納米材料研究現狀以及在獸藥領域的應用進展和前景

【摘要】納米技術是近些年迅速發展起來的一個備受矚目的多學科和跨學科的研究科學領域。本文討論了納米材料及其在諸多領域中的應用，涵蓋了在經濟分析，納米材料的安全問題，各個分析行業的納米材料研究，討論了納米材料在獸藥領域的發展概況及應用前景，并對其未來發展進行了展望。

【關鍵詞】納米材料；檢測；分析；獸藥

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.06.069

The Current Research Status of Nanomaterials and Their Application Progress and Prospects in the Field of Veterinary Medicine

DONG Qingming

（Liaoning Inspection ，Examination&Certification Centre〔Liaoning Institute forAgro-product Veterinary Drugs and Feed Control〕， Liaoning Key Laboratory of Livestock Product Safety， Shenyang 110036， China）

Abstract： Nanotechnology is a highly anticipated multidisciplinary and interdisciplinary research field that has rapidly developed in recent years. This article discusses nanomaterials and their applications in various fields， covering economic analysis， safety issues of nanomaterials， research on nanomaterials in various analytical industries， as well as the development overview and application prospects of nanomaterials in the field of veterinary medicine， and provides prospects for their future development.

Keywords： nanometer material； testing； analysis； veterinary drugs

0引言

納米技術領域快速發展的步伐推動了所有學科的創新，包括從事尖端研究的制藥行業，疾病診斷的發展和獸藥分析領域。在與獸藥相關的納米技術報道中，各個獸藥研發以及企業生產部門，都逐漸開始專注于納米技術，希望能夠找到解決藥學研究中難題的方法并提出低成本、安全、高效的藥物開發新方法與新技術。納米技術工具正在為現有產品增加價值，從而在各類藥物特別是獸藥研發的不同領域開拓新的機遇。在納米范圍內，獸藥分子的表面積增加，從而在納米材料的幫助下，有助于增加其吸收。納米藥物由于同時存在親水和疏水環境而提高了溶解度。我們正處于利用納米藥物進行早期疾病診斷的時代。通過創造性的納米技術和納米科學方法，設計出了具有不同形狀、功能和獨特物理、化學、生物特性的納米材料，這些材料在制藥工業特別是獸藥領域中具有極其重要的戰略作用[1-2]。

1納米材料

在生物醫學研究領域，以納米技術為基礎的方法導致了治療藥物和藥物配方的發展。為了對不同的疾病（癌癥、艾滋病毒、肝炎、冠心病等）提出有效的診斷治療，并提高人類生活質量，在藥物設計領域正在進行的創新依賴于納米技術。最常用的納米載體是基于納米顆粒，包括脂質體、樹狀大分子、聚合物納米顆粒、無機納米顆粒和金屬納米顆粒、碳納米管、脂質納米顆粒、核殼納米顆粒、介孔二氧化硅納米顆粒等。

酶響應智能納米材料包括聚合物材料、磷脂和無機材料。有研究者以烷氧基硅烷系、α-環糊精和多功能肽為原料合成的功能性介孔氧化硅納米顆粒[3-8]，該材料進一步被設計和應用于靶向腫瘤細胞和減少抗腫瘤藥物阿霉素的副作用，得到非常好的效果。納米凝膠是一種熱敏聚合物，加熱到一定溫度即低臨界溶液溫度時，聚合物的構象會從親水的線圈到疏水的狀態發生變化。它們是松散的交聯聚合物鏈，排列在三維網絡中。通過電子顯微鏡、動態光散射實驗和紫外可見分析，可以確定納米膠囊的結構。

磁性納米顆粒是一類優秀的納米材料具有良好的生物相容性和優異的磁性響應性的材料。根據報道，研究者設計出一種新型的具有智能聚合物刷的磁性納米材料，成功應用于手性氨基酸的選擇性吸附與分離對映體。此外，智能納米顆粒需要同時控制形狀和納米顆粒合成過程中的尺寸，從而具備傳遞藥物并發揮作用的能力，進而可以作為應對疾病特異性或生理信號的顯像劑。生物可降解的丙烯縮氨酸和聚乙二醇大分子聚合物被引入基質中的納米顆粒，其可以明顯有助于觸發釋放封裝的藥物，起到良好的藥物遞送效果。

同時，可以建立高效的納米數據庫來應用于多種生物醫學、生物技術、藥物研發，特別是獸藥開發領域。例如，我們可以用紫外-可見分析納米材料和藥物的偶聯物的熱響應特性，利用各種復雜的工具可以方便地確定納米顆粒在藥物傳遞和靶向中的應用。

2納米材料的應用

智能納米材料因其較多的優異性能，而被廣泛應用在細胞水平的疾病治療領域中，并取得了一些重要的研究成果[9-12]。本文著重討論納米材料在電化學分析、分離分析、光譜分析、藥物研發和獸藥研究中的應用進展。

2.1電化學分析

納米粒子在生化分析中的應用主要有以下幾個方面：納米粒子的表面被高度選擇性的蛋白質、氨基酸等修飾；將修飾后的納米粒子引入測試對象，在該物體之間發生相互作用；提供高選擇性和靈敏度的不同電化學技術[13]。

用納米粒子修飾的電極表面增加了電極的表面積，從而使改性的電極比普通電極具有更大的吸附能力[14]。隨著能夠表征和量化生物分子的納米生物傳感器的發展，生物學和醫學領域取得了巨大的進展。水凝膠納米顆粒在催化、藥物傳遞和其他生物技術領域有著廣闊的應用前景[15]。水凝膠是在納米粒子存在下被水膨脹的交聯聚合物網絡，它們以其優越的傳感器性能而被成功地用作電化學生物傳感器。而且，他們將傳感器的總成本降到最低，增加了生物識別的概率。石墨烯基電化學傳感器由于具有良好的檢測有機分子的能力而受到人們的廣泛關注。它為摻入納米顆粒提供了極有吸引力的載體。在其中一項研究中，不同數量的金納米粒子被嵌入到少層的石墨烯片中，用該復合電極，即石墨烯復合納米金顆粒，對鉑電極進行了修飾，以檢測DNA堿基之一腺嘌呤。

2.2分離分析

由于分離分辨率的提高，復合電極已被應用于各類分析中。用一種簡單的方法制備了一種高效的毛細管氣相色譜柱，該柱包覆了十八胺覆蓋的金納米粒子，將固定相納米粒子應用于多種分析物的氣相色譜分離。用生物標記物功能化的磁性納米顆粒被用于在磁場存在下與選定的細胞結合，這被稱為免疫磁分離。納米材料獨特的物理特性使其在癌癥研究領域具有廣闊的應用前景。

2.3光譜分析

Ag納米結構具有優良的表面等離子體共振性能，因此金納米粒子能夠對表面提升拉曼散射中的單分子水平進行超靈敏分析。據報道，殼層分離的銀離子納米結構在儲存16個月后仍具有顯著的等離子體性質，具有很高的穩定性。該智能銀離子納米結構具有獲得高質量的拉曼信號的優點，并且可以進一步擴展到用于生物成像表面增強的熒光。納米材料由于具有對微環境的惰性因而被用于均勻分布的特征成像中。與分子探針相比，納米材料不具有細胞毒性，也不受細胞生物大分子的非特異性結合的影響。

2.4藥物分析

水凝膠形成多糖在設計不同形貌和尺寸的納米銀中引起了人們的廣泛關注。多糖水凝膠是一種智能材料，廣泛應用于化妝品、藥品和日常生活。水凝膠已被用于制備銀納米顆粒的封蓋劑或模板劑。葡萄糖醛酸聚糖是一種潛在的水凝膠形成多糖。由于其pH響應開關效應，已被用作不同藥物靶向釋放的載體。糖尿病是世界上最可怕、最嚴重的健康問題之一，顯示出驚人的增長速度。約25%的糖尿病患者有可能發生足部并發癥即糖尿病性腳潰瘍。已有不同的方法被用來治療該疾病，但這些方法都有局限性。隨著納米醫學領域的迅速發展，納米顆粒在傷口愈合過程中表現出顯著的結果。當使用γ-Fe2O3納米粒子時，對于糖尿病性腳潰瘍表現出良好的響應。智能納米粒子在醫藥領域有著不同的應用。其應用取決于納米粒子的尺寸、表面修飾和與不同分析物的相互作用。在不同的分析技術中，采用電化學方法研究了納米粒子與不同分析物之間的相互作用，具有較高的靈敏度和選擇性。基于納米尺度的智能藥物傳遞系統已經為藥物領域鋪平了道路，因為這些系統在目標上與疾病特別結合，并且具有控制釋放行為。銀納米粒子具有表面等離子體共振特性，被用于超靈敏分析。用石墨烯包覆納米粒子進一步提高了這類等離子體的性能。

3納米材料在獸藥領域研究進展

食品安全中的獸藥凈化領域特別是各種新型納米材料的開發越來越受到研究者的關注。張恒等[15]開發一種制備簡易方法用于制備Fe3O4@Si-C8/C18復合磁性納米材料，選用豆芽中氯霉素的殘留進行富集純化作為模型進行磁性納米材料的提純應用實驗，考證這種磁性納米在小分子提取中的應用。結果表明，所制備的復合型磁性納米材料在小分子凈化富集中展現出廣闊的應用價值，尤其在食品安全領域。將納米材料運用于ELISA檢測可以提高檢測的靈敏度，其方法是利用信號分子將過氧化物酶直接或間接標記在納米顆粒上，使得信號分子與檢測抗體比例大大增加，從而提高對痕量物質檢測的靈敏度。例如，Zhu等[16]將酶聯免疫標記與Fe3O4磁性納米顆粒結合在一起，成功建立了一種新型的、高特異性、快速對豬肉中瘦肉精進行分離富集的方法，并且大幅提升了檢測靈敏度。

在日常使用的動物源性食品中，獸藥以及其應用后產生的殘留是非常容易見到的污染物，在動物飼養過程中，獸藥的不科學使用會導致食品中獸藥的大量殘留，而且極大地危害人民的生命健康，所以獸藥及其殘留非常值得研究者關注。近年來，在對各類納米以及修飾后的納米獸藥的檢測中，特別是前處理過程中的應用越來越廣泛。Yao等[17]建立了一種新型的磁性離子液體-水兩相體系，并將其應用于水環境中氯霉素的富集和測定，選用高效液相色譜紫外檢測法。本研究所建立的這個兩相溶劑系統，具備較高的萃取回收率，特別適用于獸藥待測物的分離富集提取和純化。同時，這類磁性材料與水相聯用，不含有揮發性有機溶劑，易于保證萃取效率的穩定和高效，而當外加磁場存在時，又對磁場有較好響應。另有研究者[18]開發了并研究了一種基于納米材料的新型分散型固相微萃取技術，針對豬肉樣品中17β-雌二醇、雌酮和己烯雌酚3種常見獸藥型雌激素，進行分散萃取，樣品處理后，采用普通的HPLC匹配紫外檢測器，即可實現準確靈敏高效的測定，說明該納米萃取系統具有優良的萃取效率。

生物傳感器是一種將濃度轉換成電信號然后用來對待測物進行檢測分析的儀器，它是基于設計的分子識別元件與信號轉換器相結合，用于待測物快速測定的一種新型器件。將納米材料與這種生物傳感器相結合，在農藥獸藥殘留方面已有廣泛應用。楊欣等[19]將乙酰膽堿酯酶修飾過的Fe3O4@Au納米材料通過磁力吸附于涂覆了復合膜的絲網印刷碳電極表面，開發出一種新型的可以用于有機磷農藥檢測的酶傳感器，性能非常優異，檢測快速并且靈敏度非常高。

4納米材料在獸藥領域研究展望

自發現以來，智能納米材料已成為一個重要的研究課題。具有獨特性能的智能納米材料為現代科學研究提供了更多的可能。本文總結了智能納米材料的特性及其在諸多分析中的應用，提供了智能納米材料商業應用的技術和經濟挑戰的概述，需要對這些挑戰進行認真思考，以便在高性能和低成本之間找到平衡，從而實現智能納米材料的有效利用。隨著納米生物技術和穩定納米材料領域的快速研究進展，目前的制藥業主要集中在發明藥物，特別是納米醫學，以使病人活得更長、更健康。該行業致力于為具有最小環境影響的患者帶來關鍵的納米藥物。近年來，制藥企業越來越重視生產力的提高、廢物的減少、質量的提高和研發的控制。這不僅是出于降低成本的考慮，而且也是為了提高對可持續性的認識。制藥公司包括獸藥企業，近年來越來越重視通過開發具有相同藥用價值但對環境影響較小的藥物來提高可持續性的發展。整個醫藥領域的進展，如藥物設計、個性化藥物、納米醫學、醫學遺傳學、配方和醫藥保健正在使高質量的醫療保健的可持續性接近現實。

現代藥物研究的核心目標是縮小實驗室研究與實際應用之間的差距，在獸藥領域亦是如此。在對藥物進行分析時，對智能納米材料的研究大多局限于實驗室規模，因此建議進行商業規模的研究。納米產品的商業化是非常關鍵的，需要大型制藥和醫療設計公司的巨額投資。同樣，需要樂觀的方法來激勵政策制定者設計以及智能納米材料在可持續系統中的應用。目前，智能納米材料在工業規模的獸藥研究中的機會與挑戰并存，在不久的將來，獸藥分析中的智能納米材料將在下一代制藥技術和設備中發揮重要作用。

納米材料特別適用于針對不同的基質、藥物以及應用需求，通過相應的修飾方法對其材料進行改性與制備，從而在充分發揮納米材料優勢的基礎上，提高對不同類型目標物的特異性或廣譜性分析能力。同時，納米材料具有更廣闊的開發前景，更多新型的功能化納米材料如雨后春筍般陸續出現，以其適應更復雜的應用。此外，發展更簡便、高效、快速、安全的材料功能化的方法，與儀器分析聯用能夠實現更高效的檢測。總之，納米材料以及功能化納米材料作為一種方便高效復合材料，將在農獸藥殘留檢測中得到更多的應用，將進一步提升農獸藥的快速、靈敏和特異性檢測的水平，以期面對農獸藥殘留檢測的更嚴格的要求，進而全面解決因獸藥殘留檢測而關乎的食品安全問題，實現全民健康的目標。

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【作者簡介】

董慶明，男，1983年出生，高級工程師，研究方向為實驗動物飼養。

（編輯：于淼）