到小鼠体内，通过区分光谱反褶积实现小鼠的多色成像．荧光共振能量转移是另一种调节上转换纳米颗粒发射多色光的方法，基于该方法的基本成像原理是，利用近红外光激发上转换纳米颗粒并利用其发射光来激发颗粒表面的有机染料或量子点，使其发射出不同波长的荧光从而实现生物成像．刘庄课题组［56］利用有机染料和聚乙二醇（PEG）包覆的上转换纳米颗粒之间的疏水作用力将染料吸附在颗粒表面来调节复合材料在可见光区的发射光谱，并将该复合材料用于生物体多色成像体系中．
2．2多模态成像单模态成像技术通常只能反映生物体内单一的信息，因此，为了获得更多的生物体内相关信息，多模态成像技术应运而生．近年来，以稀土上转换纳米材料为基础的多模态成像技术得到了快速发展，例如，上转换荧光成像（upconversionimaging，UCL）与磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）、电子计算机X射线断层扫描（computedtomography，CT）、正电子发射断层成像（positronemissioncomputedtomography，PET）和单光子发射计算机断层成像（single－photonemissioncompu－tedtomography，SPECT）等其他模态成像技术相结合的多模态成像技术已经取得了长足发展并在生物成像中发挥着越来越重要的作用［57，58］．
2．2．1双模态成像当前的研究热点之一是将上转换荧光成像与MRI相结合构建双模态成像探针并探究其在生物医学领域内的应用．众所周知，荧光成像为生物体内成像提供了高的灵敏度，但它的激发光对生物组织的穿透深度较浅．相比于荧光成像，MRI为体内成像提供了良好的空间分辨率．但由于其灵敏度有限，所以通过结合上转换荧光成像和磁共振成像的优势，可以获得同时具备高灵敏度、高空间分辨率和较强激发光组织穿透深度的双模态成像探针．近年来，一些基于稀土上转换纳米材料的双模态成像探针制备方法已有报道．第一种制备方法是分子的功能化，即将Gd配合物等磁共振成像造影剂修饰在上转换纳米颗粒表面来构建UCL／MRI双模态成像复合探针．例如，Li等人［57］报报道了一种核壳结构的UCL／MRI纳米颗粒探针，该探针以上转换纳米颗粒为核并将Gd配合物担载在二氧化硅壳层中．第二种制备方法是通过连续生长或者包覆的方法实现其他磁性材料与上转换纳米材料的复合．超顺磁性氧化铁纳米粒子（SPIONS）由于其良好的磁性和生物相容性获美国FDA批准为商用磁共振成像造影剂；目前，SPIONS包覆的上转换纳米颗粒作为双模态成像探针的雏形技术已有报道．Xia等人［58］制备了NaYF4：Yb／Tm＠FexOy纳米核壳结构的复合材料，并将其用于生物体T2加权MRI和UCL双模态淋巴管成像的造影剂．然而，上转换纳米颗粒的发光强度在这个核壳结构中将会逐渐减小，这是因为Fe3O4壳层既吸收发射光也吸收近红外激发光．为解决这一问题需要进一步制备反相的核壳纳米结构，所以Zhu等人又合成Fe3O4纳米颗粒为核而上转换纳米颗粒为壳层的纳米结构来避免Fe3O4对发射光和激发光的吸收［59］．刘庄课题组［60，61］用层层自组装的方法制备了UCNPs－SIONPs纳米复合材料成像探针．该探针以上转换纳米颗粒为核，颗粒外包覆一层超薄氧化铁纳米颗粒，然后在最外层包裹一层金颗粒．该纳米复合材料可用于UCL／MRI双模态生物成像并在体内和体外进行定向的癌症光热治疗，还可用于干细胞的示踪和操控．这些结果表明UCNPs－SIONPs作为新型的多功能成像探针有潜力应用于体内转移性细胞的示踪和操控［62］．然而，实现稀土上转换纳米材料与其他磁性材料结构和功能的复合非常困难并且会导致一些副作用（例如Fe3O4可能会猝灭稀土上转换材料的发射光）．就这一点而言，含有Gd的材料（Gd2O3，GdPO4，GdF3，NaGdF4等）与稀土上转换材料有良好的相容性．将含有Gd的纳米壳层包裹在稀土上转换纳米颗粒表面来制备的复合纳米材料同时具有光学和磁学两种性质，可以用于多功能生物体系中［27～35］．例如，赵宇亮课题组［32］成功合成了形貌可调的Ln掺杂的Gd2O3纳米颗粒，该颗粒具有多种颜色的上转换荧光成像和磁共振成像能力．Zhou等人［63］报道了基于Yb／Er（Tm）共掺杂NaGdF4纳米颗粒的小动物UCL／MRI双模态成像体系．第三种制备方法是将有磁性的离子掺杂到稀土上转换纳米颗粒中．例如，赵宇亮课题组［22］报道了NaYF4：Yb／Er纳米晶体掺杂Mn离子后表现出上转换荧光发射和磁性双重性质．Zeng等人［64］报道了NaLuF4纳米晶体掺杂Gd／Yb／Er三种元素离子的体系，该纳米晶体不仅具有近红外发射的性质还在室温下具有顺磁性，经生物分子功能化的NaLuF4上转换纳米颗粒有望应用于体内和体外的双模成像中（UCL／MRI）．将UCL和SPECT相结合也是一种备受关注的双模态成像技术，SPECT成像在临床诊断中常用18F作为放射性同位素标记物，由于常用的上转换纳米颗粒的组成元素中含有氟，所以可以在合成上转换纳米颗粒时将F元素换成其带有放射性的同位素18F来获得UCL／SPECT双模成像性质．最近，Sun等人［65］报道了用含有18F的NaYF4：Yb／Tm纳米颗粒进行小动物全身UCL／SPECT双模成像，该纳米颗粒不仅可以在老鼠体内获得高灵敏度的图像，而且在大型动物体内也可以获得．然而，18F较短的半衰期（1．829h）限制了其在生物体内长时间成像中的应用，所以研究者们又进一步合成了长半衰期153Sm（46．3h）掺杂的NaLuF4：Yb／Tm纳米颗粒并将其用于生物体长周期UCL／SPECT双模成像［66］；而且由于153Sm发射出中等能量的β射线，对生物体损伤较小，因此该成像探针更加适合用于长时间的生物成像．
2．2．2多模态成像最近，PET／MRI／UCL或着CT／MRI／UCL三模态成像受到人们越来越多的关注，将3种成像技术结合不仅可以提高成像的清晰度还可以提高诊断效率．例如，CT是根据人体不同组织对X射线的吸收和透过率不同而获得被检查部位的3D高分辨图像的非侵入性分子成像技术；然而，由于CT和MRI成像不仅平面分辨率有限而且不适用于细胞水平的成像，而UCL成像却具有极高的灵敏度和空间分辨率可以广泛地应用于生物医学研究领域的细胞和组织成像．因此，通过结合UCL，CT和MRI三种成像模式可以实现从细胞到活体超灵敏、多层面的分子成像．Liu等人［67］报道Gd2O3：Yb／Er的多功能探针可以在小动物体内进行UCL，MRI和CT多模态成像来提供诊断，治疗以及疾病的相关信息．Xia等人［68］制备了Gd配合物掺杂的NaLuF4上转换纳米颗粒可以在小动物体内进行UCL，MRI和CT多模态成像．比如Fe3O4＠NaLuF4：Yb／Er（Tm）和NaYF4：Yb／Er／Tm＠NaGdF4＠TaOx纳米核壳结构也同样可以作为MRI，CT，UCL三模态成像的生物探针．李富友课题组制备了18F标记的NaYF4：Gd／Yb／Er纳米颗粒［69］，该颗粒具有放射性，磁性和荧光性可以作为多功能的纳米探针进行体外荧光成像和MRI／PET活体成像．而Os（II）复合体包裹的NaYF4：Yb／Tm纳米复合物也已证明可以进行三模态成像［70］．
3疾病治疗领域内的应用
稀土上转换纳米颗粒也可以应用到疾病治疗领域中，比如可以作为载体来运输小分子抗癌药物和治疗性多肽等物质，也可以根据其成像性质来实时、简单、有效地追踪药物输送路径并了解药物释放的效率．下文主要介绍稀土上转换纳米颗粒在作为药物和基因载体方面的发展现状并总结稀土上转换纳米颗粒在光动力学治疗和光热治疗的应用．3．1药物和基因输送近年来，由于中空和介孔结构有巨大的孔容量所以常用作理想的药物载体．例如，赵宇亮课题小组［33］将布洛芬（IBU）包载到带有介孔壳的Gd2O3：Yb／Er中空纳米颗粒中．另外，Yb（OH）CO3＠Yb－PO4：Er和NaREF4：Yb／Er（RE＝Yb，Lu，Y）纳米颗粒也可以通过包载药物进行药物释放诱导癌细胞死亡［71，72］．核壳结构Fe3O4＠nSiO2＠mSiO2＠NaYF4：Yb／Er（Tm）［73］（mSiO2＝介孔硅），NaYF4：Yb／Er＠硅纤维［74］，NaYF4：Yb／Er＠nSiO2＠mSiO2［75］和Gd2O3：Er＠nSiO2＠mSiO2［76］等纳米复合物也已证实可以作为药物载体并且可控制药物的释放．但是，由于介孔硅层的厚度很难控制到10nm以内，所以介孔二氧化硅包裹的上转换纳米颗粒由于介孔硅的包裹使得纳米颗粒的尺寸增加．除了硅封装，还可以利用药物分子与上转换纳米颗粒表面功能分子的相互作用来实现药物运输，该方法可以避免增加纳米颗粒的尺寸．Wang等人［77］合成了多色光谱的上转换纳米颗粒，并通过静电吸附作用利用PEG化的上转换纳米颗粒实现抗癌药物阿霉素（DOX）的包载与释放的行为研究．首先将PEG与叶酸（FA）共价交联形成新的化合物，然后表面修饰到油酸包裹的上转换颗粒表面，这种颗粒能够对叶酸受体有靶向效果，并进行了KB细胞与HeLa细胞对比，研究发现FA－PEG－UCNPs能够很快进入KB细胞而不能在相同的时间内进入HeLa细胞．值得注意的是，DOX在低的pH值条件下，具有更好水溶性，低pH值条件加速了DOX中－NH2基团的质子化，从而导致释放出更多的DOX分子．根据pH值进行药物释放的纳米复合颗粒对临床癌症治疗是具有实际意义的，因为肿瘤的细胞外组织、细胞内的溶酶体和核内体的微环境均是酸性的．通过利用稀土上转换纳米颗粒近红外激发紫外光发射的性质来控制包裹药物的笼状化合物进行药物释放和基因表达，避免了直接使用紫外光照射的组织穿透能力低和光毒性的缺点．目前，这种近红外激发紫外光发射的上转换纳米颗粒在智能药物领域的研究得到发展．Zhang课题组［78］通过包裹可光解的质粒DNA／siRNA分子到介孔氧化硅包覆的NaYF4：Yb／Tm上转换纳米颗粒的多孔硅中，该方法不仅提高了生物相容性且增加了载药能力．在近红外光激发下，上转换纳米颗粒发射紫外光刺激质粒DNA或者siRNA进行基因表达调控或者基因下调．Yang等人［79］首次证明通过共价键将阳离子可光解连接器与硅包覆的上转换纳米颗粒连接起来，在980nm激光辐射下，上转换的紫外光可以使光敏连接器分开，因此可以有效地释放siRNA并控制其在活体细胞中靶基因的表达．同时，这一方法可以应用于其他的笼状化合物比如说NO［80］，羧酸［81］，二硝基苯［33］和荧光素［82］．另外可光解药物释放系统也可以应用于基于上转换纳米颗粒的其他光响应系统，例如，Yan等人［83］通过使用光敏水凝胶包裹的上转换纳米颗粒在近红外光激发发射紫外光的情况下可以引发溶胶－凝胶转变并且可以释放大的、无活性的生物大分子（比如说蛋白质）到溶液系统中．Liu等人［84］报道了基于偶氮苯基团（azo）修饰介孔氧化硅包裹的NaYF4：Yb／Tm＠NaYF4上转换纳米颗粒在近红外光激发下，发射的紫外光可以引发偶氮分子从反式异构体转换到顺时异构体，以一种可控的反式异构体来引发药物释放．3．2光动力治疗光动力治疗（photodynamictherapy，PDT）采用光激活化学物质（光敏剂），从而产生单线态氧（1O2），最终导致癌细胞死亡．用于激活光敏剂的激发光通常在可见－近红外波段，由于其穿透能力有限，所以将光敏剂包裹到上转换纳米颗粒上来提高其组织穿透能力．当纳米微粒被980nm的近红外光激发时发出可见光然后可见光激发光敏剂释放1O2最后杀死癌细胞．Chen等人将光敏剂亚甲基蓝（MB）附着到表面包裹有二氧化硅的NaYF4：Er／Yb／Gd上转换纳米颗粒上，发现了显著的红光猝灭现象［85］．Zhang课题组将光敏剂酞菁锌（ZnPc）包裹到NaYF4：Yb／Er－PEI上转换纳米颗粒或者NaYF4：Yb／Er＠mSiO2上转换纳米颗粒［17，86，87］，由于ZnPc的吸收峰（～670nm）与NaYF4：Yb／Er纳米颗粒的红色发射峰相重叠，所以在近红外光的照射下ZnPc产生了大量的1O2杀死癌细胞，增加了癌症的治疗效果．之后，Idris等人制备了与两种不同光敏剂即ZnPc和MC540（部花青540）吸收波长相匹配的上转换纳米材料，从而实现利用单一波长光源同时激发两种光敏剂的治疗方法［34］，与单一负载的光敏剂相比，UCNs－ZnPc－MC540产生了大量的单线态氧并且减慢了荷瘤小鼠的肿瘤生长速率．另外，为了提高药物的靶向能力，将具有靶向作用的叶酸和抗体连接到上转换纳米颗粒上，使其既可以进行靶向光动力学治疗又拥有了更多的抗肿瘤效应［17，37，86］．刘庄课题组报道了通过非共价键修饰的方式将Ce6光敏剂装载到NaYF4：Yb／Er＠PEG上转换纳米颗粒上［77，88］，构建了治疗和成像双功能的上转换纳米材料，通过构建4T1乳腺肿瘤Balb／c鼠动物模型，以瘤内注射的方式将UCNP－Ce6给药到瘤内，再经过980nm的激光照射，首次实现了利用基于上转换纳米粒子的光动力治疗在生物体应用，形成的光动力学治疗纳米复合物显示了更深的组织穿透深度并且提高了体内肿瘤的抑制效果．其他的光敏剂分子，包括MC540［37］，四苯基卟啉（TPP）［89］和（4－羧基苯基）卟吩（TCPP）［77］也可以包裹到NaYF4：Yb／Er用做光动力学治疗药物．另外，将NaYF4：Yb／Er＠NaGdF4或者NaYF4：Yb／Er／Gd应用于能量转换材料，可以实现MRI／UCL成像和光动力学疗法相结合［85，90］．3．3光热治疗光热疗法（photothermaltherapy，PTT）是通过激光照射（近红外光）改变癌细胞所处的环境，将光能转换为热能，达到一定温度，可以诱发细胞内蛋白质的变性，破坏细胞膜，导致癌细胞的热消融．与化学疗法和外科手术相比较，PTT具有更少的侵入性，因此在癌症治疗中吸引了人们更多的关注．刘庄课题组制备了NaYF4：Yb／Er＠Fe3O4＠Au－PEG多功能纳米颗粒不仅可以用于MRI／UCL来进行成像还可以进行具有磁性的靶向光热癌症治［61］．在动物实验中，通过静脉注射NaYF4：Yb／Er＠Fe3O4＠Au－PEG纳米颗粒到荷瘤小鼠体内，不仅肿瘤成像信号加强而且当使用808nm近红外光照射肿瘤时可以使肿瘤细胞热消融．另外，Dong等人将合成的NaYF4：Yb／Er＠Ag纳米颗粒与HepG2细胞一起培养［91］，在980nm近红外光下照射8～20min中，HepG2细胞的存活率从65．05％下降至4．62％，显示出光热治疗方法的疗效．
2微成形研究现状
微成形的工艺可以分为体积微成形和薄板微成形两种。体积微成形的加工工艺主要有微压缩、微锻造、微铸造等;薄板微成形工艺主要有微拉深、微弯曲、微冲裁等。随着微成形技术的发展，工件尺寸越来越微小，而在加工过程中，会由于工件尺寸的变小，得到的实验结果与宏观理论恰恰相反，许多宏观上得到应用的理论，不能简单地缩放就应用在微成形上［23—24］，对于微成形中的尺寸效应，需要得出全面的实验结论和微观可用的理论［25］。MichaelD．Uchic等人利用微压缩实验和模拟以位错为基础的变形过程进行了深入的研究［26］，清楚地证明了尺寸的变化对于材料性能的影响，如晶粒的受力变形或产生应变梯度等，并也发现了小尺寸样品会产生应变突变，这对于理解位错自由组合消耗能量具有新的理解意义，并可以推动尺寸变形理论的产生。美国的Mara等人利用微压缩测试Cu/Nb纳米层状复合材料的机械力学性能，其微柱的压缩形变在相对于圆柱轴和压缩方向的45°方向被观察到，剪切带也是显而易见地被发现，且出现了比较大的塑性变形和相对于压缩轴的旋转［27］。H．Justinger等人利用8mm到1mm直径的冲头对不同的晶粒尺寸和箔材的厚度比的材料进行了微拉深试验，观察到冲头的力出现了明显的变化，同时改变粗糙度会显著影响杯型的几何形状［28］。建立了一个不同数量晶粒的单位体积的立方体基本模型，可以在下一个微成形过程中估计单一晶粒的可能取向，并解释了不同影响条件在微拉深中压缩和拉伸过程的流变应力变化的原因。日本的K．Manabe等人成功地利用微拉深工艺将20μm厚的铝箔制造成直径为500μm的微杯，并对杯子的几何形状、厚度应变分布以及表面粗糙度进行了测定［29］。研究表明，降低表面粗糙度更有益于微拉深的成形，表面粗糙度的增大不仅影响表面质量，还对成形极限产生影响，材料表面的光滑和拉深冲头的光滑，仍然是研究的重点方向。中国台湾学者Cho-PeiJiang和Chang-ChengChen，利用V型弯曲测试系统研究了板材的晶粒尺寸效应与弯曲板材厚度之间的关系，平均晶粒尺寸为25～370μm，板材厚度为100～1000μm，T/D为1～30，结果表明当平均晶粒尺寸恒定时，屈服强度和最大冲压力随着T/D的减小而降低，而随着T/D的增大，回弹量变小;当板材厚度一定时，平均晶粒尺寸变化的回弹现象类似于宏观尺寸的板材V型弯曲试验结果［30］。
3实验研究与讨论
3．1电沉积过程影响因素研究
3．1．1电流密度变化Ni-Co/GO复合材料电沉积过程中，不同电流密度(1．1，1．4，1．7，2．0，2．3，2．6A/dm2)的常温拉伸工程应力-应变曲线图如图1所示，总体的变化趋势是随着电流密度的增大，应变出现先增大后减小的状态，应力在1．1A/dm2时较小，为721MPa，在2．0A/dm2时达到最大，为1260MPa，其余的电流密度对应的应力大小较接近，在870～930MPa之间变化。不同电流密度的高温拉伸真实应力-应变曲线图如图2所示，图中右上角的曲线图为不同电流密度与延伸率的关系图。随着电流密度的增大，延伸率出现先增大后减小的情况，在电流密度为2．0A/dm2时产生的延伸率最大，达到535．8%。较高的电流密度可以得到较高的过电势，产生较大的成核速率，形成较多的晶核数，从而使得晶粒细化，因此随着电流密度的提高，复合材料的晶粒尺寸减小，能够有效地提高材料的常温和高温拉伸性能。当电流密度过高时，在一个脉冲周期的导通时间内会快速沉积，因为受到电镀液中扩散速率的影响，导致达到下一个脉冲周期时阴极表面的金属离子较少，对沉积速率及沉积得到的复合材料的性能产生较大的影响。
3．1．2pH值变化图3是镀液中不同pH值制备的复合材料常温拉伸的工程应力-应变曲线图，pH值依次为2，3，4，5．5。在工程应力-应变曲线图中可以看到，随着pH值的增加，应力、应变随之增加，在pH值为2时应力最小，为773MPa，当pH值为5．5时，应力达到1260MPa。当pH值较低时，虽然能够提高阴极电流密度的范围，增大了沉积速率，但会导致阴极析氢增加，从而导致内部和外部出现气孔，降低复合材料的力学性能。而过高的pH值会使镀层的脆性增加，也不利于力学性能的提高。
3．2单向拉伸试验研究
3．2．1应变速率变化研究图4为常温条件下应变速率变化的工程应力应变曲线图。当应变速率为1．68×10－2和1．68×10－3时，应力约为630MPa，应变约为0．41;当应变速率为1．68×10－4时，应力和应变都出现明显增加，应力可以达到1245MPa，应变约为0．69;而当应变速率为1．68×10－5时，应力出现非常明显的减小，降到937MPa，应变变化较小，约为0．67。出现这个现象主要是因为，复合材料中由于存在一些空隙和位错，当应变速率较大时，位错来不及滑移，其他晶粒也来不及补充到空隙位置，导致在位错或空隙位置出现断裂，从而得不到较好的力学性能;随着应变速率变小，晶粒可以填充空隙位置，位错也出现滑移等，有效地增加复合材料的应力应变等力学性能;而当应变速率继续减小，填充的量增加，滑移也比较明显，出现了应变增大但应力增加较小的现象。
3．2．2复合材料的厚度变化研究图5是复合材料不同厚度的常温拉伸工程应力应变曲线图。从图中可以看出，随着复合材料的厚度的增加，材料应变随之增大，这主要是因为复合材料中有效的被拉伸晶粒增多，在同样存在位错和空隙的情况下，会一直存在晶粒被拉应力的作用，不会因为空隙导致突然断裂，从而导致应变增大。当复合材料较薄时，应力会稍小一些，这主要是因为试样薄，位错和间隙存在的情况下，会出现某部位突然断裂，从而影响材料的应力，而当复合材料厚度增加后，会因为存在较多晶粒，从而增加材料的应力。
3．2．3试样宽度变化研究图6是不同宽度试样的常温拉伸工程应力应变曲线图。由图6可以看出，随着试样宽度的增加，应变也随之增加。当试样宽度增加时，复合材料中有效的被拉伸晶粒增多，在同样存在位错和空隙的情况下，会存在有效的拉应力作用在不同的晶粒上，导致应变增大;同时不同的试样宽度，拉应力基本相同，这是因为虽然试样的宽度不同，但是作用在每个晶粒上的力基本相同，拉应力变化不大。
3．3微半球体高温气体胀形图7是电沉积液中GO不同加入量时的高温气体胀形得到的微半球体，图7a—c的GO的添加量依次为0．01，0．03，0．05g/L。所得到的高温胀形件的高度依次为2．5，2．7，3．0mm，模具的孔半径为2．5mm，因此，H/r依次为1，1．08，1．2。这与高温拉伸的数据符合，都实现了高温超塑性。图8为胀形件厚度分布图。微半球自底端至顶端，厚度逐渐变薄。厚向应变不均匀，这主要是胀形件在不同位置应力状态差异造成的。胀形件的顶端为等轴应力状态，而靠近底端的部分，由于模具夹持作用，限制了板材沿圆周方向变形，因此这个位置的应力状态为平面应变状态。由于局部应力的差异导致不同位置具有不一样的应变速率，最后造成零件不同位置厚度的差别。在顶端区域由于有较大的应变速率，造成了显著的变薄效应。图9为胀形件胀破断口的SEM图。断口的晶粒粒径比较均匀，为1～2μm，在图9中发现存在GO，且存在GO的位置的晶粒较其他部分的晶粒稍小一些，说明GO的加入可以提高材料的热稳定性，抑制金属晶粒在高温下的长大，但加入量比较少，对材料晶粒长大的抑制作用较小。在胀破断口很难寻找到GO的存在，是因为在高温下，GO出现了挥发，且由于GO的厚度比较小，在产生挥发后很难在SEM下发现。
1．1．1以原核细胞为模板制备纳米材料细菌和放线菌被广泛应用于金属纳米颗粒的合成，其中一个原因就是它们相对易于操作。最早着手研究的Jha等［2］用乳酸杆菌引导在室温下合成了尺寸为8～35nm的TiO2纳米粒子，并提出了与反应相关的机理。随着纳米材料的生物合成的逐渐发展，现在已成功合成了以不同菌为模板的不同形貌的纳米材料。Klaus等［3］在假单胞菌（Pseudomonasstutzeri）的细胞不同结合位点处制备并发现了三角形，六边形和类球形的Ag纳米粒子，其粒径达200nm。Ahmad等［4］从一种昆虫体内提取了比基尼链霉菌（Streptomycesbikiniensis），并以此制备出3～70nm的球形Ag纳米颗粒。Nomura等［5］以大肠杆菌为模板成功制备出平均孔径为2．5nm的杆状中空SiO2，其比表面积达68．4m2／g。
1．1．2以真核细胞为模板制备纳米材料真核细胞相比较原核细胞种类更为广泛，培养更为方便，所以以此为模板的生物合成的研究更多。最简单的单细胞真核生物小球藻可以富集各种重金属，例如铀、铜、镍等［6］。Fayaz等［7］以真菌木霉菌（Trichodermaviride）为模板在27℃下合成了粒径为5～40nm的Ag纳米粒子，并且发现青霉素，卡那霉素和红霉素等的抗菌性在加入该Ag纳米粒子后明显提高。Lin等［8］发现HAuCl4中金离子在毕赤酵母（Pichiapastoris）表面先发生了生物吸附然后进行生物还原，从而得到Au纳米粒子。研究发现金离子被酵母菌表面的氨基、羟基和其它官能团首先还原成一价金离子，并进一步被还原成Au纳米颗粒。Mishra等［9］以高里假丝酵母（Candidaguilliermondii）为模板合成了面心立方结构的Au和Ag纳米粒子，两种纳米粒子对金黄色葡萄球菌有很高的抗菌性，但所做的对比试验表明化学方法合成的两种粒子对致病菌均不具有抗菌性。Zhang等［10］则以酵母菌为模板合成了形貌均一Co3O4修饰的ZnO中空结构微球。尖孢镰刀菌（Fusariu－moxysporum）［11］可以在其自身表面将米糠的无定型硅生物转化成结晶SiO2，形成2～6nm的准球形结构。
1．2以多细胞生物体为模板制备纳米材料虽然以单细胞为模板制备的纳米粒子的单分散性较好，但是要涉及到生物体复杂的培养过程及后续处理，而以多细胞生物体为模板的制备方法就显得更加方便简捷。
1．2．1以多细胞植物体为模板制备纳米材料地球上的植物种类很多，以其为模板的纳米材料的生物合成也就多种多样。多数情况下是将植物体培养在含有金属离子的溶液中，然后将植物体除去便可得到复制了植物体微结构的纳米材料。Rostami等［12］将油菜和苜蓿的种子培养在含有Au3＋的溶液中，将金离子变成纳米Au粒子，其大小分别是20～128nm和8～48nm。Dwivedi等［13］以藜草（Chenopodiumalbum）为模板分别制备出平均粒径为12nm和10nm的Ag和Au纳米晶体，并认为藜草中天然的草酸对于生物还原起着重要作用。Cyganiuk等［14］以蒿柳（Salixviminalis）和金属盐为原料制备出碳基混合材料LaMnO3。将蒿柳培植在含有金属盐的溶液中，金属盐离子顺着植物组织进行传输，进而渗透其中。然后将木质素丰富的植物体部位在600～800℃范围进行煅烧碳化，得到的产物对正丁醇转化成4－庚酮有很好的催化效果。黄保军等［15］以定性滤纸通过浸渍和煅烧等一系列过程仿生合成了微纳米结构的Fe2O3，并且对其形成机理进行了初步探讨。Cai等［16］以发芽的大豆为模板，制备出室温下便有超顺磁性的Fe3O4纳米粒子，其平均粒径仅为8nm。王盟盟等［17］以山茶花花瓣为模板通过浸渍煅烧制备出CeO2分层介孔纳米片，并且在可见光波段有很好的催化活性。
1．2．2以多细胞动物体为模板制备纳米材料以多细胞动物体为模板的纳米材料的制备比较少，其中以Anshup等［18］的研究较为突出。他们分别试验了人体的癌变宫颈上皮细胞、神经细胞和未癌变正常的人类胚胎肾细胞。这些人体细胞在模拟人体环境的试管中进行培养，培养液中含有1mmol／L的HAuCl4。最终得到20～100nm的Au纳米颗粒。细胞核和细胞质中都有Au纳米粒子沉积，并且发现细胞核周围的Au粒子粒径比细胞质中的小。
2以生物体提取物或组成成分中的有效成分制备纳米材料
生物体中含有很多还原稳定性成分，如果将这些成分提取出来，就可以脱离生物体原有形貌的束缚，得到绿色无污染的生物还原剂，进而以其制备纳米材料。很多糖类，维生素，纤维素等生物组成成分也被证实有很好的生物还原稳定作用，这就使得纳米材料的绿色生物合成更加方便快捷。
2．1以微生物提取物为有效成分制备纳米材料以微生物的提取物为活性成分制备的纳米材料多数是纳米Ag和纳米Au，而且这两种粒子具有杀菌的效果。而以微生物提取物制备的纳米材料粒径更小，并且普遍也比一般化学方法合成的粒子有更好的杀菌效果［9］。Gholami－Shabani等［19］从尖孢镰刀菌（Fusariumoxysporum）中提取了硝酸盐还原酶，并用其还原得到平均粒径为50nm的球形纳米Ag颗粒，并且对人类的病原菌和细菌有很好的抗菌效果。Wei等［20］和Velmurugan等［21］分别用酵母菌和枯草杆菌提取液成功合成了不同粒径及形貌的纳米Ag颗粒。提取物中的还原性酶是促进反应进行的重要成分。Inbakandan等［22］将海洋生物海绵中提取物与HAuCl4反应制备得到粒径为7～20nm的纳米Au颗粒，主要得益于其中的水溶性有机还原性物质。Song等［23］则从嗜热古菌（hyperther－mophilicarchaeon）中提取出高耐热型腾冲硫化纺锤形病毒1（Sulfolobustengchongensisspindle－shapedvirus1）的病毒蛋白质外壳。并且发现实验条件下在没有遗传物质时其蛋白质外壳仍可自组装成轮状纳米结构。与TiO2纳米粒子呈现出很好的亲和能力，在纳米材料的生物合成中将有广阔的应用前景。
2．2以植物提取物为有效成分制备纳米材料生物提取物制备纳米材料的研究最多的是针对植物提取物的利用，因为地球上植物种类众多，为纳米材料的生物合成提供了众多可能性。Ahmed等［24］以海莲子植物（Salicorniabrachiata）提取液还原制得Au纳米颗粒，其粒径为22～35nm。制备出的样品对致病菌有很大的抗菌性，而且能催化硼氢化钠还原4－硝基苯酚为4－氨基苯酚，也可催化亚甲基蓝转化成无色亚甲蓝。Velmurugan等［25］和Kulkarni［26］分别用腰果果壳提取液和甘蔗汁成功制备出纳米Ag和纳米Ag／AgCl复合颗粒，其均有很好的杀菌效果。Sivaraj等［27］用一种药用植物叶子（Tabernaemontana）的提取液制备了对尿路病原体大肠杆菌有抑制作用的球形CuO纳米颗粒，其平均粒径为48nm。
2．3以生物组成成分为有效成分制备纳米材料碳水化合物是生物体中最丰富的有机化合物，分为单糖、淀粉、纤维素等。其独特的结构和成分可以用来合成各种结构的纳米材料。Panacek等［28］测试了两种单糖（葡萄糖和半乳糖）和两种二糖（麦芽糖和乳糖）对［Ag（NH3）2］＋的还原效果，其中由麦芽糖还原制备的纳米Ag颗粒的平均粒径为25nm，并且对包括耐各种抗生素的金黄葡萄球菌在内的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌有很好的抑制作用。Gao等［29］和Abdel－Halim等［30］分别用淀粉和纤维素还原硝酸银制得了不同粒径的Ag纳米粒子，对一些菌体同样有很好的抗菌性。维生素是人体不可缺少的成分，在人类机体的新陈代谢过程中发挥着重要作用，是很好的稳定剂和还原剂。Hui等［31］用维生素C还原制备了Ag纳米颗粒修饰的氧化石墨烯复合材料，将加有维生素C的AgNO3和氧化石墨烯溶液进行超声反应，得到的Ag纳米颗粒平均粒径为15nm，并附着在氧化石墨烯纳米片表面。Nadagouda等［32］用维生素B2为还原活性成分室温下合成了不同形貌（纳米球、纳米线、纳米棒）的纳米Pd。并且发现在不同的溶剂中制备的纳米材料的形貌和大小不同。
3以病毒为模板制备纳米材料
病毒本身没有生物活性，可以寄宿于其它宿主细胞进行自我复制，其实际上是一段有保护性外壳的DNA或RN段，大小通常处于20～450nm之间，其纳米级的大小使得以其为模板更易于制备出纳米材料。Shenton等［33］以烟草花叶病毒为模板制备了Fe3O4纳米管。因为烟草花叶病毒是由呈螺旋形排列的蛋白质单元构成，内部形成中空管。以此为模板制备出来的Fe3O4也复制了这一结构特点而呈现管状结构。由于烟草花叶病毒的尺寸小但稳定性高，使得它被频频用来作为纳米材料生物合成的骨架［34－36］。Dang等［37］则以转基因M13病毒为模板制备了单壁碳纳米管－TiO2晶体核壳复合纳米材料。实验发现以此为光阳极的染料敏化太阳能电池的能量转换效率达10．6％。
1.1表面两亲性在水/油混合体系中，具有表面两亲性质的固体纳米粒子可以在两相表面形成一层结构稳定的单分子层以阻止乳化液滴的聚并。由于非对称粒子两面不同的结构特点，因而对其表面活性的研究也曾一度引起广泛的研究热潮。Binks等对比研究了均质粒子和非对称粒子在油/水界面上的吸附性能。结果发现，非对称粒子可使Pickering乳液的稳定性大大增高。相对于仅产生均一表面湿润性的粒子，非对称粒子是具有两面不同湿润性表面的新型粒子，并且也由此具备了典型的Pickering效应和传统表面活性剂的两亲性质［4］。为进一步探究非对称粒子的两亲性，Glaser等运用哑铃状Au-Fe3O4纳米粒子在水相中乳化正己烷，并深入阐明了非对称粒子的两亲性。实验通过配位体交换在Au的部分修饰正十二硫醇(DDT)和十八硫醇(ODT)以增加Au部分的疏水性，从而在整体上提高了粒子的两亲性质。由于具有两亲性的非对称粒子在界面上可通过自组装以降低界面张力，从而增强乳浊液的稳定性，因此在乳液体系中碳氢化合物配体修饰的Au部分因其非极性而朝向正己烷相，同时，极性分子Fe3O4则浸入水相中。实验证明，相对于相同粒径和化学组成的均质粒子，非对称粒子具有更好的界面活性，并且其界面活性随着粒子两亲性的增强而增强。最近一项研究表明，不同类型固体纳米粒子在稳定癸烷和水乳化液时，非对称纳米粒子表现了相对于均质粒子更强的稳定性，因此可以更有效地抑制分散相的聚并。通过观察纳米粒子对两相液滴的乳化作用，Fan等［6］通过动力学模型从机制的角度详细比较了非对称纳米粒子和均质纳米粒子在稳定Pickering乳液时的区别。结果表明，两相界面上粒子的密度是稳定Pickering乳液最关键的因素。当密度足够大时，三相接触角可以作为区分粒子是否有效地稳定乳化液的一种量度。当以相同的密度和接触角时，非对称纳米粒子在稳定乳化液时表现出较均质纳米粒子更加有效。在生物质精炼过程中，初产品的不相溶性和热不稳定性大大增加了纯化过程的复杂度，从而导致得率降低，因此，一种既能够在两相界面上稳定存在又同时具备催化性的材料应运而生。非对称纳米材料因其良好的两亲性可以有效稳定水/油乳液，当在其表面修饰催化剂时，这种材料便可以在两相界面上进行催化反应，从而有效完成非均相的有机合成反应，提高生物质精炼的效率［7］。近年的研究表明，非对称纳米材料凭借优越的表面活性，其多种应用潜能已被开发，如表面稳定剂、增容剂以及防水纺织品等。在工业生产中，为了在反应性共混体系中增容两种组分，通常需要使用嵌段共聚物作为增容剂，但由于大多数的嵌段共聚物不能吸附在界面上，并且在高剪切挤压过程中容易丢失，因此很大程度上增加了共混聚合物的成本。然而，非对称粒子因其表面双亲性质有效避免了嵌段共聚物的缺点，因此可以代替嵌段共聚物成为一种新型增容剂。经相关实验证明，非对称粒子在聚合物共混体系中具有更高的增容效率［8］。Synytska等［9］还巧妙地利用了非对称粒子的双亲性将其化学性修饰到纤维表面，从而开发出新型的防水纺织品。
1.2催化特性近些年，科学家对于催化剂分子与纳米粒子的结合研究已获得一些进展，如纳米驱动器、感应器、纳米泵以及自动装置的问世。相应复合材料的性质及应用也受到广泛关注。研究人员发现，在氧化物载体上修饰金属所形成的复合纳米材料，相较于未修饰之前的单一组分纳米材料具有更强的催化活性，并且这种复合粒子的催化性能还会因发生在金属与氧化物接触面上的协同效应而增强。Wang等［10］用贵金属和金属氧化物制备出哑铃状的非对称纳米材料，并研究了该合成材料在氧化CO中的催化效率。结果表明，制备的Au-Fe3O4和Pt-Fe3O4非对称粒子在氧化CO时表现了较单纯的贵金属材料(Au或Pt)更强的催化活性。类似地，在催化H2O2还原反应时，Au-Fe3O4纳米粒子也表现出很好的协同效应，从而获得增强的催化性能［11］。自1972年，由日本东京大学FujishimaA和HondaK两位教授［45］首次报告发现TiO2单晶电极可以光催化分解水产生氢气，从而开辟了光解制氢的研究道路。随着材料学的发展，纳米化光催化剂得以实现。由此诞生的纳米TiO2粒子凭借其较高的光催化活性成为当前最有应用潜力的一种光催化剂。但因其能带限制，只有吸收波长小于387.5nm的紫外光才能产生光生电子和空穴以诱发光催化反应，这在很大程度上限制了TiO2光催化技术的实际应用。为拓展TiO2光能利用效率，充分利用太阳光中的可见光，国内外学者围绕TiO2改性做了大量研究［12］。由于贵金属粒子在入射光电场作用下，其自由电子可产生集体振荡，当入射光子频率与贵金属纳米粒子传导电子的整体振动频率相匹配时，纳米粒子会对光子能量产生很强的吸收作用，就会发生局域表面等离子体共振(localizedsurfaceplasmonresonance，LSPR)效应。在Seh等［13］的研究中，制备的非对称金-TiO2纳米粒子可借助金的LSPR效应有效促进TiO2光解制氢。根据实验对比核壳结构的金-TiO2纳米粒子可知，非对称的金-TiO2纳米粒子作为优良的光催化剂在等离子体增强的可见光光解制氢的应用中表现了较好的催化效率。类似地，利用TiO2的光催化性质，非对称结构的金-TiO2纳米粒子还被应用在光催化甲醇氧化生产甲醛的反应中［14］。纳米粒子可以通过将环境中的自由化学能转化成机械能从而使其获得自身动力。作为贵金属之一的铂是一种良好的金属催化剂。它可以催化过氧化氢生成水和氧气，因此制得的铂-金非对称金属纳米棒在过氧化氢水溶液中通过催化反应可获得自发动力。实验显示，在过氧化氢溶液中该纳米棒可以30μm/s的速度进行轴向运动。在类似的实验中，Ozin和他的同事［16］也观察到镍-金纳米棒的旋转运动。在对非对称纳米粒子的催化动力机制的研究中，Wang等［17］制备的修饰有过氧化氢酶的金-吡咯非对称纳米棒在H2O2溶液中也呈现出一定的运动现象。Howse等在前人的研究基础上对非对称粒子催化动力机制进行了深入探索，他们在聚苯乙烯微球的半面上包覆了铂金属材料，并利用铂对过氧化氢的催化还原作用而使其获得自发动力。实验发现，在短时间内，非对称形态的粒子呈现出定向运动，且运动速率随着环境中底物分子浓度的升高而增大。由此构建的趋化系统也为非对称纳米粒子的实际应用提供了新的方向。之后，在Sen和Chaturvedi等的进一步研究中发现，具有催化性的非对称粒子在紫外线照射和H2O2的环境中还表现出一定的趋光性［19，20］。基于非对称材料独特的结构特点和多种性质的相辅相成，这种新型复合粒子为进一步的材料创新以及应用开发都提供了良好的基础和平台。从近年的研究热度和方向可见，具有催化性的非对称纳米粒子，在化学和生物领域都具有很大的应用潜力。
1.3生物相容性基于亚细胞的尺寸大小，纳米粒子被广泛应用于生物领域，如细胞标记和成像。当纳米材料被应用于生物体内时，该材料或结合在细胞表面，或经吞噬作用和巨胞饮作用内化到细胞内。研究表明，在纳米粒子与细胞或胞外环境之间通常会产生一些生物效应，这些生物效应的发生主要由纳米粒子的物理化学性质(尺寸、形状、表面性质)所决定，并由此产生生物相容性或其他生物效应。为了使纳米材料在生物体内更好地发挥其预期作用，研究者们认为，良好的生物相容性是一个至关重要的前提条件。经大量研究发现，SiO2、羟磷灰石(HAP)［23］、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)以合适的物理化学性质修饰于材料表面时，可使材料引入官能基团从而获得较高的生物相容性。因此，无论是对称或非对称纳米材料，其表面如果修饰这些试剂，理论上都是可以获得较好的生物相容性。在了解到聚丙烯酸和聚丙烯酰胺-丙烯酸在人体试验中均表现了良好生物相容性后，Yoshida等创新性地将这两种试剂利用化学反应制成具有两相性的非对称纳米胶体，并在两部分材料中分别修饰了生物素和异硫氰酸荧光素，进而可将链霉亲和素特异性结合在材料表面。经进一步的细胞实验表明，这种非对称纳米胶体在较宽的剂量范围内仍保持很好的生物相容性。在最近一项研究中，非对称纳米材料Au@MnO因同时具备磁性和光学性的双功能而成为高通量检测的研究重点。但是MnO因自身带有一定的细胞毒性阻碍了其在生物医学领域的应用。为了解决这一问题，科学家们将SiO2包覆在暴露的MnO部分，通过改变非对称材料的表面修饰，从而使这一非对称纳米材料(Au@MnO@SiO2)在之后的细胞活力实验中表现了较好的生物相容性，并降低了细胞毒性，从而扩展了其应用范围。
2基于非对称纳米材料的生物探针构建及其应用研究
作为多功能纳米材料，非对称纳米粒子的大多数应用都得益于它可调控的非对称结构和独特的表面特性。随着非对称纳米粒子制备方法的多样化，其在各领域的应用潜能被不断开发，尤其在生物医学领域。由于在非对纳米粒子的两部分独立表面上可以分别修饰配体或蛋白质等生物大分子，由此构建的多功能生物探针已被广泛应用在医学研究和临床诊断上，如生物传感器和靶向药物运载系统等。
2.1生物传感由于非对称纳米粒子具有独特的理化性质，因此可经多种修饰而获得良好的生物传感性能。具有精确生物传感能力的纳米探针对医学领域的应用具有重大意义。Wu等［28］制备的非对称金-聚苯乙烯纳米粒子就同时具备了细胞特异性靶标和生物传感功能。由于修饰在聚苯乙烯半面上的抗HER-2抗体可以与BT474人乳腺癌细胞表面的HER-2受体特异性结合来靶标细胞，同时又通过对金半面的表面增强拉曼散射图谱来传感目标细胞，从而提高了癌细胞检测的灵敏度。Villalonga等［29］运用非对称纳米粒子成功设计出一种尿素传感系统。在这种非对称纳米粒子的金表面修饰上脲酶，同时在介孔硅材料表面包覆上一种pH感应门控(pH-responsivegate)物质，当这一生物探针在环境中遇到尿素时，金部分携带的脲酶就会专一性分解尿素，导致环境中pH值升高，进而打开pH感应门控以实现传感效应。在哺乳动物中枢神经系统中，多巴胺是一个非常重要的神经递质，因而对这种神经递质的定量检测也引起了研究人员浓厚的兴趣。目前，利用多巴胺在电极上的电化学催化氧化作用进行的检测最为普遍。但由于电极表面会因氧化产生污物以及来自抗坏血酸联合氧化形成的干扰都对多巴胺的检测效率构成了一定的负面影响。最近的一项研究显示，将非对称金纳米团簇修饰在玻璃碳电极上制得的多巴胺电化学传感器在多项实验中均表现了较高的催化活性从而有效降低了多巴胺检测限。在多巴胺的电化学反应中，非对称纳米团簇作为一种氧化还原介质可有效促进团簇与玻璃碳电极间的电子转移，以增强多巴胺的电化学催化氧化，从而提高了多巴胺的检测灵敏度和效率［30］。类似的研究发现，为构建一个生物识别-效应系统，在非对称金-介孔硅纳米粒子的两部分分别修饰上链霉亲和素和辣根过氧化物酶(HRP)，当该探针特异性地结合在修饰了生物素的金电极上时，由于固定化的HRP在电化学反应中可转化环境中H2O2从而产生电分析信号，之后由循环伏安曲线来表征这一传感效应。多模态成像是生物医学诊疗中的一项重要的传感手段。通过标记生物荧光物质或量子点的成像探针在细胞靶标和分子检测中已广泛应用。得益于局部表面等离子体共振现象，贵金属纳米粒子以及包含贵金属的复合纳米颗粒具有优良的光学性质，因而可用于光学传感［32］。Sotiriou等将Fe3O4/Ag非对称粒子标记特异性抗体后，细胞实验中暗场荧光测试结果表明，摄取Fe3O4/Ag粒子的Raji和Hela细胞显示出较强的荧光信号，与未经该材料处理的Raji和Hela细胞形成强烈的反差，说明Fe3O4/Ag非对称粒子能够很好地应用于细胞标记和生物成像中。根据量子点的荧光性质，Selvan等制备了表面包覆SiO2的Fe3O4/CdSe非对称二聚体，之后将聚乙二醇(PEG)修饰在复合粒子表面，PEG的亲油基团暴露在表面以便于细胞膜标记。将表面改性后的复合粒子用于活体细胞膜的特定标记，激光共聚焦扫描显微镜结果显示，经磁性粒子标记后小鼠乳腺癌细胞显示出较好的荧光特性，从而证实了Fe3O4/CdSe粒子在体内成像上的应用。
2.2靶向运载非对称复合纳米粒子因其两面性在药物靶向输送方面具有潜在应用价值，有的已步入临床研究阶段，因此成为当今生物医学中热门的研究课题之一。众所周知，含铂化合物是一类常用的抗癌药物。因其对肿瘤细胞识别力差而引起较大的毒副作用，多项研究已致力于将其载带于具有靶向功能的纳米材料上。在一项研究中，磁性介孔磷酸钙纳米材料表面可经化学反应修饰上—COOH，之后，研究者将含铂化合物、—NH2化的靶向分子叶酸和荧光标记物罗丹明B分别经化学交联而结合在材料表面。经细胞实验表明，该靶向运载系统在Hela细胞中表现了较高的特异性和杀伤力，从而也验证了传统的对称纳米材料在靶向运载功能上的应用可行性［36］。而以两面性和多功能为主要特点的非对称纳米材料，在合适的设计下亦可作为靶向运载的工具。Sun等［37］利用Au-Fe3O4非对称复合结构的各向异性表面特性及多功能单元，设计了具有靶向输送含铂药物的新型多功能载体。以共价键的形式将含铂化合物的药物和具有靶向作用的HER-2特异性抗体分别连接到复合结构中的金颗粒和Fe3O4颗粒表面，通过对化学连接方式的设计使含铂化合物在低pH值条件下释放，从而可以一定程度上实现对癌细胞的选择性杀伤。相较于单一性即传统的对称纳米材料，非对称的Au-Fe3O4材料本身就兼具了示踪信息:磁性和光学性，因而无需标记其他示踪物，从而简化了修饰过程。此外其非对称表面的生物修饰相对独立，更有利于实现药物分子的可控设计和监控。类似地，在利用非对称金-聚苯乙烯纳米粒子特异性靶标并传感人乳腺癌细胞时，Wu等也提到可以在聚苯乙烯表面通过疏水性吸附将药物固定在功能载体上，以达到高效治疗的目的。最近，Wang等［38］基于具有典型非对称结构的聚苯乙烯-四氧化三铁-氧化硅三元复合体系，在聚合物和氧化硅组分表面分别修饰上不同的化学基团，并且借由功能基团的选择性分别连接上靶向分子叶酸和化疗药物DOX，从而制备了具有靶向和pH值敏感的控释药物载体(图2)。细胞实验结果证明该载体具有良好的肿瘤细胞靶向效果。Sahoo等运用传统的对称纳米材料，也设计出一种以叶酸为靶向载带药物DOX的运载系统。其设计主要是以多功能的MnFe2O4纳米粒子作为载体，通过SiO2包覆形成核壳复合体，后经表面修饰和造孔剂作用使得这一载体表面具备官能基团和多孔性，叶酸分子可通过表面官能基团连接于载体上，而DOX则可载入表面多孔中。这一精良设计使得该运载系统获得了较好的靶向运载效力。与这一DOX运载系统相比，虽然非对称纳米材料在靶向运载效力或是设计程序的复杂程度上并无明显优势，但是Wang等的非对称复合材料可因连接DOX的pH感应门控而实现DOX的可控释放。由此可见，非对称纳米粒子可以有效实现靶向基团和载带药物分步地附着于粒子表面，从而使得这种材料的表面生物修饰具有更好的独立性和可控性。这种通过复合材料的两个独立表面及其表面基团来设计多功能纳米诊疗系统的新思路，可以扩展到其他不同组分的非对称复合材料体系，并可能用于其他生物医学领域。作为靶向运载系统，非对称纳米材料还可以应用在基因治疗(genetherapy)方面。基因治疗是指将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿缺陷基因，达到治疗目的。Salem等在非对称Au-Ni纳米棒表面分别化学性修饰上靶向配体和DNA质粒从而设计出一个靶向基因运载系统。修饰在Au表面的转铁蛋白作为靶向物质可以有效捕捉到细胞，同时由于结合在Ni部分的质粒DNA具有编码荧光素蛋白酶和绿色荧光蛋白的基因，因此经细胞转染实验后，激光共聚焦扫描显微镜的结果证明了靶向基因运载系统的有效性，从而为这种复合材料的进一步临床应用提供了实验依据。
2.3基因疫苗基因疫苗指的是DNA疫苗，即将编码外源性抗原的基因插入到含真核表达系统的质粒上，然后将质粒直接导入人或动物体内，让其在宿主细胞中表达抗原蛋白，诱导机体产生免疫应答。一项研究表明，修饰有外源DNA的非对称无机纳米棒可作为一种基因瞬时表达的载体，当其导入细胞内以后，外源DNA和宿主细胞染色体DNA不发生整合就可直接表达为抗原蛋白。与其他无机非病毒载体不同的是，这些纳米棒可以在空间特定区域上修饰不同的功能基团，以提供精确控制的抗原［40］。因此，为进一步开发这种特殊材料的应用潜能，相关研究应首先证实这一新型疫苗载体可以在体内发生强烈的免疫反应。Salem等运用基因枪法将携带有模式抗原的非对称Au-Ni纳米棒导入小鼠体内，结果观察到很强的抗体反应和CD8+T细胞反应。由于免疫刺激佐剂效应(immunostimulatoryadjuvanteffect)，修饰在纳米棒Ni部分的pcDNA3可以增强结合在Au部分上抗原的免疫原性，从而有效增强了免疫应答的强度［41］。这项研究也为非对称纳米材料在接种疫苗领域的进一步应用提供了研究基础。
2.4杀菌剂在临床上，细菌感染是一项可引起较高死亡率并增加医疗成本的严重问题。然而随着细菌抗药性的发现和不断增强，探索新型杀菌剂的开发和应用成为研究热点。Lee等［42］的研究表明，银纳米粒子对多种革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均表现了较强的杀菌效果，因而成为一种高效的新型抗菌剂。然而，银纳米粒子较强的团聚效应、易氧化性和较高表面能等缺陷也限制了这种抗菌剂的实际应用。之后，围绕增强银纳米杀菌剂的稳定性和杀菌力的研究进一步展开。其中，利用非对称纳米材料和银纳米粒子复合形成的抗菌剂表现了较好的杀菌效果。由Zhang等制备的Fe3O4-SiO2非对称纳米棒因其优越的生物相容性而成为杀菌剂良好的修饰材料。Fe3O4-SiO2非对称纳米棒因结合了两个部分材料的性质而同时具备较强的磁性和温和的表面修饰性能，因此由其与银纳米粒子结合形成的复合材料便成为一种可回收的高效杀菌剂。通过抑菌实验发现，Ag@Fe3O4-SiO2对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的最低抑菌浓度分别为0.90μg/mL和1.35μg/mL，明显低于单一的银纳米粒子。之后的实验进一步证实，修饰了银纳米粒子的非对称纳米棒作为一种新型杀菌剂，具有相对较好的分散性和稳定性，更重要的是具备了更加有效且持久的杀菌力。
2纳米粒子对适应性免疫反应的影响
关于纳米材料对适应性免疫反应的影响的研究较少。Gustafsson等［13］报道，单剂量(5mg/kg)的TiO2纳米粒子吸入后，DarkAgouti大鼠气道中介导免疫反应的是CD4+T细胞，早期的炎症因子是T细胞分泌的IL-1α、IL-1β、IL-6、细胞因子诱导的中性粒细胞趋化因子1(CNIC-1)和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)。Schanen等［14］用1．56μmol/L的TiO2纳米粒子处理人脐静脉内皮细胞(humanumbilicalveinendothelialcells，HUVECs)和人外周血单个核细胞(peripheralbloodmononuclearcells，PBMCs)24h，导致HUVECs和PBMCs产生IL-6、IL-8、TNF-α、IL-1α、IL-1β、INF-γ等炎性细胞因子;而且，纳米粒子可刺激DCs成熟，表达CD86、CD83、CCR7分子，促进NaveCD4+T细胞的活化与增殖。同样，Ghoneum等［15］发现，体外50～200μg/mL的纳米钻石或纳米铂(DPV576)刺激人单核细胞来源的DCs24h，可活化DCs，诱导DCs表达CD86、CD83，产生IL-6、TNF和IL-10，随后活化NaveCD4+T细胞并刺激其增殖。因而这些纳米粒子可通过刺激DCs成熟、增强CD4+T细胞的增殖，从而增强机体的免疫反应。Ogunwale等［16］发现，4nm的钴铬(Co-chromium，CoCr)纳米粒子对DCs、T细胞、B细胞产生的效应不同，25μg/mL的CoCr纳米粒子不能活化DCs和B细胞，但能抑制T细胞的增殖反应。与单独的DNA疫苗相比，DNA吸附阳离子聚苯乙烯(poly-L-lysine-coated)的纳米粒子皮内免疫小鼠，可增强抗体的产生，增强CD4+、CD8+T细胞的增殖反应［17］。而且，纳米粒子的大小也影响适应性免疫反应的类型。40～49nm纳米粒子包被的OVA抗原单次免疫小鼠，可诱导小鼠CD8+T细胞产生IFN-γ;而93～123nm纳米粒子包被OVA单次免疫小鼠，可诱导小鼠CD4+T细胞的活化，产生IL-4。49nm纳米粒子结合呼吸道合胞病毒(respiratorysyncytialvirus，RSV)抗原G88免疫小鼠，与单纯G88免疫组相比，能诱导更高水平的IFN-γ，显著减少经RSV滴鼻攻击感染后的病毒滴度。因而，选择不同大小的纳米粒子作为抗原载体免疫小鼠，可影响小鼠适应性免疫反应的类型［18］。
3纳米粒子的免疫调节机制
固有免疫和适应性免疫间存在精细的平衡。纳米粒子可通过调节固有和适应性免疫细胞的功能来调节免疫反应，但其具体的作用机制仍不清楚。近年来的研究发现纳米材料影响Th1/Th2细胞的平衡。10－5～10－7mol/L的钴纳米粒子刺激后，人PMBCs可产生大量的TNF-α、IFN-γ等Th1相关细胞因子，但IL-10等Th2相关细胞因子减少［19］。Liu等［20］报道，0．5μmol/kg的水溶性富勒烯C60注射小鼠后，血清中IL-2、IFN-γ、TNF-α等Th1相关细胞因子的产生增加，IL-4、IL-5等Th2相关细胞因子的产生减少，CD4+/CD8+T细胞的比例增高，小鼠免疫反应明显增强。纳米粒子的另一个重要调节机制是诱导或改变DCs的分化和成熟，因而，纳米材料可作为疫苗佐剂增加疫苗的免疫反应。Wang等［21］报道，乙型肝炎病毒的DNA疫苗用SiO2、层状双金属氢氧化物纳米颗粒负载，可刺激DCs成熟。体内免疫BALB/c小86江苏大学学报(医学版)第25卷鼠，纳米粒子负载的DNA疫苗诱导比单独DNA疫苗诱导有更强的血清抗体反应，能促进T细胞增殖，使T细胞向Th1方向极化，说明纳米粒子可作为一种有效的非病毒基因传递系统，增强疫苗的免疫反应。携带DNA疫苗的聚丙烯酸酯纳米颗粒，体外转染小鼠DC2．4细胞系，可促进DCs的分化成熟，转染了该DNA纳米颗粒的DCs可刺激活化NaveCD8+T细胞产生高水平的IFN-γ，表明聚丙烯酸酯纳米颗粒可作为高效的DNA疫苗佐剂，增强疫苗的免疫反应［22］。
1.在催化方面的应用
催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。
光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。
2.在涂料方面的应用
纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。
3.在其它精细化工方面的应用
精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。
4.在医药方面的应用
21世纪的健康科学，将以出入意料的速度向前发展，人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来
检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。
微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。
根据市场分析资料表明，商品化纳米颗粒大多是金属及金属氧化物［20］，因此关于金属及金属氧化物纳米颗粒对神经元细胞膜离子通道作用的研究也相对较多．例如Xu等研究了纳米氧化铜(Nano-CuO)颗粒对急性分离的海马神经元上两种电压门控钾离子通道电流(瞬时外向钾电流IA和延迟整流钾电流IK)的作用，发现Nano-CuO能够抑制IK(浓度依赖)，而对IA影响不大．并通过对两种通道的激活、失活以及恢复动力学特征的分析发现，Nano-CuO主要影响了IK的失活过程．这些结果提示Nano-CuO通过优先作用于延迟整流钾通道对海马神经元产生一定的毒性作用．该实验室进一步的研究结果发表于2011年，Liu等［23］发现Nano-CuO还能够抑制电压门控INa，延长动作电位的上升时间并探讨了Nano-CuO产生作用的信号通路机制，提出Nano-CuO是通过氧化应激途径对INa产生影响，而非G蛋白偶联的信号通路．与Nano-CuO对电压门控通道的抑制作用相反，Zhao等［24］发现纳米氧化锌(Nano-ZnO)对电压门控通道(包括钠通道、两种钾通道)以及动作电位则起到上调的作用．例如Nano-ZnO(10－4g/mL悬浮液)增加了INa的幅值，并改变了其失活和失活后恢复的动力学参数．同样，两种钾电流(IA和IK)的幅值也有所增加，但对其门控的动力学特征影响不大．最后通过对动作电位的记录发现，其发放频率增加，超射值增加以及半峰宽减少．因此认为，Nano-ZnO能够通过增加通道电流来增强海马神经元的兴奋性，并进一步导致细胞内外离子稳态的平衡，造成神经元生理功能异常．而后，Zhao等又发现Nano-ZnO能够增加海马神经元电压门控钙通道电流，从而引起胞内钙离子超载导致细胞毒性．他们认为Nano-ZnO对这些电压门控通道的作用会发生协同作用，进一步促使海马神经元兴奋性增加，对海马神经元产生去极化诱导的损伤，并最终增强了神经退行性过程，促使细胞凋亡．纳米银(Nano-Ag)也是一种应用广泛的金属纳米材料，应用于生物传感、广谱抗菌药、医用绷带、洗涤剂以及衣物中．Liu等［26］于2009年发表的工作中首次将Nano-Ag的神经毒性集中于对神经细胞电生理特性的影响，结果发现Nano-Ag(10－5g/mL)显著降低了海马神经元电压门控INa的幅值，并改变了其通道的激活和恢复过程．这也直接导致了Nano-Ag对动作电位特征的改变(例如峰值和阈电位降低，半峰宽增加等)．
在另一研究中，Liu等［27］同样观察了Nano-Ag对海马神经元上电压门控钾离子通道的作用，发现IA和IK的幅值都显著降低，IK的稳态激活曲线向超级化方向移动，而IA的失活和失活后恢复过程均被改变．这些结果都证明了Nano-Ag对中枢神经元上的离子通道产生了异常影响，引起神经元兴奋性发生异常变化，并最终干扰神经元行使正常的生理功能．但对于Nano-Ag如何改变离子电流的机制并没有阐明．除金属及金属氧化物纳米颗粒外，也有少数研究者观察了碳化物纳米颗粒对神经细胞上离子通道的作用．例如Chen等［28］观察了多壁碳纳米管(multiwalledcarbonnanotubes，MWCNTs)对海马神经元上电压门控离子通道及突触传递的影响，结果发现其能够通过抑制电压门控钾电流来增加神经元的兴奋性，并降低海马谷氨酸能的突触传递效能，进而使神经元发生损伤．同时Shan等［29-30］探讨纳米碳化钨(nano-tungstencar-bide，Nano-TC)对海马神经元电压门控通道的影响，发现10－7g/mL浓度的Nano-TC就能够显著抑制电压门控钾和钠通道电流，并改变动作电位的波形．除了电压门控离子通道电流，纳米材料对于某些特定的受体门控电流也会产生影响．例如Chin等［31］发现带负电荷纳米金(Nano-Au，1.4nm)和胆碱形成的复合物能够完全抑制PC12细胞上N型乙酰胆碱受体电流．这一特性使其能够作为一种有效的静脉应用在临床上，并且认为其机制是Nano-Au阻塞了通道并妨碍离子运动或者阻止通道构象发生改变．而Jung等［32］的研究认为Nano-Au除了对离子通道的直接作用外，还存在其他作用．他们观察了在胞内给予两种浓度Nano-Au颗粒时对小鼠海马CA1神经元电学特性的作用，结果发现Nano-Au能够增加神经元的兴奋性，即动作电位数目增加，其内在机制可能是通过增加细胞的输入电阻、降低阈值和发放时程以及减少后超极化电位的幅值来实现的．在进行较长时间的去极化刺激时，动作电位会进行持续的反复发放，在这种背景下，Nano-Au能够诱导动作电位发生阵发性的去极化发放．Jung等还发现，在病理条件下Nano-Au能够加重由低镁诱发的癫痫样活动．这些结果都提示，Nano-Au能够改变神经元的内在电生理特性，即增加其兴奋性，并且在病理条件下(如癫痫)会对神经元产生有害作用．
关于纳米材料对神经元膜上离子通道影响的研究简要总结见表1．从表1可以看出大脑中的海马区很可能是纳米颗粒的作用靶点，并成为中枢神经系统损害最严重的部分．纳米材料通过改变通道的激活、失活以及失活后恢复过程的动力学特征对离子通道主要产生抑制作用，但也有的纳米材料能够增加通道电流，其具体的机制并没有做详细阐述．关于它们之间的相互作用机制，早在2005年Ramachandran等发现QDs能够通过插入脂质双分子层作为带电区域而改变膜上电压门控电流的特征．最近dePlanque等［34］直接观察了一种纳米材料与神经元膜之间的作用，他们发现纳米二氧化硅(Nano-silica)在极低的浓度下(fmol/L级)就可以穿过细胞膜，并以浓度依赖的方式增加膜电流，且能够在一定程度上降解脂质双层膜的屏障功能．近年来，越来越多的生物学家将数学工具引入研究中，通过数据挖掘得到更多更深入的信息．2010年，Busse等利用微分进化(differentialevolution，DE)算法将记录到的Na电流进行拟合，用以研究Nano-Ag对肾上腺嗜铬细胞膜电流的影响．根据计算模型来评价神经元电生理性质变化的参数特征并得出结论，Nano-Ag主要通过降低钠通道的电导或者减少待开放的通道数量，即可以不通过阻塞通道就使电压感受器失活，从而改变通道的电压敏感性．由于不同的纳米材料具有不同的物理化学特征，因此它们与离子通道作用的机制可能也不尽相同，还需进行更深入具体的研究，也期待能够结合更多的技术手段．
2纳米材料对神经元电活动及突触传递的作用
细胞膜上的各种离子通道是决定神经元兴奋性的分子基础，而离子通道很有可能是许多纳米材料对神经元作用的靶点．神经系统的神经元膜上离子通道参与递质释放、激素分泌、信号转导、代谢调控及细胞生长等重要生理过程的调控，因此纳米材料对单个神经元的电活动及突触信息传递功能也会产生一定的作用．在急性实验中，Belyanskaya等［36］研究了不同团聚程度的单壁碳纳米管(single-walledcarbonnanotubes，SWCNTs)对两种神经系统的原代培养细胞(鸡胚胎脊髓细胞和背根神经节细胞)的作用，结果发现SWCNTs悬浮液对这两种中枢和外周神经系统中的神经元都产生了毒性作用，并且与纳米材料的聚集程度有关．在电生理学实验中也发现，神经元的电学特性也有所改变，例如背根神经节细胞的静息电位变小、细胞膜电容降低、离子通道电导变小等，而动作电位半峰宽、阈值等变化不大．相反，SWCNTs对脊髓细胞的影响却很小，说明其对外周神经元的作用比对中枢神经元要更加明显．上述研究主要观察了纳米材料对单个神经元电生理特性的作用，而Liu等［37］则在离体层面探讨了Nano-Ag改变突触传递效能的机制．以海马脑片为研究对象，作者选取了三突触通路中的CA3-CA1谷氨酸能突触通路，记录了Nano-Ag(10－6g/mL，10－5g/mL和10－4g/mL)对CA1神经元上的自发兴奋性突触后电流(spontaneousexcitatorypostsynapticcurrents，sEP-SCs)和微小兴奋性突触后电流(miniatureexcitatorypostsynapticcurrents，mEPSCs)的影响，结果发现mEP-SCs的频率和幅值都显著降低，且具有浓度依赖性及可逆性;而sEPSCs的频率和幅值却显著增强，同时伴随自发动作电位发放频率的增加．这些结果说明Nano-Ag主要通过突触前(抑制递质的释放量)和突触后(降低谷氨酸受体效能)机制对CA3-CA1谷氨酸突触传递产生影响．而对sEPSCs的增强效果主要受到增强动作电位发放的影响．Liu等又进行了在体动物实验，将大鼠长期暴露于Nano-Ag后2周，记录海马的长时程增强(long-termpotentiation，LTP)，发现其场兴奋性突触后电位(fieldexcitatorypostsynapticpotentials，fEPSPs)被抑制，说明Nano-Ag损伤了海马区穿通纤维(perforantpath)到齿状回(dentategyrus)，即PP-DG通路的突触传递效能，损伤突触可塑性，并最终导致大鼠的空间记忆能力降低．同样，An等［39］也观察了Nano-CuO的亚慢性神经毒性，结果也证实了它能够降低海马突触传递效能，他们认为其机制是纳米材料通过扰乱神经系统的氧化-还原稳态从而改变了突触可塑性．这是由于在正常生理情况下，需氧细胞会产生少量的活性氧，可被机体的抗氧化防御系统所清除，维持正常的氧化-还原状态．
但由于纳米材料表面活性高，更易发生氧化还原反应，导致活性氧大量生成，使得机体内氧化系统和抗氧化系统平衡遭到破坏，发生氧化应激反应，进而引起生物体的氧化损伤．与之前的抑制结果不同，Han等［40］给予大鼠连续2周Nano-ZnO(4mg/kg，4mg/mL)后则发现Nano-ZnO处理组的突触传递效能异常增强，同时去增益现象不充分．Han等认为这种变化的不一致性是导致大鼠学习过程延长且重新学习能力下降的原因．更重要的是，纳米材料的神经毒性不仅体现在直接接触的动物上，而且在其子代身上也有反映．由于神经毒性可以轻易通过一些生理屏障，例如胎盘，因此在长期接触纳米材料动物的子代身上也有可能引起一定的毒性．Gao等［41］的研究证实了这一点，他们将纳米材料暴露于围产期大鼠(孕期和哺乳期各20天)来研究其子代突触可塑性的变化．结果发现，哺乳期和孕期纳米二氧化钛(Nano-TiO2)暴露后的子代大鼠突触传递效能降低，即损伤了短时程和长时程的突触可塑性．关于纳米材料影响突触传递效能的原因尚不明确，但已有多项研究表明，小鼠暴露于金属氧化物纳米颗粒后，中枢类胆碱能系统功能紊乱，一些单胺类神经递质如去甲肾上腺素和5-羟色胺及其代谢物含量显著升高，而乙酰胆碱、谷氨酸盐等含量显著下降，小鼠的空间定位能力受损［42-44］．因此影响神经递质系统的代谢可能是纳米材料改变突触传递效能的重要原因之一．然而，纳米材料对神经系统电生理特性的影响不仅仅体现在毒性作用上．例如在神经医学领域的研究证实功能化的碳纳米管(CNTs)可以作为组织工程支架为细胞生长及组织再生提供诱导和支持，且与机体组织有很好的相容性．CNTs可以作为生物支架，向细胞发出有序的生物学信号，促进神经元电信号的传导和神经纤维的生长，引导组织重建．Lovat等［45］于2005年报道以CNTs作为培养基质，能够大大提高体外培养海马神经元的神经发放频率及细胞之间的信息交流能力．实验首先比较了在是否存在CNTs基质的情况下细胞内电生理特性的区别，例如静息膜电位、输入阻抗、膜电容、动作电位的幅值、半峰宽等，但都没有发生显著变化．然后记录神经元的自发放电以及突触后电流(PSCs)，发现培养在CNTs基质上神经元的自发放电频率增加，说明其兴奋性提高;同时，表征神经元间信息交流的PSCs频率也增加(幅值不变)，并且这种增加主要体现在抑制性的突触传递中．作者认为，这种神经信号传递效能的增强是由于CNTs这种纳米材料自身的特殊性(例如高导电性)造成的，而不能归结于细胞与CNTs基质之间的相互作用．而后Fabbro等［46］又发现MWCNDTs基质(20～30nm)能够促进急性分离的未成熟大鼠脊髓神经元的生长发育，通过记录神经元的电生理特性，发现这些神经元的功能正趋向成熟．
在病理情况下，有些研究者认为纳米材料也能在一定程度上改善神经系统的电生理功能．例如Das等［47］发现纳米氧化铈(Nano-CeO2)能够促进成年大鼠损伤脊髓中的神经元存活，并使得受损神经元的电学特征恢复到正常神经元水平，例如产生正常的内外向电流和动作电位．同样Xie等［48］的实验对象则是抑郁症模型大鼠，结果是Nano-ZnO显著增强了抑郁症模型大鼠海马PP-DG区的LTP，提示其有可能对抑郁大鼠的认知功能起到一定的改善作用．作者提出Nano-ZnO对神经功能的影响具有双向效应，可能依赖于具体的生理病理状态，但其中的具体机制还有待探讨．另一项有意义的研究是针对外周神经元进行的．2009年，Viswaprakash等［49］探讨了初级嗅觉传导过程的机制，即气味分子在与嗅感觉神经元上相应的受体结合之后是如何进一步激活下游的G蛋白信号转导的．根据之前的研究，作者推测Zn离子在其中发挥作用，通过电生理学方法(嗅电图和全细胞膜片钳)检测了纳米锌(Nano-Zn)对大鼠的嗅上皮细胞的气味反应程度是否有影响．结果发现，极低浓度的Nano-Zn(fmol/L到nmol/L级)就能够显著地增强嗅上皮细胞的气味反应并且存在浓度依赖特征，但在单独存在的情况下并不能兴奋嗅神经元．而其他金属如铜、金或银的纳米材料却不会产生类似的效应．更有趣的是，同样浓度的游离Zn2+反而会降低嗅觉受体神经元对气味剂的反应．根据这些结论，作者提出Nano-Zn颗粒可以用于增强和维持初级嗅觉事件，并推测其作用的机制可能是Nano-Zn定位于鸟嘌呤核苷酸和受体蛋白之间并为他们之间的信号转导提供桥梁．总结以上文献可以发现，纳米材料对神经元电信号及信息传递功能的影响既有积极作用也有毒性作用，这种双向作用与特定纳米材料的物理化学特性、浓度、作用时间以及应用环境等条件都有很大关系．
3纳米材料对神经网络电活动的作用
关于纳米材料对某些神经网络电活动作用的研究开展很少，并且起步较晚．2010年，德国的Gramowski等［50］首次利用微电极阵列神经芯片研究了纳米材料对神经网络电活动的影响．他们在微电极阵列神经芯片上培养鼠皮层神经元，然后观察了神经元摄取纳米材料的情况和纳米颗粒及其团聚物在细胞表面附近的累积情况．如图1［50］所示，通过光栅扫描电子显微镜(rasterscanningelectronmicroscopy，REM)和透射电镜(transmissionelectronmicroscopy，TEM)观察到Nano-TiO2的累积情况．然后作者进一步检测了3种纳米材料:纳米炭黑(carbonblack，CB)、纳米氧化铁(Nano-Fe2O3)和Nano-TiO2对皮层神经元网络电活动的影响．结果发现，即使在较低的浓度下(1～10ng/cm2)，3种纳米材料都扰乱了神经网络的电活动(降低动作电位的发放频率和簇状发放频率)，其中，CB的效果最强，其次是Fe2O3和TiO2．同时CB的作用还具有双向性，在低浓度(1～100μg/cm2)时产生抑制电活动的效果，而在较高浓度(100～300μg/cm2)下则产生增强效果．该研究证明了较低浓度的纳米材料在较短的时间内即可通过干扰神经网络的电活动而产生神经毒性作用．而后Oszlanczi等［51］检测了纳米氧化锰(Nano-MnO2，23nm)对大鼠的亚慢性和慢性神经毒性，分别进行了行为学和电生理学实验来进行评价．行为学主要采用的是旷场(field，OF)实验来检测动物的自发运动行为，结果发现大鼠的运动能力随着Nano-MnO2暴露时间的延长(3周、6周、9周)而逐渐减弱．而在电生理实验中作者主要观察了Nano-MnO2暴露9周的大鼠，首先记录了初级感觉皮层的脑皮层电图(electrocorticogram，ECoG)，分析各频段的功率谱后得到ECoG指数用以评价皮层的活动，结果发现Nano-MnO2处理组的慢波能量降低而快波能量增加，即delta波能量降低而beta和gamma波显著增强．第二个电生理实验为通过刺激感觉皮层来记录诱发电位(evokedpotentials，EPs)，分析其潜伏期和时程．结果发现Nano-MnO2处理组的EPs潜伏期显著延长，而时程变化不明显，这意味着皮层的易疲劳性增加．第三个实验是记录了大鼠尾神经上的复合动作电位，进而分析神经的传导速率和不应期的长短，结果发现Nano-MnO2处理组尾神经的传导速率与对照组相比显著下降，而动作电位的绝对不应期则大大增加．这些结果从电生理的角度提示:Nano-MnO2能够改变中枢神经系统的功能．两年后，Takacs等［52］又重新设计实验再次确定了脑内Mn含量与皮层脑电活动变化的关系，并分析了这些变化对其行为学的影响．类似地，Papp等［53］又观察了另一种纳米材料，纳米CdO2(Nano-CdO2)对神经系统的慢毒性作用，结果发现与Nano-MnO2的作用相似，例如在3个不同的皮层区域自发皮层电活动都发生了显著的时间和剂量依赖改变，视觉和听觉皮层诱发电位的潜伏期延长等．这些结果提示:不同纳米材料对神经系统电信号的影响机制可能存在一定的共性．除了利用急性和慢性动物实验来观察纳米材料对神经网络电活动的作用，还有的学者利用计算机建立起神经网络模型，再根据实验结果进行拟合后做更详细分析．如2013年Busse等［54］再次运用计算机模型探讨了带有机涂层的Nano-Ag对神经环路的影响，通过将钠电流的数字模拟结果整合到一个已知的神经环路-丘脑皮层环路中来预测Nano-Ag对环路中所有神经元放电形式的影响．结果发现Nano-Ag对钠电流的抑制有可能在整个神经网络层面导致神经元放电的异常．
4总结与展望
1.在催化方面的应用
催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。
光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。
2.在涂料方面的应用
纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。
3.在其它精细化工方面的应用
精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。
4.在医药方面的应用
21世纪的健康科学，将以出入意料的速度向前发展，人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。
微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。
一、引言
纳米材料和纳米科技被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领域之一。早在二十世纪60年代，英国化学家Thomas就使用“胶体”来描述悬浮液中直径为1nm-100nm的颗粒物。1992年，《NanostructuredMaterials》正式出版，标志着纳米材料学成为一门独立的科学。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当粒子尺寸小至纳米级时，其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。自1991年Iijima首次制备了碳纳米管以来，一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而受到人们越来越多的重视。美国自1991年开始把纳米技术列入“政府关键技术”，我国的自然科学基金等各种项目和研究机构都把纳米材料和纳米技术列为重点研究项目。由于纳米材料的形貌和尺寸对其性能有着重要的影响，因此，纳米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作为高级纳米结构材料和纳米器件的基本构成单元(Bui1dingBlocks)，纳米颗粒的合成与组装是纳米科技的重要组成部分和基础。本文简单综述了纳米材料合成与制备中常用的几种方法，并对其优劣进行了比较。
二、纳米材料的合成与制备方法
2.1物理制备方法
2.1.1机械法
机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。机械球磨法无需从外部供给热能，通过球磨让物质使材料之间发生界面反应，使大晶粒变为小晶粒，得到纳米材料。范景莲等采用球磨法制备了钨基合金的纳米粉末。xiao等利用金属羰基粉高能球磨法获得纳米级的Fe-18Cr-9W合金粉末。机械粉碎法是利用各种超微粉机械粉碎和电火花爆炸等方法将原料直接粉碎成超微粉，尤其适用于制备脆性材料的超微粉。超重力技术利用超重力旋转床高速旋转产生的相当于重力加速度上百倍的离心加速度，使相间传质和微观混合得到极大的加强，从而制备纳米材料。刘建伟等以氨气和硝酸锌为原料，应用超重力技术制备粒径20nm—80nm、粒度分布均匀的ZnO纳米颗粒。
2.1.2气相法
气相法包括蒸发冷凝法、溶液蒸发法、深度塑性变形法等。蒸发冷凝法是在真空或惰性气体中通过电阻加热、高频感应、等离子体、激光、电子束、电弧感应等方法使原料气化或形成等离子体并使其达到过饱和状态，然后在气体介质中冷凝形成高纯度的纳米材料。Takaki等在惰性气体保护下，利用气相冷凝法制备了悬浮的纳米银粉。杜芳林等制备出了铜、铬、锰、铁、镍等纳米粉体，粒径在30nm—50nm范围内可控。魏胜用蒸发冷凝法制备了纳米铝粉。溶液蒸发法是将溶剂制成小滴后进行快速蒸发，使组分偏析最小，一般可通过喷雾干燥法、喷雾热分解法或冷冻干燥法加以处理。深度塑性变形法是在准静态压力的作用下，材料极大程度地发生塑性变形，而使尺寸细化到纳米量级。有文献报道，Φ82mm的Ge在6GPa准静压力作用后，再经850℃热处理，纳米结构开始形成，材料由粒径100nm的等轴晶组成，而温度升至900℃时，晶粒尺寸迅速增大至400nm。
2.1.3磁控溅射法与等离子体法
溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子，交换能量或动量，使得靶材料表面的原子或分子从靶材料表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。在该法中靶材料无相变，化合物的成分不易发生变化。目前，溅射技术已经得到了较大的发展，常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。等离子体法是利用在惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体，从而使原料溶液化合蒸发，蒸汽达到周围冷却形成超微粒。等离子体温度高，能制备难熔的金属或化合物，产物纯度高，在惰性气氛中，等离子法几乎可制备所有的金属纳米材料。
以上介绍了几种常用的纳米材料物理制备方法，这些制备方法基本不涉及复杂的化学反应，因此，在控制合成不同形貌结构的纳米材料时具有一定的局限性。
2.2化学制备方法
2.2.1溶胶—凝胶法
溶胶—凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶。Stephen等利用高分子加成物(由烷基金属和含N聚合物组成)在溶液中与H2S反应，生成的ZnS颗粒粒度分布窄，且被均匀包覆于聚合物基体中，粒径范围可控制在2nm-5nm之间。MarcusJones等以CdO为原料，通过加入Zn(CH3)2和S[Si(CH3)3]2制得了ZnS包裹的CdSe量子点，颗粒平均粒径为3.3nm，量子产率(quantumyield，QY)为13.8%。
2.2.2离子液法
离子液作为一种特殊的有机溶剂，具有独特的物理化学性质，如粘度较大、离子传导性较高、热稳定性高、低毒、流动性好以及具有较宽的液态温度范围等。即使在较高的温度下，离子液仍具有低挥发性，不易造成环境污染，是一类绿色溶剂。因此，离子液是合成不同形貌纳米结构的一种良好介质。Jiang等以BiCl3和硫代乙酰胺为原料，在室温下于离子液介质中合成出了大小均匀的、尺寸为3μm—5μm的Bi2S3纳米花。他们认为溶液的pH值、反应温度、反应时间等条件对纳米花的形貌和晶相结构有很重要的影响。他们证实，这些纳米花由直径60nm—80nm的纳米线构成，随老化时间的增加，这些纳米线会从母花上坍塌，最终形成单根的纳米线。赵荣祥等采用硝酸铋和硫脲为先驱原料，以离子液为反应介质，合成了单晶Bi2S3纳米棒。
2.2.3溶剂热法
溶剂热法是指在密闭反应器(如高压釜)中，通过对各种溶剂组成相应的反应体系加热，使反应体系形成一个高温高压的环境，从而进行实现纳米材料的可控合成与制备的一种有效方法。Lou等采用单源前驱体Bi[S2P(OC8H17)2]3作反应物，用溶剂热法制得了高度均匀的正交晶系Bi2S3纳米棒，且该方法适于大规模生产。Liu等用Bi(NO3)3•5H2O、NaOH及硫的化合物为原料，甘油和水为溶剂，采用溶剂热法在高压釜中160℃反应24-72h制得了长达数毫米的Bi2S3纳米带。
2.2.4微乳法
微乳液制备纳米粒子是近年发展起来的新兴的研究领域，具有制得的粒子粒径小、粒径接近于单分散体系等优点。1943年Hoar等人首次报道了将水、油、表面活性剂、助表面活性剂混合，可自发地形成一种热力学稳定体系，体系中的分散相由80nm-800nm的球形或圆柱形颗粒组成，并将这种体系定名微乳液。自那以后，微乳理论的应用研究得到了迅速发展。1982年，Boutonnet等人应用微乳法，制备出Pt、Pd等金属纳米粒子。微乳法制备纳米材料，由于它独特的工艺性能和较为简单的实验装置，在实际应用中受到了国内外研究者的广泛关注。
三、结论
纳米材料由于具有特异的光、电、磁、催化等性能，可广泛应用于国防军事和民用工业的各个领域。它不仅在高科技领域有不可替代的作用，也为传统的产业带来生机和活力。随着纳米材料制备技术的不断开发及应用范围的拓展，工业化生产纳米材料必将对传统的化学工业和其它产业产生重大影响。但到目前为止，开发出来的产品较难实现工业化、商品化规模。主要问题是:对控制纳米粒子的形状、粒度及其分布、性能等的研究很不充分；纳米材料的收集、存放，尤其是纳米材料与纳米科技的生物安全性更是急待解决的问题。这些问题的研究和解决将不仅加速纳米材料和纳米科技的应用和开发，而且将极大地丰富和发展材料科学领域的基础理论。
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关键词：纳米材料生物医学应用
1应用于生物医学中的纳米材料的主要类型及其特性
1.1纳米碳材料
纳米碳材料主要包括碳纳米管、气相生长碳纤维也称为纳米碳纤维、类金刚石碳等。
碳纳米管有独特的孔状结构［1］，利用这一结构特性，将药物储存在碳纳米管中并通过一定的机制激发药物的释放，使可控药物变为现实。此外，碳纳米管还可用于复合材料的增强剂、电子探针（如观察蛋白质结构的AFM探针等）或显示针尖和场发射。纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂，以低碳烃类化合物为碳源，氢气为载体，在873K～1473K的温度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在医学领域中有广泛的应用前景。类金刚石碳（简称DLC）是一种具有大量金刚石结构C—C键的碳氢聚合物，可以通过等离子体或离子束技术沉积在物体的表面形成纳米结构的薄膜，具有优秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。资料报道，与其他材料相比，类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低，对白蛋白的吸附增强，血管内膜增生减少，因而类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要的应用价值。
1.2纳米高分子材料
纳米高分子材料，也称高分子纳米微粒或高分子超微粒，粒径尺度在1nm～1000nm范围。这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能，可用于药物、基因传递和药物控释载体，以及免疫分析、介入性诊疗等方面。
1.3纳米复合材料
目前，研究和开发无机—无机、有机—无机、有机—有机及生物活性—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新途径，并逐步向智能化方向发展，在光、热、磁、力、声［2］等方面具有奇异的特性，因而在组织修复和移植等许多方面具有广阔的应用前景。国外已制备出纳米ZrO2增韧的氧化铝复合材料，用这种材料制成的人工髋骨和膝盖植入物的寿命可达30年之久［3］。研究表明，纳米羟基磷灰石胶原材料也是一种构建组织工程骨较好的支架材料［4］。此外，纳米羟基磷灰石粒子制成纳米抗癌药，还可杀死癌细胞，有效抑制肿瘤生长，而对正常细胞组织丝毫无损，这一研究成果引起国际的关注。北京医科大学等权威机构通过生物学试验证明，这种粒子可杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细胞。
此外，在临床医学中，具有较高应用价值的还有纳米陶瓷材料，微乳液等等。
2纳米材料在生物医学应用中的前景
2.1用纳米材料进行细胞分离
利用纳米复合体性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应的特性进行细胞分离在医疗临床诊断上有广阔的应用前景。20世纪80年代后，人们便将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，使所需要的细胞很快分离出来。目前，生物芯片材料已成功运用于单细胞分离、基因突变分析、基因扩增与免疫分析（如在癌症等临床诊断中作为细胞内部信号的传感器［5］）。伦敦的儿科医院、挪威工科大学和美国喷气推进研究所利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中癌细胞的分离来治疗病患者［6］。美国科学家正在研究用这种技术在肿瘤早期的血液中检查癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。
2.2用纳米材料进行细胞内部染色
比利时的DeMey博士等人利用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或柠檬酸钠把金从氯化金酸（HAuCl4）水溶液中还原出来形成金纳米粒子，（粒径的尺寸范围是3nm～40nm），将金纳米粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合，利用不同抗体对细胞和骨骼内组织的敏感程度和亲和力的差异，选择抗体种类，制成多种金纳米粒子—抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物，在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色（如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色），从而给各种组织“贴上”了不同颜色的标签，为提高细胞内组织分辨率提供了各种急需的染色技术。
2.3纳米材料在医药方面的应用
2.3.1纳米粒子用作药物载体
一般来说，血液中红血球的大小为6000nm～9000nm，一般细菌的长度为2000nm～3000nm［7］，引起人体发病的病毒尺寸为80nm～100nm，而纳米包覆体尺寸约30nm［8］，细胞尺寸更大，因而可利用纳米微粒制成特殊药物载体或新型抗体进行局部的定向治疗等。专利和文献资料的统计分析表明，作为药物载体的材料主要有金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物活性纳米颗粒。
磁性纳米颗粒作为药物载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，进行定位病变治疗，利于提高药效，减少副作用。如采用金纳米颗粒制成金溶液，接上抗原或抗体，就能进行免疫学的间接凝聚实验，用于快速诊断［9］。生物降解性高分子纳米材料作为药物载体还可以植入到人体的某些特定组织部位，如子宫、阴道、口（颊、舌、齿）、上下呼吸道（鼻、肺）、以及眼、耳等［10］。这种给药方式避免了药物直接被消化系统和肝脏分解而代谢掉，并防止药物对全身的作用。如美国麻省理工学院的科学家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片为基础，能长时间配选精确剂量药物的药物投送系统，并已被批准用于人体。近年来生物可降解性高分子纳米粒子（NPs）在基因治疗中的DNA载体以及半衰期较短的大分子药物如蛋白质、多肽、基因等活性物质的口服释放载体方面具有广阔的应用前景。药物纳米载体技术将给恶性肿瘤、糖尿病和老年痴呆症的治疗带来变革。
2.3.2纳米抗菌药及创伤敷料
Ag+可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌，添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。
2.3.3智能—靶向药物
在超临界高压下细胞会“变软”，而纳米生化材料微小易渗透，使医药家能改变细胞基因，因而纳米生化材料最有前景的应用是基因药物的开发。德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入肿瘤部位，使癌细胞部位完全被磁场封闭，通电加热时温度达到47℃，慢慢杀死癌细胞。这种方法已在老鼠身上进行的实验中获得了初步成功［11］。美国密歇根大学正在研制一种仅20nm的微型智能炸弹，能够通过识别癌细胞化学特征攻击癌细胞，甚至可钻入单个细胞内将它炸毁。
2.4纳米材料用于介入性诊疗
日本科学家利用纳米材料，开发出一种可测人或动物体内物质的新技术。科研人员使用的是一种纳米级微粒子，它可以同人或动物体内的物质反应产生光，研究人员用深入血管的光导纤维来检测反应所产生的光，经光谱分析就可以了解是何种物质及其特性和状态，初步实验已成功地检测出放进溶液中的神经传达物质乙酰胆碱。利用这一技术可以辨别身体内物质的特性，可以用来检测神经传递信号物质和测量人体内的血糖值及表示身体疲劳程度的乳酸值，并有助于糖尿病的诊断和治疗。
2.5纳米材料在人体组织方面的应用
纳米材料在生物医学领域的应用相当广泛，除上面所述内容外还有如基因治疗、细胞移植、人造皮肤和血管以及实现人工移植动物器官的可能。
目前，首次提出纳米医学的科学家之一詹姆斯贝克和他的同事已研制出一种树形分子的多聚物作为DNA导入细胞的有效载体，在大鼠实验中已取得初步成效，为基因治疗提供了一种更微观的新思路。
纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗（疏通脑血管中的血栓，清除心脏脂肪沉积物，吞噬病菌，杀死癌细胞，监视体内的病变等）［12］；还可以用来进行人体器官的修复工作，比如作整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行或使引起癌症的DNA突变发生逆转从而延长人的寿命。将由硅晶片制成的存储器（ROM）微型设备植入大脑中，与神经通路相连，可用以治疗帕金森氏症或其他神经性疾病。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。
瑞典正在用多层聚合物和黄金制成医用微型机器人，目前实验已进入能让机器人捡起和移动肉眼看不见的玻璃珠的阶段［13］。
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。
参考文献
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［9］刘新云.安徽化工，2002，（5）：27-29
［10］姚康德，成国祥.智能材料.北京：化学工业出版社，2002：71
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