纳米材料导论概述：广谱应用外文翻译资料

 2023-07-04 11:53:08

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纳米材料导论概述：广谱应用

1.1简介

纳米材料被用于开发光电器件、电子器件、生物传感器、纳米器件和太阳能电池，因为它们与体积形式相比具有独特的性质，例如小型化尺寸、绝缘性、弹性、导电性、机械强度和高反应性.它们根据几何形状、形态、成分、均匀性和聚集性进行分类。在几何上，它们是 0D、1D、2D 或 3D；在形态上，它们是球形、扁平、针状或随机取向（例如，纳米管和纳米线），具有各种形状，如螺旋形、带状、锯齿形，具有高纵横比和球形、椭圆形、立方体和柱形，具有低纵横比比例，并以粉末、胶体和悬浮液形式存在。根据成分，纳米材料要么是单一成分的材料，要么是聚合物、金属、陶瓷和合金等多种材料的复合材料。工程纳米材料可以通过气相工艺、机械工艺、气相沉积合成、共沉淀等方法合成，以团聚状态或均匀分散在基体中，使其具有化学和静电性能。由于它们的表面能，簇或附聚物是可能的，并且可以通过适当的化学处理来避免它变得均匀。根据纳米材料的组成，它们分为单金属、双金属、三金属、金属氧化物、磁性、混合、半导体、复合材料等。此外，许多纳米材料可以根据它们的取向、形态和特性进行分类，包括量子点 (QD)、纳米线、纳米管、纳米纤维、纳米流体、纳米带、纳米带、纳米胶囊、纳米弹簧、纳米片和纳米复合材料 [1-3]。

如今，纳米材料广泛用于生物医学、环境和农业等各个领域的各种应用。最近有报道称，具有独特光学特性的金纳米材料可用于比色传感器，具有广泛的应用[4]。此外，周等人报道了利用生物医学、环境科学、能源储存和材料科学的碳纳米纤维。这些功能性纳米材料被用作环境吸附剂、超级电容器、电池、燃料电池、太阳能电池、传感器、生物传感器、抗菌材料、组织工程和敏锐的记忆材料[5]。此外，最近制造了生物活性蛋白质和基于纳米材料的先进版本的生物传感器，用于即时诊断、环境监测和食品安全[6]。此外，众所周知，当在混凝土中使用纳米材料（纳米氧化铁、碳纳米管 (CNT)、氧化石墨烯 (GO)、粉煤灰和钢纤维）时，可通过增强机械特性来提高耐久性和可持续性，这为他们提供了在机械工程领域的各种应用[7]。

本书的这一章题为“生物纳米技术中的纳米材料”：基础和应用”强调了纳米材料在生物医学、环境和农业领域的基本用途以及当前的趋势和前景。此外，本书将在第2章详细介绍纳米材料的分类、合成和性质，然后在第3章详细介绍生物材料的生物合成。此外，第4章还讨论了基于纳米材料制造各种技术的化学方面。第5章涉及新兴的纳米复合材料及其多功能应用，接下来是第6章，讨论当前环境、农业和生物医学领域的纳米材料。本书第7章讨论了用于环境危害分析、监测和清除的纳米材料，第8章讨论了基于纳米材料的近期农业趋势。此外，第9章和第10章讨论纳米材料在食品领域的作用，第11章和第12章讨论纳米材料在疾病诊断中的作用，本书的最后一章，即第13章，讨论纳米材料的潜力。纳米材料作为治疗各种疾病的纳米药物。

1.2生物医学应用

纳米材料具有潜在的生物医学应用（图 1.1），使用具有独特特性的无机或有机-无机材料，例如在 1 到 100 nm 尺度上的物理化学、光学、磁性和刺激响应，用于药物递送、靶向药物递送、基因递送、生物成像、生物传感器、细胞标记和光消融治疗 [8-11]。戴等人。（2020）报道了基于纳米材料的早期诊断肝细胞癌的新方法，肝细胞癌是一种世界闻名的肝癌，因为其早期发现和治疗可以改善患者的生活[12]。顾等人。(2020) 报道了基于磁性纳米材料的电化学生物传感器，用于选择性检测与肿瘤细胞的细胞表面蛋白及其核酸相关的癌症生物标志物 [13]。核医学成像是一种检测伽马射线的癌症诊断方法。最近，Ge 等人。(2020) 报道了基于纳米材料的放射性示踪剂，用于癌症的早期和准确诊断 [14]。在现代生物医学科学中，外泌体癌症生物标志物以癌症的早期诊断和治疗而闻名。Shao 和 Xiao (2020) 报道了基于纳米材料的光学生物传感器来检测外泌体癌症生物标志物 [15]。汗等人。（2020 年）报道了纳米酶，这是生物医学和工业生物传感和治疗活动中的下一代生物材料 [16]。此外，张等人。(2020) 报道了用于检测、诊断和治疗的下一代人工酶 [17]。李等人。（2020）报道了基于纳米酶的复合材料，一种用于预防或抵抗细菌生物膜的智能多功能治疗剂[18]。杨等人。（2020 年）报告了有关细菌感染相关疾病的详细信息，这些疾病正在全球范围内引起健康问题，因为抗生素的使用导致抗生素耐药性，为了克服这些问题，纳米酶，具有酶活性的无机纳米结构，由于其

图 1.1 纳米材料在生物医学领域的广谱应用。

优异的抗菌性能和可忽略的生物毒性[19]。约翰逊等人。（2020）报道了石墨烯纳米带，单层石墨烯条，本质上是两亲性的，具有独特的性质和高表面积，可用于生物医学应用，如基因治疗、药物递送、抗菌治疗、抗癌治疗、光热疗法、生物成像和传感[20]。 李等人。（2020）报道了含硒纳米材料，具有良好的生物相容性，可用作氧化还原刺激物、药物输送载体和治疗癌症的抗癌药物，因为它是全球健康问题并造成全球经济负担[21 ]。此外，乔希等人。(2020) 报道了基于纳米材料的电化学传感技术，用于检测环境介质、人体体液以及食品和饮料样品中的抗生素残留。在某种程度上，这是解决这个问题的努力，因为抗生素是一种基本药物，但不受控制的使用和处置会导致严重的环境和健康问题[22]。除此之外，Wang 等人。（2020 年）报道了用于光催化、电子、能源和生物医学/生物医学的钛基纳米材料，因为以前钛基纳米材料用于光热、光动力和声动力治疗以及药物输送系统 [23]。此外，基于磷的纳米材料具有独特的物理化学、光学和生物学特性，广泛应用于生物学和纳米医学[24]。纳米材料可用于改进ELISA（酶联免疫吸附试验）等各种传统检测方法，改进后的基于ELISA的纳米材料在环境监测、临床诊断和食品质量控制等方面具有巨大的应用价值。这种改进的 ELISA 基于比色法、荧光法、电化学法、光热法和拉曼散射法，使用纳米材料作为信号报告物、酶模拟物和装载载体 [25]。绿色路线的生物合成纳米材料广泛应用于生物标记、生物成像、制药、环境监测和食品包装[26]。光热疗法是一种使用纳米材料治疗耐药细菌和细菌生物膜的非侵入性治疗技术。因此，陈等人。（2020）报道了涉及光热疗法的多功能治疗诊断纳米平台[27]。Ehtesabi (2020) 报告说，唾液是一种生物流体，具有不同的生物标志物，可通过生物传感技术和基于碳纳米材料（CNT、碳点、石墨烯、GO、还原 GO (rGO) 和石墨氮化碳）的生物传感器进行检测一种潜在的作用，可用于诊断、治疗、配制、监测和管理具有不同异常的患者，例如葡萄糖、氨基酸、激素、癌症抗原、癌症生物标志物、病毒、细菌、唾液酸、尿酸和多巴胺 [28 ]。此外，据报道，自然界具有不同功能、大小和形状的天然纳米材料，例如金属纳米粒子和量子点，它们用于比色、荧光和电化学传感，以检测感兴趣的分析物 [29] .纳米材料有许多电子、食品和生物医学应用，导致人体暴露以及生物和毒性效应。吴等人。(2020) 报道了纳米材料的线粒体毒性，它改变了线粒体形态和细胞色素 C 的释放，改变了膜电位，并克服了这些缺点，并且正在合成工程纳米材料，例如二氧化硅纳米粒子、磁性纳米粒子、量子点、树枝状聚合物、聚合物纳米粒子纳米纤维、石墨烯、碳纳米管、脂质体和胶束 [30,31]。蛋白质的聚集会导致健康障碍，例如，大脑中的淀粉样蛋白原纤维、眼睛玻璃体中的漂浮物和血液中的凝块。Sauvage 等人。（2020 年）报道了由于纳米材料对有害蛋白质聚集体的刺激响应特性，纳米材料可以避免和破坏蛋白质聚集体 [32]。此外，Zeng 和 Chen (2020) 报道了黑磷基纳米材料 (2D) 的表面改性，以实现安全的治疗效果，从而在生物医学领域提供多功能应用 [33]。生物医学工程需要利用高度功能化的生物材料。因此，Park 等人。(2020) 报道了智能或功能性有机/无机杂化生物材料作为纳米粒子和纳米复合材料在医学应用领域中用于诊断和治疗各种人类疾病 [34]。刘等人。(2020) 报道了通过心脏组织工程使用导电纳米材料治疗心肌梗死 [35]。Ehtesabi (2020) 报道了一种基于碳纳米材料的生物传感器，可用于检测各种人类致病病毒（人类免疫缺陷病毒 (HIV)、流感病毒、寨卡病毒、肝炎病毒、登革热病毒、埃博拉病毒和腺病毒）。全球疾病和死亡的主要原因[36]。纳米材料在通过化学疗法和放射疗法来控制癌症的癌症治疗中发挥着巨大的作用。纳米材料最近被用作载有化学治疗剂的纳米载体以实现有效的治疗效果，因为它是基于纳米技术应用的，因此，它具有极少的脱靶效应并且不会伤害身体。图 1.2 描述了纳米技术在生物成像中的作用以及它如何比其他传统技术更安全。因此，基于纳米材料的治疗和成像具有良好的药代动力学和药效学，这为它们提供了作为有效致癌治疗剂的潜力[37]。严重急性呼吸系统综合症冠状病毒 (SARS-CoV-2) 等传染病的传播对人类健康构成严重威胁。因此，迫切需要

图 1.2 纳米材料作为癌症疾病诊断生物成像中副作用较少的药物的图示。

需要一种有前途的技术来检测这些致命的传染病病原体，而无需复杂的工具/技术；为此，纸质分析设备甚至比色策略很有前景，因为肉眼可以轻松解读它们，它将成为一种即时检测设备。Nguyen 和 Kim (2020) 使用纳米材料介导的纸基生物传感器开发了一种比色病原体检测试剂盒 [38]。此外，据报道，在阿尔茨海默病（一种神经退行性疾病）中，负载生物活性分子的纳米材料作为纳米载体（CNT、QD、磁性纳米颗粒、多功能脂质体、聚合物纳米胶囊和纳米乳液）对治疗这种疾病非常有帮助。除此之外，Ag、Au、石墨烯、CNT、磁性纳米颗粒、聚合物和 QD 等纳米材料被用于制造电化学和光学纳米生物传感器，以识别阿尔茨海默病的生物标志物，以增加对这些类型的早期诊断疾病 [39]。纳米材料通过药物、生物分子和靶配体等多活性探针在自身免疫性疾病的预防、诊断和治疗中非常有用。柴等人。(2020) 报道了基于纳米材料的免疫治疗策略和自身免疫发病机制 [40]。此外，毛等人。（2020 年）报告了一种基于电化学适体传感器的新技术，用于监测和评估社区范围内的非法药物使用，因为这些药物是我们社会中经常使用的以犯罪为导向的药物，对此类药物的监测对于打击犯罪非常重要 [41 ]。除此之外，Jung 等人。（2021 年）报道了在生物成像、生物传感器、药物输送系统、诊断和治疗中使用纳米结构多孔硅材料的表面工程，用于生物医学应用的纳米材料 [42]。在当今社会，由于耐药菌株的存在传染病无法得到妥善治愈。奥贡索纳等人。(2020) 报道了使用纳米颗粒作为抗菌剂在人类感染前杀死病原体或限制微生物生长的有效治疗方案。工程抗菌材料可用于抗菌应用，并在水处理、医疗保健、替代食品包装和防污涂料中非常有效 [43]。萨胡等人。(2020) 报道了利用基于纳米材料的 O2 输送来去除肿瘤部位的内源性 H2O2 以逆转缺氧。缺氧是癌症生长和转移的氧气供应和消耗之间的不平衡，是癌症治疗的障碍[44]。此外，王等人。(2020) 报道了普鲁士蓝作为治疗铊中毒的解毒剂，因为基于普鲁士蓝的纳米材料广泛用于癌症治疗、药物输送和分子成像，它们是未来生物医学应用的候选者 [45]。艾哈迈迪安等人。（2020 年）报告了基于纳米材料的耐药性筛选技术，这是由于全球医疗危机而导致的当前全球情景的需要，这会降低药物疗效并产生毒性 [46]。如今，广泛的纳米材料被广泛用作免疫调节剂，用于疫苗接种或癌症免疫治疗中的免疫调节[47]。萨卡尔等人。(2020) 报道了具有潜在生物医学应用的溶菌酶，当这些溶菌酶与蛋白质结合形成纳米复合材料时，它们表现出多方面的应用 [48]。纳米载体如树枝状大分子、脂质、无机纳米颗粒、天然聚合物和纳米乳液负载的乳铁蛋白（一种糖蛋白）作为诊断和治疗剂具有巨大的作用[49]。此外，金纳米粒子广泛用于生物和催化、生物传感、诊断、治疗和成像的化学领域。AuNP 已显示 出 胶体稳定性，这为它们提供了癌症成像/诊断以正确治疗癌症的潜力 [50]。此外，使用含有植物化学物质的植物作为纳米粒子合成的 生物还原剂的生物合成纳米粒子是有效的抗菌剂和各种癌症治疗的治疗剂<sup

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