TiO2的纳米生物效应的研究综述

　　引言

　　纳米科学已经发展成为当今世界上三大支柱科学（生命科学、信息科学、纳米科学）之一。纳米材料的特殊性质使之在电子学、光学、化学、生物、医药等诸多领域都具有重要价值，并得到了广泛应用。纳米科技预计将导致人类未来生产和生活方式的革命性变化，已经成为当前发达国家投入最多，发展最快的科学研究和技术开发领域之一[1].随着纳米技术的产业化，各种形式的纳米尺度的物质已经通过不同的途径进入我们的生活。然而，任何一项新的技术都会具有"双刃剑"的两面性，纳米科学技术也不例外。与纳米科学技术蓬勃发展趋势相比，人们对纳米技术的生物效应与安全性的关注和研究明显滞后。

　　与此同时，一个将纳米技术与生物、化学、物理、毒理学与医学等领域的实验技术结合起来，研究纳米尺度物质与生命过程相互作用及其结果的新兴科学领域-纳米生物效应也逐渐形成。相关报道指出，处于纳米尺度的材料可能跟周围的环境发生特殊的物理、化学上的相互作用而产生潜在的生物效应。研究结果表明：纳米材料可能在细胞、亚细胞甚至分子层次上影响正常的生理功能，破坏细胞膜的完整性，使核酸受到损伤，引起蛋白质的失活与氧化，造成能量传导的中断及由活性氧引发的细胞凋亡，并且，一些纳米颗粒与蛋白质分子大小相仿，能够很容易地在生物体内运动，沉积到某些器官当中，甚至能穿过细胞膜屏障，进入到线粒体中，从而引发机体的有害反应。Case 等人最近还发现，纳米粒子甚至能够不通过细胞膜屏障而对细胞内的 DNA 和染色体造成损伤，其损伤程度与直接暴露在纳米粒子里相似。然而，同细胞直接暴露在纳米粒子中不同的是：这种 DNA 损伤并没有引起显着的细胞凋亡。这种损伤的机制可能是由嘌呤核苷酸（ATP）和在细胞屏障内细胞之间通过连接蛋白间隙连接或半通道和激活蛋白通道信号传导引起。他们建议：

　　在评价纳米粒子安全性时，必须要考虑其直接或间接的潜在遗传毒性；当利用纳米材料进行疾病诊断标记时，也必须要考虑对细胞膜屏障后组织的潜在伤害。

　　1 纳米生物效应

　　1.1 杀菌消毒

　　目前，国外新型无机抗菌剂的开发与加工技术发展较快，已经形成一系列产品，其中纳米 TiO2高催化活性抗菌剂是具有最好的市场前景的品种之一。日本在 TiO2光催化抗菌材料研究与应用起步较早，今后的发展目光投向欧美等国际抗菌产品市场，也极其关注中国抗菌塑料的发展，纷纷抢滩中国市场。Pang 等首次采用单分散的核/壳结构的量子点作为光敏剂，制备了量子点光敏纳米 TiO2膜。活性氧实验证实了量子点具有光敏性能。同时，抗菌和 DNA 损伤实验也证实了量子点光敏纳米 TiO2膜具有很强的光敏活性。本课题组[2]采用微量热法，研究了 CdTe（QDs）/TiO2对 E.coli 的抑制作用，并与纳米 TiO2对 E.coli 的抑制作用进行了对比，测定并分析了产热功率-时间曲线、生长速率常数（k）、最大产热功率（Pm）、传代时间（tG）以及抑制率（I）等热动力学常数。
　　
　　结合 Hadama 荧光显微方法的直观测试，进一步佐证 CdTe（QDs）/TiO2相对于 TiO2表面结构的改变，可能是导致其抗菌效果较好的主要原因之一。TiO2的杀菌作用通常是在光照条件下进行的，用 LKB 2277 生物活性检测仪进行研究纳米 TiO2及其复合物的无光照条件下抗菌效果。由此可推测，实验中的抑菌效果主要源自纳米颗粒本身所表现出的对细菌的抑制作用，而并非纳米 TiO2及其复合物的光催化作用所导致的结果。还为 TiO2纳米复合物作为一种抗菌、杀菌材料在控制污染、净化和自净清洁剂的有效设计与广泛应用，提供了理论支持。

　　1.2 抗蚀性医学材料

　　在生物医学方面，由于纳米 TiO2具有一定理化性质和生物相容性，因此，作为医学材料也受到人们的高度关注。Liu 等研究了 TiO2薄膜与血液的相容性。结果表明：TiO2薄膜对于血液的相容性、抗凝血性、抗蚀性、耐磨损性良好，因此，纳米 TiO2可用于生物医用材料的表面改性。采用电化学法在 Ti6Al4V 基体上通过烷氧基化合物制备出纳米 TiO2膜，XPS 的分析结果表明：在生理环境下，纳米 TiO2可成为磷灰石异质核化的活性基体。进一步的实验证明：在室温下，纳米 TiO2薄膜能促使有机小分子在氧化物网络中快速扩散，从而与有机小分子的功能团形成较强的化学键，这就为 TiO2膜在钛基体上粘附一系列生物化学活性分子提供了可能。刘敬肖等也用离子束合成 TiO2薄膜并对 NiTi 合金表面进行改性，实验表明，其抗模拟体液的腐蚀性明显提高，凝血时间也相对延长。

　　1.3 光动力疗法

　　Xiong 等通过溶胶-凝胶技术，成功合成了硫化镉量子掺杂的TiO2纳米复合材料，基于癌症细胞的光动力疗法，该材料被用作一种新型"光敏剂".通过细胞计数试剂盒-8（CCK-8）法，使用硫化镉掺杂 TiO2对白血病肿瘤的光催化活性进行了研究。验结果表明，肿瘤与硫化镉掺杂的二氧化钛纳米材料在一起时，观察到其生长明显受到抑制，并且硫化镉掺杂二氧化钛存在下的 PDT 效率比二氧化钛的显着更高，表明 TiO2的光催化活性可以由硫化镉量子点修饰得到有效增强。在可见光照射下硫化镉掺杂的二氧化钛可以达到80.5%的降解效率，并且最终浓度仅有 200 微克每毫升。在这种条件下，CdS-TiO2催化纳米复合材料对应用于癌症细胞的治疗是非常有希望的。目前，在相同条件下，硫化镉掺杂的二氧化钛纳米复合材料杀死 HL60 癌症细胞的 PDT 效率要高得多，其进一步揭示了二氧化钛的光催化灭活机理，可以由 CdS 量子点修饰大大地改进。同时发现，针对 HL60 细胞，在 15 焦每平米的光照条件下，硫化镉掺杂的二氧化钛纳米复合材料的 PDT 效率可以在 200 微克/毫升的浓度条件下达到 80.5%.硫化镉二氧化钛纳米复合材料对癌细胞的高光催化灭活效果表明，基于光动力疗法治疗恶性肿瘤，它可能是一种重要有希望的光敏剂。

　　Xiong 等采用自组装的方法制备了纳米 QDs-CdS/TiO2复合物，并将其以及 TiO2用于 HL60 白血病细胞的光动力实验。实验结果表明在 412nm 处 QDs-CdS/TiO2对 HL60 细胞灭活效率高达 86.5%,可见 QDs-CdS/ TiO2复合物对 HL60 细胞有很高的灭活效率，是一种很有潜力的光敏药物。

　　1.4 分子印迹

　　Zhong 等通过巯基取代制备了量子点修饰的纳米 TiO2 复合荧光材料。实验表明，量子点作为敏化剂的纳米 TiO2 复合物具有高效的生物选择性和优良的生物敏感性。

　　Takeuchi 等以核糖核酸酶 A 作为蛋白质模板，通过分子印迹技术，以共价键固定在量子点上，再通过液相沉积法制备了核糖核酸酶 A-印迹 TiO2薄层。当 pH=7.0 时，核糖核酸酶 A-印迹 TiO2的荧光强度随着核糖核酸酶 A 的浓度的增加而下降，而非核糖核酸酶A-印迹 TiO2/量子点复合物的荧光强度改变较小。结果表明，复合物的荧光强度对蛋白质印迹具有很强的依赖性。

　　1.5 光电化学免疫测定

　　Xu 等首次利用光电化学免疫测定法，在天然条件下，成功将CdS QDs/TiO2纳米颗粒光电极，应用于心肌标志物肌钙蛋白 T 的分析与测定。该研究结果将为推动光电化学免疫测定法在更多更复杂的心脏标志物的研究做出重要贡献。

　　Zhu 等通过不同粒径的 CdTe QDs 共敏化合成了一种 TiO2/CdS:Mn 杂化结构的复合材料并开发出了一种超灵敏光电化学测定 DNA 的检测方法。利用共敏化信号的放大效应，针对 DNA 的探测精度可以达到 27aM.精确探测更低浓度的不同 DNA 靶标，将为不同疾病的早期检测与诊断提供一个有效平台。

　　Cai 等通过在核/壳型的 CdTe/CdS-TiO2纳米管光电极上交联抗三-（2,3-二溴丙基）异氰脲酸酯的抗体制备出了一种非标记的光电发光免疫感受器。该免疫感受器显示出了对三-（2,3-二溴丙基）异氰脲酸酯高度的选择性和灵敏性，检出限可以达到 6pM.在水和土壤体系中，这类免疫感受器也可以实现对三-（2,3-二溴丙基）异氰脲酸酯的有效检测。

　　1.6 发光猝灭

　　Drbohlavova 等利用一种低价、快速、可重复性的模板技术制备了 TiO2量子点阵列。对 BSA 和 DNA 两种生物分子进行发光猝灭实验，结果表明：生物分子浓度对发光猝灭有很强的影响，无毒的 TiO2量子点对体外的 DNA、蛋白质等有很强的敏感性。进一步显示了具有荧光性的 TiO2量子点阵列探测器在疾病诊断和体内成像方面可能具有重要的应用价值。

　　本课题组[3]采用共振光散射法（RLS）光谱方法，考察了 CZQ-T同 HSA 的相互作用，讨论并分析二者相互作用的外源影响因素，综合分析并归纳出体系的最佳测定条件，为进一步推断其反应机理提供了可靠的依据。这些提供的 QDs/TiO2复合物与蛋白质结合的信息，将为纳米材料与生物大分子的相互作用提供有力的理论支撑，从而有助于进一步了解纳米材料的生物相容性和安全性。

　　2 结束语

　　虽然量子点修饰纳米 TiO2复合材料的制备和应用得到了广泛的关注，但是该复合材料的在具体领域中的应用的作用机制还不是很明朗，应用领域还很有限，甚至还有一些不同的观点，这就更需要广大的科研工作者去深入研究。量子点修饰纳米 TiO2复合材料在空气净化、表面防雾露、表面超疏水性、表面工程等应用领域还大有可为。

　　参考文献：
　　[1]Yin Y D,Paul Alivisatos A P. Nature 2005,437:664-670.
　　[2]Li Y S,Li B Q,Sun S F. Acta. Chim. Sinica,2013,71:1656 -1662.
　　[3]Li Y S,Du J F,Sun S F,Zhao L.Spectros. Spect. Anal. 2014,34（4）：1040-1044.