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纳米技术的最新进展,特别是对用于诊断,治疗和骨组织工程方面的运用进行了讨论。
纳米材料—包含的50%或更多的颗粒有在1-100nm尺寸范围内的外部尺寸的天然的,附带的或制造的材料—被用于许多诊断和治疗应用的医学中(例如几种影响不同器官的疾病)。此外,纳米技术在各个工程学科都有应用,专门从事纳米技术的工程师在能源,国防和土木工程等领域都有重要的创新1,2。纳米材料的机械性能是非常重要的,因为这些特性决定了结构的实用性3。
在过去的30年中,对纳米材料在医疗领域的应用进行了大量研究,其中大部分研究集中在纳米材料对人体细胞和组织功能的安全性和危害性1。然而,关于颗粒大小,形态和表面电荷对纳米材料与组织之间的相互作用的影响以及纳米材料被免疫系统细胞吸收后,其是否有毒性或安全风险的影响还缺乏共识。实际上,有几个关键问题需要探索。例如,如何将无机纳米粒子从纯粹的学术研究转化为符合商业质量体系,政府标准和人类使用的监管环境的工业化规模应用。特别地,生物体系中无机纳米粒子的尺寸和形状,理化性质以及表面和界面性质是需要考虑的重要参数4。而且,与体内试验相比,体外试验可能只能作为否具有毒性的部分参考。
这项工作5的目的是简要介绍一些近期纳米技术在医学和骨组织工程方面的进展,并探讨这些新兴技术的一些典型应用。例如,我们介绍和讨论了一些用于治疗各种人群(例如,婴儿,成年人和老年人)的神经系统和骨关节系统疾病的实验纳米技术模型。我们还提出了一个理论模型,可以用来预测纳米梁的弯曲强度。这个模型包括了一个断裂方式,它解释了梁表面的缺陷和裂纹扩展的原因。纳米材料应用的一个重要领域是改善神经系统(如发育,精神,创伤,炎症,感染和退行性疾病)。在这些情况下,纳米颗粒可帮助治疗剂或成像增益剂跨越血脑屏障(BBB)转运至神经系统。因此有可能实现把这些药物靶向递送至适当的大脑或脊髓亚区6。此外,最近还投入了大量精力寻找能够规避血脑屏障并直接进入中枢神经系统的药物(无论是单独使用还是运营商使用)7。基于纳米颗粒技术的手段已经进一步发展设计了多功能结构,将诊断和治疗功能结合在同一纳米载体中8。这些“分子诊断”平台能够对药物动力学,组织生物分布和药物在靶位点的积累进行无创性评估,最近开发的一些实例正在用于癌症治疗9。树枝状大分子(见图1)—大小约3-10nm的软球状分子,具有高密度的可修饰表面官能团,也很可能用于诊断平台以及靶向药物传递和基因递送。例如,聚酰胺树状聚合物已经被用于向脑部递送抗氧化剂和抗炎剂N-乙酰半胱氨酸(NAC),以帮助治疗免疫疾病10。

图1.树枝状大分子,即直径为3-10nm的软球状分子的示意图。该结构包含高密度的可裁剪表面官能团(以不同颜色表示)

在另一项研究11中,已经证实(在动物模型中)静脉内施用的树枝状聚合物NAC缀合物被定位在与脑瘫(CP)症状相关的炎症部位。CP是儿童期残疾的最常见原因,早产被认为是疾病发展的主要危险因素。因此,给受影响的新生儿施用这样的树枝状聚合物可能是治疗CP的一种方法。此外,也可以将树状聚合物纳米装置施用于羊水以帮助预防高风险患者围产期脑损伤12。
组织工程是另一个纳米技术可能发挥作用的领域。例如,可能使用纳米技术进行骨骼重建(即在骨折之后)。由于人口日益老龄化,这让人特别感兴趣。事实上,骨组织需要治疗骨折和其他骨缺损以及环重建和组织移植13。其他可能的纳米技术骨组织工程应用包括治疗创伤,先天性骨畸形,骨骼疾病和肿瘤切除。在这些应用中,纳米技术可用于形成支架,并将药物和生长因子递送至损伤部位。这样,由于纳米颗粒的高表面体积比,它们可以增进新的骨骼形成。
尽管支架具有良好的体内生物学性能,但其低的断裂韧性限制了其在骨组织工程中的应用。为了增加脚手架的强度和力学性能,目前的做法是在结构中添加纳米粒子,晶须和涂层14。然而,在这样的纳米束的表面上经常观察到表面粗糙,因此我们已经提出了一个理论模型来预测裂纹纳米束的弯曲强度15。在这个模型中,我们考虑了梁表面缺陷以及裂纹扩展的断裂方法。具体来说,我们使用尺度不变标准来描述裂纹梯形硅纳米梁(见图2)受到弯矩作用。该标准包括所谓的应变能量密度因子,其是应力强度因子的函数。用这种数学方法获得的临界裂纹长度值可以与原子力显微镜测量进行比较。

图2.裂纹梯形硅纳米梁的横截面(在x-y平面中),表示了用于预测裂纹纳米梁的弯曲强度的理论模型中使用的参数。 G *:质量中心。a:裂缝长度y:裂纹尖端坐标,t:梯形的高度。w1,w2:分别为梯形的顶部和底部的宽度。

总之,纳米技术为医学提供了许多的潜在好处。事实上,纳米颗粒用于多种领域应用的研究,并且在动物模型中用于许多诊断和治疗的手段,显示出很大的发展潜力。新兴的应用领域是治疗心血管疾病,口服胰岛素药物递送以及癌症的诊断和治疗16-18。现在需要进一步的研究来证明纳米技术在人体中的潜在益处(即主要关注的是纳米颗粒的长期安全性)。在下一阶段的工作中,我们将比较目前专利脚手架的不同特性(如机械性能)。
 
作者信息
Stefano Nobile
母婴部门

Ospedali Riuniti di Ancona
意大利安科纳

Lucio Nobile
土木,化学,环境和材料工程系
Bologna大学

参考文献
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