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郑州华晶金刚石股份有限公司

大咖来了:中科院理化所只金芳研究员带您挖掘纳米金刚石生物医药领域应用前景

关键词 纳米金刚石 , 医学|2020-10-15 10:12:36|来源 Carbontech
摘要 重磅!近日,中国新冠疫苗最新消息:目前国药集团新冠疫苗已经在北京和武汉开放预约接种,预约者将在约2周后收到通知,并到指定地点注射。这则消息无疑是为黯淡的2020年添上一抹兴奋的色彩...

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重磅!近日,中国新冠疫苗最新消息:目前国药集团新冠疫苗已经在北京和武汉开放预约接种,预约者将在约 2 周后收到通知,并到指定地点注射。

这则消息无疑是为黯淡的2020年添上一抹兴奋的色彩!令人难忘的2020年只剩下不到四分之一了,苦日子似乎就要熬出头了。在这一年里,一种直径不超过140纳米的新冠状病毒,几乎让全球70亿人活在小心翼翼中。
       目前,在新冠袭扰下的2020年,全球疫情持续升温,印度、美国均累计确诊700万+!人们对于生命认知与感悟加强,对健康与医疗技术的要求不断提高。新冠疫苗等药物研发以及稳定性、安全性的研究成为全球研究重点!尤其是纳米医学
       纳米医学的出现发展至今,俨然成为现代医疗的一个重要发展方向。目前,随着纳米材料和纳米技术的发展以及人类对于生命系统和生命过程的认知不断深入,纳米技术与生物医药领域的融合交叉研究,对于疾病的预防、诊断和治疗等生物医学的发展起到重大推动作用,展现出其广阔的应用前景。
       目前,纳米技术已经成功地用于各种疾病的检测与治疗,美国FDA也已经批准了超过60种含有纳米材料的药品申请。在医疗领域,“早发现,早治疗”已经成为一个医学常识,但传统检测技术的检测精度和准确度都难以达到“早发现”的目的。因此,在检测和诊断疾病方面,众多医疗创新公司也逐步将目光转向纳米技术。
       近年来,人们发现一些纳米结构在“空载”的状态下,即能依靠自身的生物学效应产生一定的疗效。纳米金刚石具有优良的药物递送能力和较好的生物相容性,但通常被视为一种不具备生物活性的纳米载体。

       纳米金刚石,指粒径在1~100nm的金刚石晶粒存在形态,其兼有金刚石、纳米材料的特性,一种具有生物相容性、低毒性、荧光效应等特性的纳米惰性材料。这主要依托于其大的比表面积,:纳米金刚石的比表面可以达到200~420 m2/g,从而具有很强的表面活性,可吸附大量杂质原子或基团。通过傅立叶红外光谱分析发现,纳米金刚石表面吸附有-OH、-COOH、-C-O-C-、-C=O等官能团。随着使用氧化剂的不同,还含有氯酸根、硫酸根和含氮官能团等。

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近年来,科学家们也积极地利用纳米金刚石颗粒独特的惰性、生物相容性和根据需求很容易实现功能工程化设计的特性于医药领域中,包括载药、标记、蛋白质分离、抗癌治疗、杀菌等方面 ,在生物医药领域突显出其愈来愈重要的作用。已有研究报道,纳米金刚石能够和DNA、阿霉素、酶、胰岛素、细胞色素C、生长激素和抗原等通过共价键或非共价键的方式结合,作为一种潜在生物成像工具、荧光探针材料、药物转运工具而发挥作用,以下是具体介绍。

1. 药物载体材料

纳米技术为药物的传输提供了新的方式和途径,纳米金刚石的晶体表面有许多官能团,能和药物以共价键或非共价键的方式结合,把药物运输到靶细胞、靶器官来发挥药性。
       ①转铁蛋白与荧光纳米金刚石共价结合后能通过受体介导的内吞作用进入细胞,其摄取机制是一种温度、能量、网格蛋白依赖的途径,从而纳米金刚石可作为一种特殊的细胞摄取与药物传输的工具。除了受体介导的机制外,胰岛素以非共价的方式吸附到纳米金刚石表面,可作为一种pH依赖的蛋白质传输工具,其中胰岛素的释放是可调的,并保留着原有活性。研究结果显示,纳米金刚石不仅能够作为有效的转运载体,而且其转运机制也比较明确。因此,可以进一步拓展其作为载体在生物医学领域中的应用。
       ②纳米金刚石用于吸附溶菌酶时,能形成抗菌活性更高且具有非入侵性的溶菌酶复合物;
       ③用于治疗白血病的柔红霉素结合到纳米金刚石表面时,纳米金刚石能把药物运到癌细胞内而不被泵出,且纳米金刚石由于其非侵入性的大小和独特的表面特性,可以很容易地释放,而不堵塞血管。
       2. 细胞标记

       荧光细胞标记物在生命科学领域扮演着重要的角色,但许多可用的标记物在物理、光学以及毒性方面都存在着一定的缺陷。纳米金刚石化学性质稳定,不易与其他物质发生反应,且无毒无光致漂白剂,但是可发荧光。这使纳米金刚石比其他荧光标记物更适合用于细胞标记。CHAO等将溶菌酶-纳米金刚石复合物与大肠杆菌相互作用,其不仅表现出较高的抗菌活性,而且可以检测到纳米金刚石的拉曼信号。

       3. 蛋白质分离与纯化

       纳米金刚石有较大的比表面积,且表面附有羧基、内脂、羟基、酮和烷基等亲和蛋白质的化学基团,因而纳米金刚石可用于蛋白质的分离。其优势在于可简化提纯蛋白质过程、缩短分离时间、不使用特殊色谱设备等,方便科研工作人员的研究工作。

       4. 抗癌治疗

       纳米金刚石表面具有多种化学基团,它们可用于肿瘤成像和治疗,并已成为癌症治疗的重点方向。一些研究表明,抗癌药物与纳米金刚石连接后能够减少毒副作用,提高靶向性,并表现出较强的抗癌活性。如紫杉醇与表面修饰的纳米金刚石共价连接以后,其抗癌活性比单独紫杉醇的抗癌活性要高。10-羟基喜树碱与纳米金刚石结合,形成10-羟基喜树碱–纳米金刚石复合物,对Hela细胞的体外毒性比单10-羟基喜树碱强。

       5. 对免疫系统的作用

       纳米金刚石与纳米铂的混合材料( DPV576-C)在体外作用于树突状细胞后,可增加CD83和CD86的表达,上调树突状细胞分泌的细胞因子IL-6、TNF和IL-10 的水平,提高CD4+T 细胞生长的能力。在体内DPV576-C 作用于C57BL /6 小鼠后,与未处理的C57BL /6 小鼠相比,能够增加CD4+和CD8+ T细胞和它们的激活标记物CD25 和CD69 的百分比,增强NK 细胞的活力,而且没有组织病理学上的毒副作用。因此,该混合材料可用于提高癌症治疗过程中的免疫应答反应以及治疗病人的免疫功能障碍。

       6. 生物传感

       生物传感器是一种利用生物物质(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜、微生物、细胞等) 作为识别元件,将生化反应转变成定量的物理化学信号,从而能够进行生命物质和化学物质检测和监控的装置。随着纳米金刚石应用范围的扩大,许多研究人员发现了它在生物传感方面的应用价值。葡萄糖生物传感器能够简单迅速的进行疾病诊断,对治疗糖尿病有重要意义。非掺杂的纳米金刚石修饰的金电极可作为一种电化学的葡萄糖传感器。在这一研究中,纳米金刚石粒子包裹在金电极的表面,然后将葡萄糖氧化酶固定在纳米金刚石表面,纳米金刚石预先修饰电极的阳极,不仅能够提高电子在纳米金刚石芯片中转移的速率,而且能够显著的改善溶解氧的减少。这一发现可以通过监测氧减少的电流变化来检测负电位的葡萄糖。
       纳米金刚石在癌症诊断以及抗癌药物传输方面意义深远重大,在生物医药领域等诸多方面显示出卓越的应用价值。
       但纳米金刚石具有极大的比表面积,处于热力学不稳定状态,很容易发生团聚,形成二次颗粒,使粒子粒径变大,最终在使用时不能发挥出其所具有的特有功能。因此,纳米金刚石应用必须要解决其在介质中的分散性及稳定性问题。目前纳米金刚石表面改性方法主要有表面包覆改性、表面化学改性、机械力化学改性等方法。

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       表面包覆改性

       表面包覆改性是表面改性剂在颗粒表面吸附形成一定厚度的稳定的吸附层,从而产生位阻效应,形成很强的排斥力;一是通过增大颗粒表面电位的绝对值,从而增加颗粒间的相互排斥作用;二是通过增强介质对它的润湿性,从而增强颗粒间的表面溶剂化膜作用力,增大排斥力,使颗粒间再团聚十分困难。
       表面包覆改性方法通常要配合超声波法进行,虽然工艺简单,可操作性强,但是纳米金刚石在介质中的分散均匀性还不太好,团聚体尺寸比较大,稳定分散的时间也比较短,而且不同的改性剂品种、用量和用法,对改性效果和改性后产品的应用性能也有很大影响。

       表面化学改性

       表面化学改性是通过颗粒表面与表面改性剂发生一定的化学反应或吸附来实现的。在纳米金刚石表面在纳米金刚石表面接枝上不同的官能团来达到改性目的。此种方法相较于表面包覆改性方法效果会更明显,纳米金刚石团聚尺寸明显下降,在溶液中的稳定分散时间持续也比较长,但是此种方法只适用于初始原料平均粒径比较细的纳米级金刚石。
       机械力化学改性

       机械化学改性是指通过超微粉碎及其他强烈机械力作用来对粉体表面进行激活,在一定程度上改变颗粒表面的晶体结构、化学吸附和反应活性,促使颗粒与其他物质发生反应或相互附着,达到表面改性目的的改性方法。
       纳米金刚石在癌症诊断以及抗癌药物传输方面意义深远重大,将会是未来发展的一个重要方向。但目前大多数产品还处于研发与临床试验阶段。如何进一步将纳米金刚石更大程度发挥金刚石的优异特性?如何解决纳米金刚石团聚问题?如何提高纳米金刚石与不同药物结合的稳定性?如何对不同药物表现出的亲疏性、药物在输送过程中释放的可调性等?

       2020年11月17-20日,第五届国际碳材料暨产业展览会金刚石创新应用论坛,中科院理化技术研究所只金芳研究员将重点讨论纳米金刚石的表面改性及在生物医药领域的应用,就纳米金刚石的功能化修饰,分散以及在医药领域的应用及其毒性问题进行深入探讨,邀您共同挖掘纳米金刚石未来应用前景!

       只金芳研究员(博士生导师),1984年毕业于南开大学,1987年南开大学硕士学位。1995年获日本东京大学工学部博士学位。1995年至1999年,日本NOK 先端技术研究所任研究员。2000年至2003年任日本JST研究员。2005年至2006年12月日本早稻田大学客座研究员。2003年作为中国科学院理化技术研究所国外引进人才回国。

       长期从事金刚石薄膜电极材料,纳米金刚石材料等的利用研究。发表120余篇学术论文,授权专利30余项。先后主持和承担科技部国际合作重大项目,国家自然科学基金,北京市自然科学基金重大项目;中科院国际合作等项目。现任任中国感光学会理事,中国光催化专业委员会秘书长,常务副主任。

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