纳米修复技术范文精选

本文作者：李钰婷1张亚雷1代朝猛1,2张伟贤1作者单位：1.同济大学污染控制与资源化国家重点实验室2.同济大学土木工程学院

随着近代工业的发展，自然水体和工业废水中的重金属(Cr、Cd、As、Pb、Ni等)已经成为一大环境危害．通过各种途径进入到环境中的镉(Cd)、铬(Cr)、锌(Zn)、砷(As)、镍(Ni)等重金属在环境中具有易积累、不可逆、毒性大、代谢缓慢和易被生物富集等特点．因此，近年来环境介质中重金属的去除技术引起了国内外的广泛关注．传统的重金属处理方法一般可分为物理法(吸附法、离子交换、膜滤法)、化学法(化学沉淀过滤、混凝、化学氧化还原、电化学法)和生物法(植物修复技术)等［1］．物化方法治理重金属污染所需费用过高，难以大规模应用，可能引起二次污染．生物修复技术则修复时间长，且存在添加营养盐、生物安全性等问题．目前研究最多的植物修复技术，因耐重金属植物与超富集植物大多分布在国外，我国境内发现报道的超富集植物较少，应用受到了限制［2］．近年来，纳米零价铁被广泛用于去除污染水体中的重金属，逐渐成为水体修复领域一种颇具潜力的新方法．纳米零价铁具有还原性强和反应速度快的特点，是地下水和工业水修复的高效反应介质材料．笔者就纳米零价铁的常用制备方法及特性、去除水中重金属的效果和机理以及其发展趋势进行了综述．

1纳米零价铁的常用制备方法及特性

纳米零价铁(nZVI)制备方法有物理法和化学法．前者如物理气相沉积法、高能球磨法和深度塑性变形法、溅射法等，后者有化学还原法、热解羰基铁法、微乳液法、电化学法和活性氢-熔融金属反应法等．在环境领域，常用的是高能球磨法和液相化学还原法．高能机械球磨法制备纳米材料是在无外部热能供给条件下将大晶粒变成小晶粒的过程．利用超声机械球磨机的转动或振动使硬球对金属铁粉末进行强烈的撞击、研磨和搅拌，使之进一步粉碎为纳米级微粒．高能机械球磨法工艺简单，产量高，晶粒粒度随球磨时间的延长而降低．液相化学还原法是在液相体系中利用强还原剂如KBH4、NaBH4、N2H4等还原金属离子Fe2+、Fe3+为纳米零价铁微粒．反应式如下:2Fe2++BH－4+3H2O→2Fe0+H2BO－3+2H2+4H+4Fe3++3BH－4+9H2O→4Fe0+3H2BO－3+6H2+12H+反应中应保证BH－4过量以促进合成反应并确保铁晶粒的均衡生长．反应完成后，用真空泵过滤并用去离子水和乙醇或异丙醇各清洗3次除去残留的H2BO－3和H+等，合成的纳米零价铁一般保存在充满N2的棕色瓶中，或者加入乙醇密封保存［3］．液相化学还原法可在较低的温度下制备非晶的纳米零价铁磁粒子，并且硼在合金中共沉积，有利于非晶结构的稳定．纳米零价铁比表面积大，反应活性高，比表面积分析(BET)结果为35m2•g－1，纳米零价铁具有强还原性，反应过程中很容易被氧化成铁氧化物Fe2O3或Fe3O4．实验室合成的纳米零价铁具有球形结构(图1)，平均尺寸为60nm，80%的颗粒尺寸在50—100nm之间［4］．纳米零价铁具有核壳双重结构，核心是结实的零价铁Fe0，呈金属铁体心立方晶体的扩散环结构，周围包覆一层较薄的氧化壳FeOOH［5］，该壳厚度多为2—4nm［6］，FeOOH壳结构被认为是纳米零价铁与生俱来的，即纳米零价铁合成时就形成FeOOH钝化层［7］．因磁性和静电引力作用，纳米零价铁易形成链状结构，常呈典型簇状，具有连续的氧化壳，但金属核心被更薄的一层氧化膜相互隔离．且氧化层为非晶体态，这可能是因为纳米零价铁半径小、氧化层曲率大、产生较大的张力妨碍晶体的生成所致．

2纳米零价铁去除重金属的研究现状

2．1去除效能研究

摘要：本文主要以纳米技术在生物医疗领域的应用作为出发点，分析了纳米技术在生物医疗领域的应用前景，并探讨了我国纳米医疗技术在未来发展中面临的机遇和挑战。

关键词：纳米技术；生物医学；应用；机遇；挑战

随着科技的进步，纳米技术在生物医药和科学技术等领域的应用较为广泛。尤其是生物医药领域，对于临床医学和基础医学的发展起到了积极的推动作用。虽然在不少科学家和医学研究家们对纳米技术进行了详细的研究，并将其运用于生物医学领域，取得了不错的成效。但是对于纳米技术的研究还不够深入，相较于发达国家而言，我国的纳米医学技术还处于发展的初级阶段。需要对纳米医学技术在今后发展中面临的机遇和挑战进行分析。

一、纳米技术在生物医药领域的应用

（一）纳米生物学

纳米生物学是以纳米作为尺度，其研究内容主要包括：其一，细胞器结构、细胞器功能。比如细胞核和线粒体内部结构和功能分析。其二，交换细胞信息，包括生物体的物质、细胞能量信息等。其三，针对生物反应问题，对其反应机理问题进行研究和分析。比如有关于生物复制和生物调控的机理分析。其四，发展分子工程。包括纳米生物分子机器人和信息处理系统等。将纳米显微术引入生物医药领域，可以为生物学家研究进行研究提供技术支撑。比如ScanningProbeMicro-scopes,简称SPMs，中文简称扫描探针显微镜，这是一种新型的纳米生物技术，标志着显微技术和纳米技术的发展。除此之外，扫描显微镜(STM)的内部结构较小、不复杂，因此操作流程较为简单，生物学家可以借助扫描显微镜展开原子级分辨探究，从而提高生物细胞观测能力和分辨能力。仔细观察原子级的内部结构对于进一步探索和研究生物原子微观知识具有推动作用。在自然条件下，利用扫描显微镜可以对生物的蛋白质、多糖等分子展开直接观察。借助STM弹道电子发射电镜可以对单个原子进行操作，这是一种典型的人工改变单个生物结构和分子结构的行为方式。这种方式可以实现治疗疾病这一超前设想。

本文作者：夏阳1谢海峰1章非敏1，2顾宁2作者单位：1南京医科大学口腔医学研究所2东南大学苏州研究院

鉴于以上缺陷，当前对于牙科复合树脂的改良主要是将纳米材料作为无机填料，或用纳米级材料修饰微米级填料，再加入复合树脂中，以改良树脂或使其具备新的性能或兼而有之。

纳米填料的种类

牙科复合树脂的填料绝非单一种类、单一粒径的材料，而是具有一定分布梯度，且不同种类粒子相互配合的系统。牙科复合树脂所含的填料能增加机械强度，降低热膨胀系数和聚合热，其粒度、粒度分布、折光指数、所占体积百分比、X线阻射性及硬度、强度等都会对材料的性能及临床表现产生影响。目前，颗粒型陶瓷粉或玻璃粉是主要的填料类型，纤维(晶须)填料的研究和应用也有报道，但相比前者较少。应用理化性能更加优良的填料来增强机械性能是发展的方向。已用于增强牙科复合树脂的纳米颗粒包括纳米二氧化硅［1］、纳米金刚石［2～4］、纳米氧化锆［5］、纳米氮化硅［6］、纳米羟基磷灰石［7］，纳米氧化钛［8］、纳米三氧化二铝［9］等。这类纳米填料的研究较多，且大多数牙科产品厂家都有自己品牌的纳米树脂问世。纳米纤维增强如纳米碳管、短纤维和晶须是目前许多学者所提出的复合树脂填料的新成员，都被用于牙科复合树脂的增强和性能改善，但基本都处于基础研究之中，而尚未应用于临床阶段。这里所讲的纳米纤维增强复合树脂，是指以纳米纤维为另一类填料与颗粒填料共同增强的口腔充填用复合树脂材料，所以这类材料中含颗粒与纤维两种填料。口腔临床中使用的还有一类单纯使用的纤维增强树脂基(多为环氧树脂基)材料，典型的产品为牙体加强用的纤维桩。文章主要讨论前者目前在口腔中的研究现状。有学者为了更加明确研究目的和可能机理，也会以环氧树脂为基体或只加入纤维填料进行研究。碳化硅晶须和氮化硅晶须是近年来研究较多的用于牙科复合树脂的晶须种类。其他增强牙科复合树脂表面硬度和断裂强度的纤维(晶须)包括氧化锌晶须、钛酸钾晶须、硅酸盐晶须、硼酸铝晶须、尼龙纤维、碳纳米管等。

纳米技术降低牙科复合树脂的聚合收缩

Condon等用不含甲基丙烯酸功能化的硅烷代替含有甲基丙烯酸功能化的硅烷对二氧化硅纳米颗粒表面进行处理，获得无粘接性的纳米颗粒将其添加到复合树脂中，发现其具有与气孔相似的效果，分布于树脂基质中的纳米填料通过局部塑性形成应力释放点，可以有效地降低聚合收缩［10］。Condon在另外的研究中用非粘接性的纳米填料、粘接性的纳米填料和无被膜填料来降低聚合应力。研究表明，纳米填料添加到杂化型复合树脂可以有效降低聚合应力(降低31%)，在一定的体积含量水平(10%)，非粘接性纳米填料具有更好的降低应力作用，在只含有纳米填料的复合树脂，亦具有相同的效果［11］。八面的倍半硅氧烷，是具有直径0．53nm的纳米笼结构，是一个轻量级、高性能的混合材料，其结构通式为(RSiO1．5)8。SSQ聚合物显示出优良的介电和光学性质，并已广泛应用，如在应用程序中的光致抗蚀剂、耐磨涂层、液晶显示元件、电子电路板的绝缘涂层和光纤涂料等。SohMS等将SSQ加入复合树脂中制成符合材料，SSQ可以显著降低树脂的聚合收缩量，并同时增加树脂的硬度和弹性模量［12］。Garoushi等将半互穿聚合物网络加入由玻璃纤维增强的复合树脂，发现复合物的聚合收缩率下降［13］。此后，又将纳米SiO2颗粒加入上述复合物中，除了发现加入纳米粒子后可使聚合收缩降低外，他们还发现聚合收缩的降低与纳米粒子的添加量和聚合温度相关［14］。

1纳米诊断技术

1.1细胞分离与染色

纳米细胞分离技术的出现有助于解决生物医学中快速获取细胞标本的难题。将15~20nm的SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液中,利用梯度原理,通过离心技术快速分离所需要的细胞[1]。用这种方法很容易将怀孕仅8周左右的孕妇血样中极少量的胎儿细胞分离出来,通过对其染色体的分析,判断胎儿是否有遗传缺陷。应用纳米免疫磁珠检测早期肺癌患者循环血液中的肿瘤细胞,可以监测肺癌的转移情况[2]。

纳米颗粒也为建立新的细胞染色技术提供了新的途径。段箐华等[3]用联吡啶钌配合物[Ru(Ⅱ)(bpy)3]2+、异硫氰酸罗丹明B(TRITC)、异硫氰酸荧光素等荧光分子标记SiO2纳米颗粒,实现了体外对B淋巴细胞、肝癌细胞、早期凋亡乳腺癌细胞、系统性红斑狼疮细胞的特异性识别。异硫氰酸荧光素标记的SiO2纳米颗粒表面接特异抗体,可用于免疫学检测[4]。

1.2纳米造影剂

无机纳米粒子因其形状、尺寸和组成的不同而具有独特的物化性能,可用作新型生物造影材料,能提供良好的检测信号对比度和生物分布度,提高诊断效率,并有望将现有的解剖学层面的造影技术推向分子水平,即“分子造影”[5-7]。纳米造影剂一般需要3个组成部分:(1)无机纳米粒子核,如金、氧化铁等,用以实现造影增强效果;(2)水可分散的壳层,如聚乙二醇等,用以提高无机纳米粒子核的溶液稳定性;(3)赋予靶向功能的生物活性分子,如蛋白、多肽和抗体等。

[摘要]纳米撞击技术在作为一种新兴表征技术，在提供单个纳米颗粒的浓度、尺寸与形状、相互作用与表面特性等信息方面有极大优势，可以为单纳米颗粒表征提供新工具，了解纳米颗粒在实际环境中的性质。本文讨论了纳米撞击技术在环境、生物领域中对单纳米颗粒的定量定性分析，概述了该技术在这些领域的应用，并对纳米撞击技术的未来前景进行了展望。

[关键词]纳米撞击技术；单颗粒；实际应用；分析；检测

纳米颗粒(NPs)的定义是在至少一个维度上不超过100nm的颗粒。NPs的独特性能使其在工业领域得到了广泛应用。据估计市场上已有超过1600种商业纳米产品[1]，且其全球产量和消费量在未来有可能进一步增加[2]。然而，纳米材料在消费品中使用不必向监管部门报告，导致使用信息很模糊。并且，常规技术无法简便经济地表征复杂基质中的NPs。因此，急需开发一种技术对NPs的物化特性进行表征。目前常用的NPs分析技术主要有电镜技术[3]与光谱技术[4]。电镜技术中常用于检测NPs的主要有扫描电子显微镜(SEM)与透射电子显微镜(TEM)。但该方法无法直接用于实际样品中NPs的检测。而光谱技术中的动态光色散技术(DLS)与纳米颗粒跟踪分析技术(Nanosight)虽可用于直接检测，但该方法分析成本高，预处理方法复杂[5]。而电化学分析技术替代电镜技术与光谱技术，为NPs的分析与表征提供了一种高效经济方法。其中纳米碰撞技术作为一种新兴的电化学分析技术[6]，可用于研究金属NPs、金属氧化物NPs和有机NPs的尺寸形状，元素组成以及氧化还原活性[2]，还可测量粒子的扩散以及反应的动力学速率常数[7]。在本综述中，我们对纳米撞击技术的功能，并以其作为分析工具的实际应用展开综述。

1纳米撞击技术简介

纳米冲击法通过检测溶液中的NPs与电极接触时产生的瞬态电流峰进行表征。将NPs悬浮于溶液中，通过纳米颗粒的布朗运动，颗粒会与静止的微电极发生随机碰撞。颗粒可能立刻反弹，或暂时或永久的吸附在微电极表面，后在足够高的过电位下，在超微电极的表面或颗粒表面发生电化学反应，从而产生暂态电流型号[8]。该现象由Heyrovsky等发现于1956年[9]，但直到2007年Bard等才进行深入研究，发展成可以对单颗粒进行实时研究的技术[10]。利用纳米撞击技术可以提取出各种各样的信息，其中包括：

1.1定量分析