金属纳米材料的生物化学制备及在生物医学领域的应用

金属纳米材料的生物化学制备及在生物医学领域的应用

刘志帆

江汉大学生命科学学院  湖北武汉 430056

摘要：近年来，金属纳米材料由于其不同于宏观晶体的特性在各行各业中逐步发挥了关键作用。在倡导环境友好、可持续发展的今天，金属纳米材料与生物学结合是必然趋势。本文探讨了金属纳米材料在生物化学领域的制备方法，并对其在生物医学领域的应用发展加以阐述，对金属纳米材料未来在医疗等领域的发展予以展望。

关键词：金属纳米材料；生物化学制备；生物医学应用

一、引言

几千多年前，人们无意识地使用了纳米材料。古埃及人偶然发现了一纳米鳞片的染料，并用于漂白头发，其色牢度很好;科学家们还在大英博物馆发现了古罗马时期的纳米级的金和银粒子被加入到克古斯杯的玻璃中，它可以足以随光线改变颜色;中国考古学家挖掘文物出土的古代铜镜在几千年后仍然完好无损，是因为表面涂有一层纳米级氧化锡保护膜;流传至今的书画油墨不褪色也是因为使用油墨时存在纳米尺度几英寸的碳[1]。1984年Gleiter教授团队利用金属铁粉制出纳米材料，这是人类在纳米材料史上具有里程碑意义的发展。

二、金属纳米材料的生物化学制备方法

在制备过程中采用传统的化学方法全部使用一些还原性有机溶剂，最后得到纳米材料的分散性不是很好。取而代之的是生物化学制备方法，生物材料来源广，成本低，且大多有羟基、羧基和巯基和其他活性还原基。并且它也有自己的结构骨的形状，使所产生的纳米材料更加分散，产生纳米材料具有更加突出的特性。

纳米材料的生物化学制备主要包括三个过程，首先是孕育过程，原理是给定元素进而让其生长，接下来是生长过程，让给定元素在特定条件下发展为目标产物，最后是停止过程，材料生长到特定程度继而停止。生物化学方法制备纳米材料，用作还原剂的生物材料是植物提取物、蛋白质、多糖及部分病原微生物。它们的生物活性和浓度不同，可以使体系制备的纳米材料的形态和尺寸完全不同。

（一）、植物提取制备方法

有研究发现，还原剂和稳定剂选取植物提取物来制备Au NPs，有利于减少有毒试剂使用。有学者[2]使用菠萝蜜果肉制备Au NPs，具体方法是他们把市场上新鲜的菠萝蜜放入切片粉中粉碎离心后取上清液(菠萝蜜提取物)。室温在无光环境中加入菠萝蜜提取物，在2 mmol/L HAuCl4溶液中，2 h后颜色逐渐由黄色转变变成深棕色，即制成Au NPs。这项研究捕获了一种经济上可行的制备纳米材料的方法，对环境和操作友好[1]。当然，制备纳米材料不仅可以用汁液饱满的果肉提取物，也可以利用玫瑰茄花束。

除此之外，研究人员利用咖啡和茶的提取物制成纳米粒子同时探讨植物提取物制备纳米颗粒的研究进展。他们每20分钟记录一次紫外线光谱，2小时后完成实验操作[1]。在紫外光谱的开始未发现有特征的等离子体共振峰。大约20分钟，峰值出现在460 nm处，60 min时明显。2 h后峰值强度没有变化。光谱分析在340 nm处强吸收峰多酚化合物的吸收峰。由此可以猜测，茶中含有多酚，咖啡中含有咖啡因化合物，它们是还原的关键。多酚的羟基为金属离子还原为零价金属的还原剂，以上制备配方在方法上，还原机理大同小异，基本都是制造金属离子在不同的植物提取物中，该提取物的结构被还原为单质结构中含有羟基、羧基、巯基等还原基。当然可以形成纳米颗粒，而不是聚集在一起形成宏观元素[1]，由于所用试剂大多可作为端封剂，分散可以在纳米尺度上形成防止颗粒结块的药剂一定的分散状态，使单个粒子能保持良好的纳米性维体积[3]。

（二）、微生物制备方法

微生物生长速度快且培养容易，故生物化学方法中微生物制备纳米材料的实例也非常广泛。微生物具有独特的生物学特性，可以覆盖在材料中表面阻止颗粒聚集和分散，所以这些微生物生长物质在一定程度上可以起到还原剂和稳定剂的作用[4]。研究显示银离子和枯草的混合物，采用微波辐射法从芽孢杆菌上清液中提取银，用紫外可见光谱法测定了颗粒的大小和形貌非常稳定，合成后几个月没有聚合现象。经分析发现，这是由于Ag NPs上的蛋白质包衣，实验用枯草芽孢杆菌上清液[1]生产还原酶活性非常显著。研究人员做了这样的假设，前酶与电子传递复合物[5]和其他蛋白质结合后以一种类似于真菌的方法用来维持银离子的稳定性[6-7]。

（三）、多糖、蛋白质制备方法

蛋白质和多糖中含有大量的羟基、羧基、巯基等还原基是非常活跃的还原剂，有一些蛋白质质量对纳米颗粒也有分散作用，阻止它们聚集，这也是纳米材料中最受欢迎的一类试剂[1]。研究人员研制了一种基于银镜反应的制备方法采用Ag NPs法，将硝酸银加入蒸馏水中使其完全溶解，一滴一滴加入浓氨水配制银氨溶液，取BSA溶液加入银氨溶液，置于水浴中反应120分钟通过透析分离纳米银颗粒[8]。通过了硫用醇改性牛血清白蛋白在30min内制备银纳米材料内部完成[9]。

三、金属纳米材料在生物医学领域的应用

（一）、生物成像及光热治疗

当今医学上有许多不治之症，这不是缺乏药物，而是缺乏传递它们的方法。光热疗法是一种利用金属纳米材料的光学特性的技术，这种材料在被激光击中时吸收光子并重新定向能量。由于晶格振动能量，能量以热的形式释放出来，并通过提高金属纳米材料周围的温度来达到现代治疗的一定治疗效果[10]。因为肿瘤细胞具有温度敏感性，可在特定温度下破坏肿瘤[11]所以金属纳米材料通过加热靶材将光能转化为热能点化部位，可杀死肿瘤细胞。作为一个新兴的微创甚至无创治疗，无需光和热负载药物治疗方法已应用于癌症治疗领域。与此同时，几乎所有的金属都有表面增强拉曼散射(SERS)，因为金属表面会产生等离子体共振效应分子的拉曼散射明显增强，成像信号增强可以减少输入能量，所以一般的光疗和热疗可以同时使用生物成像。

（二）、抑菌及康复治愈

众所周知，病毒、细菌和其他微生物不断产生耐药性，传统抗生素杀菌剂的药用性质已逐渐丧失其效力。金属及其离子对纳米粒子具有一定的抗菌性能在很大程度上放大了这一特性。新型抗菌纳米材料新兴科技，在生物医药领域发展相当迅速。伤口愈合是指皮肤和其他组织受损后的各种组织再生和增殖的过程中，不可避免的问题是消毒伤口，防止感染。研究人员开始着手设计测量和开发纳米材料，特别是金属纳米材料，作为一种治疗包括伤口愈合在内的各种病理的候选治疗方法[12]。在伤口中在敷料上，新设计的Ag NPs敷料用于伤口处理和预处理，预防感染是一个重大突破。除此之外，BSA的生物相容性和甘油的润滑性，能应用于细菌感染型伤口的敷料。

（三）、生物检测及生物传感器

金属纳米材料的某些性质可以作为某些原料的鉴别。化学信号被转换放大成仪器能识别的光电信号，用于监测某些物质的变化。金属纳米物体传感器在医学上比传统的机械芯片灵敏度更高，在检测方面有很大的应用前景。生物传感器由于其制备简单、快速、高效、斯托克斯位移强、生物毒性低等优点，在近十年来得到了广泛应用，特别是作为一种无标记检测方法应用于各种分析技术中，在国内一直保持优势[1]。利用DNA作为模板构成的新兴纳米材料由于其荧光特性可以用来构建生物传感器，pd纳米材料在汽车尾气的处理、燃料电池、储氢材料等方面应用广泛。

四、结语

纳米材料与生物学相结合是当前的绿色响应时间色彩环保是一个重要的发展方向，也是目前非常有潜力的一个领域。生化合成路线可以减少毒性试剂、还原剂、密封剂、稳定剂的使用，金属纳米材料中贵金属的性能特别突出，也是大多数科学研究的重点，是一个非常受欢迎的方向。除金元素外的金纳米粒子除了身体的价值外，它也很稳定，不容易被氧化，是研究人员研究的热点领域。在未来，与生物学相结合，必然会有新的发展风景。金属纳米材料的生物化学制备会加强未来纳米和生物学领域的联系，相信会有更多相关学科的工作者对金属纳米材料的制备方法及应用领域加以研究，所以，金属纳米材料的生物化学制备方法还有更大的发展空间，其在生物医学领域的应用同样值得期待。

参考文献：

[1]唐乾,任文生,曹洪玉等.金属纳米材料的生物化学制备及在生物医学领域的应用[J].生物化学与生物物理进展,2022,49(07):1291-1304.

[2]马春蕾, 王琦, 唐建可. 一种基于银镜反应制备荧光银纳米颗粒的方法:中国, CN2017110129072018. 2018-03-20