用于生物學(xué)應(yīng)用的銀納米材料

 

銀納米材料具有獨(dú)特的物理、化學(xué)以及光學(xué)性質(zhì)，目前正在用于各種的生物應(yīng)用。作為廣譜的抗菌劑，銀的功用重新受到重視，已開(kāi)發(fā)了數(shù)百種包含銀納米粒子的產(chǎn)品來(lái)防止細(xì)菌在表面的生長(zhǎng)。此外，銀納米粒子具有與其尺寸和形狀相關(guān)的光學(xué)顏色。銀納米粒子與特定入射光波長(zhǎng)的強(qiáng)耦合可用于開(kāi)發(fā)超高亮度的報(bào)告分子、高效熱吸收器和可放大局部電磁場(chǎng)強(qiáng)度的納米級(jí)“天線”。我們總結(jié)了如何精確地設(shè)計(jì)銀納米粒子的尺寸和形狀使其能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的生物應(yīng)用。 

 

銀納米材料表面化學(xué)，形態(tài)學(xué)和光學(xué)性質(zhì)

在銀納米材料合成期間，可以調(diào)整反應(yīng)條件以產(chǎn)生具有各種形態(tài)的膠體銀納米粒子，包括單分散納米球、三角棱鏡、納米片、立方體、線和納米棒。為了其生物應(yīng)用，必須小心控制銀納米粒子的表面化學(xué)性質(zhì)、形態(tài)和光學(xué)性質(zhì)，以獲得在目標(biāo)環(huán)境中期望的功能。

 

表面化學(xué)

許多生物學(xué)應(yīng)用中，需要調(diào)整不同緩沖液或介質(zhì)中的膠體穩(wěn)定性，或者通過(guò)表面相互作用來(lái)改變顆粒結(jié)合或攝取?？梢愿淖冾w粒的表面化學(xué)性質(zhì)（即結(jié)合強(qiáng)度、官能團(tuán)以及封端劑的尺寸）以達(dá)到對(duì)顆粒行為的額外控制。在水性介質(zhì)中，許多納米粒子通過(guò)在粒子表面添加帶電粒種而達(dá)到靜電穩(wěn)定。電荷的類型和密度可以通過(guò)測(cè)量膠體的電動(dòng)電勢(shì)來(lái)確定。通常來(lái)說(shuō)，由于表面結(jié)合了分子如檸檬酸鹽，銀納米顆粒的電動(dòng)電勢(shì)一般為負(fù)值。通過(guò)將納米粒子暴露于更緊密配位的配體（通常含有巰基或胺官能團(tuán)）之中，新的封端劑可以結(jié)合到納米粒子表面并改變其化學(xué)功能和電動(dòng)電勢(shì)。 用短鏈甲氧基末端的聚乙二醇（mPEG）分子替代檸檬酸鹽離子可得到接近中性的電動(dòng)電勢(shì)，而用支鏈聚乙烯亞胺（BPEI）覆蓋的粒子可產(chǎn)生具有高的正電動(dòng)電勢(shì)的胺密集表面。

 

形態(tài)學(xué)和光學(xué)性質(zhì)

銀和其它貴金屬納米粒子顯示了與光的強(qiáng)烈的相互作用，因?yàn)榻饘俦砻娴碾娮颖惶囟úㄩL(zhǎng)的光激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)生集體振蕩。這種振蕩被稱為表面等離子體共振（SPR），它導(dǎo)致銀納米粒子的吸收和散射強(qiáng)度比同等大小的非等離子體納米粒子高得多。銀納米粒子的吸收和散射性質(zhì)可通過(guò)控制粒子大小、形狀以及靠近粒子表面局部折射率來(lái)調(diào)節(jié)。

 

球狀銀納米粒子的光學(xué)性質(zhì)高度依賴于納米粒子的直徑和均勻性，可通過(guò)仔細(xì)調(diào)整制造條件來(lái)生產(chǎn)尺寸可控的顆粒，變異系數(shù)（直徑/平均直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差）小于15％ （圖1A）。圖1B中顯示的是相同質(zhì)量濃度（0.02mg / mL）下，10種不同尺寸的銀納米粒子的消光光譜。較小的納米球主要吸收400nm峰附近的光，而較大的納米球散射增加，在較長(zhǎng)波長(zhǎng)處具有更寬的譜峰和峰強(qiáng)度。

銀納米片是表面等離子體共振（SPR）的薄片形納米粒子（圖2A），其在光譜的可見(jiàn)光和近紅外區(qū)具有非常大的吸收和散射橫截面。通過(guò)精確控制平板直徑和厚度，納米片的光學(xué)共振可以調(diào)整到特定波長(zhǎng)（550 nm-950 nm，圖2B和2C）的峰值。納米片可應(yīng)用于表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS），太陽(yáng)能光伏，分子檢測(cè)和基于光熱的治療。

 

表面增強(qiáng)光譜

銀納米粒子在生物中的其他應(yīng)用基于其表面和表面附近的增強(qiáng)電磁場(chǎng)的利用。在等離子體共振波長(zhǎng)處，銀納米顆粒充當(dāng)納米天線，增加了局部電磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

 

從增強(qiáng)的電磁場(chǎng)中受益的一種光譜技術(shù)是拉曼光譜，其中分子可以通過(guò)其獨(dú)特的振動(dòng)模式來(lái)識(shí)別。盡管來(lái)自于分子的光子的固有拉曼散射很弱，并且需要長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量來(lái)獲得拉曼光譜，但來(lái)自于等離子金屬納米粒子表面附近的分子的表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）提供了大大增強(qiáng)的拉曼信號(hào)。 SERS效應(yīng)可以將結(jié)合分子的拉曼散射增強(qiáng)多達(dá)14個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至可以檢測(cè)單個(gè)分子。1,2增強(qiáng)是由高電場(chǎng)強(qiáng)度（或“熱點(diǎn)”）在納米粒子表面上的位置處產(chǎn)生，因此也高度依賴于納米粒子的幾何結(jié)構(gòu)、表面特征和分子的特定位置。顯示來(lái)自關(guān)聯(lián)分子SERS（SERS納米標(biāo)簽）的金屬納米粒子已被用于一系列生物醫(yī)學(xué)標(biāo)簽，以及包括免疫測(cè)定、核酸序列檢測(cè)、體外細(xì)胞成像、體內(nèi)成像和流式細(xì)胞術(shù)在內(nèi)的平臺(tái)。

 

增加的局部場(chǎng)延伸到納米粒子的表面之外，并且通過(guò)將熒光團(tuán)放置在離銀納米粒子表面很短的距離處導(dǎo)致的現(xiàn)象稱為表面增強(qiáng)熒光（SEF）。在20世紀(jì)70年代，SEF首先被觀察到，并且它可以提高熒光團(tuán)發(fā)射強(qiáng)度的數(shù)量級(jí)。3熒光團(tuán)的增強(qiáng)可以歸因于兩種效應(yīng)：1）由于等離子顆粒大的吸收和散射截面導(dǎo)致入射光的聚焦，以及2）允許激發(fā)態(tài)以更高頻率返回到基態(tài)的熒光團(tuán)熒光壽命的減少。 總的來(lái)說(shuō)，這兩種現(xiàn)象減輕了有機(jī)染料分子常見(jiàn)的兩個(gè)缺點(diǎn)：1）分子的低吸收截面，以及2）每個(gè)分子激發(fā)和發(fā)射的緩慢的循環(huán)時(shí)間。為了最大化熒光團(tuán)的熒光增強(qiáng)，金屬納米粒子的光學(xué)性質(zhì)和SEF納米標(biāo)簽的幾何結(jié)構(gòu)必須仔細(xì)設(shè)計(jì)，通過(guò)精確控制金屬粒子尺寸、形狀、組成以及顆粒表面附近的熒光團(tuán)分布。

 

圖3中顯示了用染料分子達(dá)到最佳SERS和SEF效果所必需的不同附著策略的示意圖。將染料分子附著到金屬納米粒子上通常會(huì)導(dǎo)致發(fā)射猝滅，原因是熒光團(tuán)的激發(fā)態(tài)和金屬的電子態(tài)之間的能量轉(zhuǎn)移。在這種情況下，由于粒子表面的高電磁場(chǎng)，分子的拉曼光譜會(huì)劇烈的增強(qiáng)（圖3A）。將熒光團(tuán)稍微遠(yuǎn)離粒子表面以防止熒光猝滅，并且由于高局部電磁場(chǎng)，導(dǎo)致了分子的光電發(fā)射大大增加（圖3B）。

 

抗菌應(yīng)用

銀的抗菌作用可以追溯到希臘人和羅馬人，他們通過(guò)將水儲(chǔ)存在銀器中來(lái)延長(zhǎng)其可飲用性。銀離子從容器壁釋放，并通過(guò)銀離子與重要的細(xì)菌酶和蛋白質(zhì)的巰基相互作用來(lái)達(dá)到抗菌的作用。這影響了細(xì)胞呼吸作用和跨膜離子運(yùn)輸，病導(dǎo)致細(xì)胞死亡 。4,5針對(duì)銀納米粒子毒性的其他抗菌途徑也被提出。銀納米粒子可以錨定并隨后穿透細(xì)菌細(xì)胞壁，導(dǎo)致細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)破壞。6在銀納米粒子表面產(chǎn)生活性氧可導(dǎo)致氧化應(yīng)激，為細(xì)胞損傷提供了進(jìn)一步的機(jī)制。7 對(duì)細(xì)菌有特定毒性的同時(shí)保持對(duì)人類的低毒性，使得銀納米粒子整合到了多種多樣的產(chǎn)品中，包括傷口敷料、包裝材料和表面防污涂料。

 

銀納米粒子抗菌活性的核心機(jī)制是給銀離子提供了高表面積源。在水性環(huán)境中，當(dāng)粒子表面溶解時(shí)，根據(jù)化學(xué)計(jì)量反應(yīng)，粒子在氧和質(zhì)子存在下氧化，釋放出Ag +離子。

 粒子表面溶解時(shí)，釋放出Ag+離子。隨著溶液中銀離子濃度的增加，逐漸接近平衡狀態(tài)并且銀溶解減慢。但是，如果局部環(huán)境中存在對(duì)銀具有親和性的分子（例如巰基或氯），則溶液中游離銀離子的濃度依然較低，銀離子則繼續(xù)從銀納米粒子中溶解。在各種不同溶液中，銀納米粒子的長(zhǎng)期抗菌效力依賴于有效濃度銀離子的維持。

 

銀離子釋放速率

銀納米粒子的銀離子釋放速率取決于許多因素，包括納米粒子大小、形狀、封端劑，聚集狀態(tài)和環(huán)境。由于高度彎曲或應(yīng)變的納米粒子表面的高表面能，最小粒徑通常具有最快的離子釋放速率。形狀也有助于離子釋放速率。圖4顯示了不同大小的球形納米粒子和銀納米片的離子釋放曲線。

  

正如預(yù)期的那樣，較?。?0nm直徑）的銀納米球與較大（直徑110nm）的納米球相比，顯示出明顯更高的釋放速率和最終離子濃度。非均質(zhì)的銀納米片具有與球形顆粒顯著不同的離子釋放速率。平均直徑為150nm的大銀納米片與10nm球形銀粒子相比，幾乎具有相同的隨時(shí)間的銀濃度分布曲線，并且35nm直徑的納米片的銀離子濃度幾乎是小銀球的兩倍。

 

表面的官能化也在離子釋放速率中起作用，與更易于置換的穩(wěn)定化分子（如檸檬酸鹽）相比，緊密結(jié)合的含巰基封端劑通常會(huì)降低釋放速率。粒子的聚集也會(huì)降低離子釋放速率，但聚集的更大影響是由沉降引起的動(dòng)力學(xué)和分布的變化。影響離子釋放率最大的因素是納米粒子環(huán)境。升高的溫度，氯、巰基和氧氣的存在都會(huì)影響釋放速率。在一些生理介質(zhì)中，銀納米粒子可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完全的溶解。

 

通過(guò)了解銀納米粒子的物理和化學(xué)性質(zhì)如何影響釋放速率，可以設(shè)計(jì)銀納米材料復(fù)合體，用以獲得期望的離子釋放曲線。這種優(yōu)化非常重要，可以將所需的銀數(shù)量降至最低，得到更具成本效益且對(duì)長(zhǎng)期環(huán)境影響最小的產(chǎn)品。

 

生物成像標(biāo)簽和靶標(biāo)

銀納米粒子擁有非凡的吸收和散射光的效率，可應(yīng)用于標(biāo)記和成像。納米粒子的高散射橫截面可允許單獨(dú)的銀納米粒子在暗視野顯微鏡（圖5）或高光譜成像系統(tǒng)下成像。8通過(guò)將生物分子（例如抗體或肽）耦合至其表面，銀納米粒子可以針對(duì)特定的細(xì)胞或細(xì)胞組分。靶向分子附著到表面可以通過(guò)吸附到納米粒子表面上，也可通過(guò)共價(jià)偶聯(lián)或物理吸附來(lái)完成。 物理吸附通常使用有易于置換封端劑（如檸檬酸鹽）的銀納米粒子。通過(guò)調(diào)節(jié)pH和鹽濃度，可以獲得具有高親和力和低的非特異性背景的銀納米粒子抗體綴合物。通過(guò)將抗體共價(jià)結(jié)合到表面上可以改進(jìn)性能。一種共價(jià)方法是用巰基聚乙二醇分子的混合單分子層使銀納米粒子官能化，其中一部分巰基聚乙二醇含有羧酸官能團(tuán)，而剩余的分子則是惰性的（甲氧基末端）。使用乙基（二甲氨基丙基）碳二亞胺（EDC）偶聯(lián)，之后羧酸可以與抗體上的游離胺共價(jià)連接，產(chǎn)生可靶向的銀納米粒子探針

 納米醫(yī)學(xué)和納米安全

銀納米粒子在體外和體內(nèi)的應(yīng)用正迅速增加。除了基于銀納米粒子的超高亮度熒光標(biāo)記和表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）納米標(biāo)簽之外，銀納米粒子的其他應(yīng)用還包括：用作超高溫的熱源，以及通過(guò)粒子表面涂層來(lái)熱調(diào)節(jié)藥物釋放。銀納米粒子也可以結(jié)合到核/殼結(jié)構(gòu)中。在銀納米粒子核心上均勻生長(zhǎng)的非晶硅殼具有可綴合到殼中的多種官能團(tuán)，為殼和分子之間的靜電或其他相互作用提供方法。熒光團(tuán)、藥物分子或其他高分子量有機(jī)分子可以整合在殼內(nèi)，可應(yīng)用于體外或體內(nèi)標(biāo)記以及藥物遞送。

 

未來(lái)，銀納米粒子的許多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用需要很好的理解納米粒子與生物系統(tǒng)的相互作用。對(duì)于體內(nèi)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一個(gè)主要挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)具有長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間和低毒性的顆粒。由于納米粒子本身及其環(huán)境的復(fù)雜性，在體內(nèi)系統(tǒng)中優(yōu)化納米粒子性能的實(shí)驗(yàn)變得復(fù)雜。納米粒子的生物命運(yùn)和運(yùn)輸不僅取決于顆粒的主要特征（例如核心化學(xué)性質(zhì)、尺寸、形狀、結(jié)晶度、表面和聚集狀態(tài)），還取決于依賴納米粒子與目標(biāo)生物系統(tǒng)相互作用的次要特征（例如蛋白冠、溶解速率、生物分布）。9只有一系列單一改良特性（例如核心化學(xué)、尺寸、形狀或表面）的精確制造和良好表征的納米材料進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，才為多種性能的生物反應(yīng)提供深入見(jiàn)解，并協(xié)助確定有效運(yùn)行的最佳特征。

 

結(jié)論和未來(lái)展望

銀納米粒子的獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)和廣泛的抗菌性能導(dǎo)致銀納米粒子在生物中的應(yīng)用迅速增加?？煽刂沏y納米粒子的大小、形狀和表面的高水平控制提供了強(qiáng)大的文庫(kù)，不僅可以生成生物應(yīng)用的功能材料，還可以用于理解生物系統(tǒng)中納米粒子的運(yùn)輸和相互作用的基本機(jī)制。這種理解，加上更復(fù)雜的多功能銀納米復(fù)合材料的構(gòu)建，使得下一代基于銀納米粒子的探針、裝置和治療成為可能。

 

參考文獻(xiàn)

1.Moskovits M. 1978. Surface roughness and the enhanced intensity of Raman scattering by molecules adsorbed on metals. The Journal of Chemical Physics. 69(9):4159-4161. http://dx.doi.org/10.1063/1.437095

2.Kneipp K, Wang Y, Kneipp H, Perelman LT, Itzkan I, Dasari RR, Feld MS. Single Molecule Detection Using Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS). Phys.Rev. Lett.. 78(9):1667-1670. http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.78.1667

3.Geddes CD, Lakowicz JR. 2002. 12(2):121-129. http://dx.doi.org/10.1023/a:1016875709579

4.Rai M, Yadav A, Gade A. 2009. Silver nanoparticles as a new generation of antimicrobials. Biotechnology Advances. 27(1):76-83. http://dx.doi.org/10.1016/j.biotechadv.2008.09.002

5.Marambio-Jones C, Hoek EMV. 2010. A review of the antibacterial effects of silver nanomaterials and potential implications for human health and the environment. J Nanopart Res. 12(5):1531-1551. http://dx.doi.org/10.1007/s11051-010-9900-y

6.Sondi I, Salopek-Sondi B. 2004. Silver nanoparticles as antimicrobial agent: a case study on E. coli as a model for Gram-negative bacteria. Journal of Colloid and Interface Science. 275(1):177-182. http://dx.doi.org/10.1016/j.jcis.2004.02.012

7.Kim JS, Kuk E, Yu KN, Kim J, Park SJ, Lee HJ, Kim SH, Park YK, Park YH, Hwang C, et al. 2007. Antimicrobial effects of silver nanoparticles. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 3(1):95-101. http://dx.doi.org/10.1016/j.nano.2006.12.001

8.Carlson C, Hussain SM, Schrand AM, K. Braydich-Stolle L, Hess KL, Jones RL, Schlager JJ. 2008. Unique Cellular Interaction of Silver Nanoparticles: Size-Dependent Generation of Reactive Oxygen Species. J. Phys.Chem. B. 112(43):13608-13619. http://dx.doi.org/10.1021/jp712087m

9.Powers KW, Palazuelos M, Moudgil BM, Roberts SM. 2007. Characterization of the size, shape, and state of dispersion of nanoparticles for toxicological studies. Nanotoxicology. 1(1):42-51. http://dx.doi.org/10.1080/17435390701314902