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纳米碳管在生物医学工程领域中的应用

发布时间:2020-06-01   |  所属分类:微电子:论文发表  |  浏览:  |  加入收藏
  摘要:纳米碳管是近几年发现的新兴材料,它有着奇异的电学、磁学、力学性质,在生物医学工程领域中有着广泛的应用前景。文章通过对近几年纳米碳管在生物医学工程领域中应用研究的归纳和分析,进一步探讨了纳米碳管在生物医学传感器、生物医学微电子器件以及生物医学人工材料领域应用的可行性。
 
  关键词:纳米碳管;生物医学;传感器;微电子器件;人工材料
 
  纳米碳管发现至今仅有十余年,但纳米碳管在纳米技术和宏观材料的应用,特别是在电子器件、纳米材料制造、电极材料、氢气储存以及催化剂单体等方面已连连取得重大突破,但是,离实际应用仍有一定的距离[1]。在能大量制得纳米碳管的前提下,如何将其实际应用于各个领域,是应用开发面临的重要课题。本论文参考了科学家们在纳米碳管结构与物性方面的研究成果,结合其在生物医学工程中可应用的领域,对纳米碳管在生物医学工程领域实际应用的可行性进行了归纳、分析与展望。希望本文能够对医学仪器、材料的改进提供一些帮助,使纳米碳管这个新兴材料在生物医学工程领域中得到更好、更广泛的应用。
 
  1纳米碳管的结构与物性
 
  1991年,日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima,在用高分辨电镜观察电弧蒸发后在石墨阴极上形成的硬质沉积物时,意外地发现了阴极碳黑中有一些由直径为4—3nm、长约lμm、2到50个同心管构成的针状物。这就是今天被广泛关注的纳米碳管。这是继1985年Kroto和Smally等人发现C60以来碳化学领域的又一重大发现。
 
  纳米碳管的出现,说明C60及其同族物,作为碳的第三种稳定存在的晶体结构(除金刚石和石墨外),是一个非常庞大的家族。纳米碳管在碳家族中的位置如图1。
  纳米碳管的结构类似于石墨的六边形网络所组成的管状物。简单的可看成由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。其结构如图2。
  纳米碳管一般可分为单壁纳米碳管(Single-walled carbon nanotube)和多壁纳米碳管(Multi-walled carbon nanotube)。一般,单壁纳米碳管的直径在0.4-2nm。多壁纳米碳管的直径也不超过50nm,长度则可达数微米至数毫米,因而具有很大的长径比,是准一维的量子线。由于碳管中的碳原子在径向被限制在纳米尺度内,按照量子力学的观点,其π电子将形成离散的量子化能级和束缚态波函数,因此,产生量子物理效应,对系统的物理化学性质产生一系列的影响。同时,封闭的拓扑构形及不同的螺旋结构等
 
  因素导致的一系列独特特性,使纳米碳管具有大量极为特殊的性质[2]。
 
  2纳米碳管在生物医学传感器中的应用
 
  2.1生物医学压力传感器
 
  原理:受量子物理影响,随网络构型(螺旋角)及直径的不同,单壁纳米碳管中电子从价带进入导带的能隙可从接近零(类金属)连续变化至leV(半导体),即其导电性可呈金属、半金属或半导体性,因而纳米碳管的传导性可通过改变管中网络的结构和直径来变化。在应力影响下纳米碳管网格易发生变化,其直径逐渐变小,甚至可使变了型的纳米碳管的螺旋度发生变化。利用螺旋度的变化影响导电性的变化的特征,可将纳米碳管作为生物压力传感器,通过测定其电子特征的不同来响应力学应力的大小[2]。
 
  应用:由于纳米碳管具有微型、灵敏、精确的特点,可将它用于传导普通压力传感器无法传导的区域。比如,纳米碳管压力传感器可进入血管、淋巴系统进行工作,甚至可直接进入细胞、细胞器来传导信息。由于纳米碳管传感器的尺度是在纳米级的,所以可以用其探测DNA的复制、转录,以及一些微小变化,从而对DNA的研究与探索提供巨大的帮助。而这些都是普通压力传感器无法比拟的[3]。
 
  2.2生物医学气体传感器
 
  原理:纳米碳管具有一定吸附性。由于吸附的气体分子与纳米碳管发生相互作用,改变纳米碳管的费米能级,进而引起其宏观电阻发生较大的改变,所以通过测量纳米碳管电阻变化可检测气体成分[1]。利用这一性质,可将单壁纳米碳管作为气体传感器。
 
  应用:纳米碳管气体传感器和普通气体传感器相比具有尺寸小、反应快、灵敏度高、表面积大、能在室温或更高温度下操作等优点,并可将单壁纳米碳管置于新环境或者通过加热后重新使用。
 
  所以,利用纳米碳管可制得最小的生物医学分子级气敏元件,其响应时间比目前使用的同类金属氧化物或聚合物传感器至少快一个数量级。假如把纳米碳管气体传感器用于病人呼吸监控、呼吸检测等方面,将取得一般传感器难以达到的效果[3]。
 
  2.3生物医学电磁传感器
 
  原理:当一薄壁金属圆筒的轴向与外磁场方向平行,在沿轴向通过电流时,圆筒的电阻将改变,变化后的电阻值和磁场为零时的电阻值之差,称为磁阻。磁阻随磁场强度周期地变化,这—现象被称之为Aharonov—Bohm效应(简称AB效应)。平行于多壁纳米碳管的管轴向施加磁场时,也可观察到AB效应的磁阻振荡。这表明纳米碳管可因外磁场的作用,其电性能可从半导体到金属或逆向从金属到半导体变化[3]。这一特殊性质可用于生物医学电磁传感器。
 
  应用:随着科技的发展,移动电话、磁卡等电磁工具广泛地用于人们的生活之中。但是,电磁波对人们的身体健康会产生一些负面影响,会引起头痛、睡眠紊乱、神经衰弱等健康问题。现在,这个问题已经引起了人们的广泛关注。纳米碳管传感器具有微型、灵敏、携带方便的特点。如果把纳米碳管电磁传感器注入人体,随时监控电磁波对人体的影响,将在很大程度上减少其对人体造成的伤害。同时,纳米碳管传感器可用于检测人体电磁场变化。医务人员可通过测量人体电磁场的大小来判断人体的生理变化。由于纳米碳管具有纳米尺度,纳米碳管电磁传感器将作为一种特殊的电磁传感器广泛地用于生物医学工程领域中[3]。
 
  3纳米碳管在生物医学微电子器件中的应用
 
  原理:a、纳米碳管具有库仑阻塞效应。所谓库仑阻塞效应,即电子在纳米尺度的导电物质间移动时,由于库仑力的影响,电子的传导将产生阻碍的现象。此时,若在第三极(栅极)施加正电位,电中性的导体就会带负电,当栅极电压超过平衡电压时,一个电子就会从一个电极向另一个移动,形成单电子运输,从而产生传导。电压继续提高时,库仑阻塞仍起作用,在同样情况下反复进行。因此,增加栅极电压可使电子逐个加到纳米碳管中,其机理如同单个隧道作用的元件一样且在室温下也有此效应。利用此原理可制成室温下工作、微小的场效应三极管。另外,金属/半导体型纳米碳管结具有二极管的特性,仅允许电流朝一个方向流动,可以作为最小的半导体装置。b、普通的半导体或导电材料的传导电子因受晶格振动及杂质的散射面的影响,将产生一定的电阻。而纳米碳管,由碳原子的六方网格形成,网格长度比其他原子形成的短,杂质难以将其置换,因此在电子传输时不会因杂质引起散射,就像光子在光纤中无能量损失飞行一样。金属纳米碳管提供了一种力学性能好且柔软的电子波导管,其传输量子力学电子波而无信息丢失的能力使之在开发量子计算机、生物医学微电子器件方面具有特别的吸引力[2]。
 
  应用:基于以上两点,纳米碳管可作为微型电路的导线、开关、和记忆元件。将其应用于生物医学微电子器件,可使纳米碳管电子器件在分子水平上进行工作,在基因治疗,重建等方面将产生巨大的影响。利用纳米碳管制成的微型机器人在生物医学工程领域也将发挥不可估量的作用。由于纳米碳管体积可以小到10mm,医生可以向人体血液里注射纳米碳管潜艇式机器人,用于治疗心脏病。一个皮下注射器能够按编入的程序刺探周围的物质。如果碰上的是红血球等正常的组织,识别出来后便不予理会。当遇到沉积在动脉血管壁上的胆固醇或病毒时,就会将其打碎或消灭,使之成为废物通过肾脏排除。用纳米碳管制作的给药系统,配有传感器、储药囊和微型泵,进入人体后能在需要的部位释放出适当的药量。微型机器人可以使外科手术变得更为简单,不必用传统的开刀法,只需在人体的某部位开一个极小的孔,放入一个纳米碳管电子器械即可。而这一切都是人眼所看不到的。通过一对纳米碳管制成的微型纳米钳,有望成为科学家和医生操作生物细胞、装配纳米机械进行微型手术的新工具[4]。米碳管钳体是由沉积在一个锥形吸管上的两个金电极构成,上面粘有一对向前伸出的纳米碳管,形成钳子的两个工作臂。当在纳米钳的两个电极上施加一定的电压后,两个纳米碳管臂会分别带上正负电荷,彼此间形成吸引力,这种引力还会随着施加电压的大小而相应的变化,钳子因此能夹住不同的物体,利用纳米碳管钳可修复目前技术无法治愈的血管。纳米钳技术对于外科手术来说是十分重要的。
 
  4纳米碳管在生物医学人工材料上的应用
 
  4.1人工肌肉纤维
 
  原理:实验发现纳米碳管浸泡在电解质中时,随外加电压的变化其长度会发生规律性的伸展收缩。将纳米碳管制成薄膜条浸泡在盐水中,用普通电极给薄膜条两端施加电压,在1s之内将电压连续从0.2V增加到0.5V时,薄膜条的长度相应地从0.1mm伸展到lmm。如果给两束纳米碳管薄膜组成的结构加以不同极性的电压,由于在正电压下的薄膜条伸展度比负电压下的更大,整个结构就会发生扭曲,就像人的胳膊由于不同侧面肌肉的收缩和舒张弯曲一样。迄今还没有任何材料具有如此优良的伸缩性,而且较低电压就可产生较大的机械拉伸[1]。
 
  应用:利用纳米碳管的这种特性,可制成人造肌肉纤维,不仅可用于人类肌纤维的移植和修复,还可将其作为未来机器人的运动构件[5]。
 
  4.2细胞养料、药品供给系统的新材料与人造毛细血管
 
  原理:纳米碳管实际上是由碳原子组成的石
 
  墨烯片层卷成的一个中空管体,其直径在纳米尺度范围内[1],因此,它在细胞的养料、药品供给系统材料等方面有着极大的应用潜力。
 
  应用:纳米碳管可利用其独特的中空性质在纳米流体装置中作组件。高强度纳米碳管可在养料、药品供给系统与细胞之间形成圆筒形的渠道,对需要特殊保护的细胞进行药品与养料的供给,对病变细胞、癌细胞则注入药物将其杀死。将纳米碳管用于极微细毛细血管的医治或代替破损的毛细血管,可使当前不能修复的毛细血管得到修复[5]。
 
  随着人类对纳米科技将成为21世纪的主导技术的认识,人们越来越迫切需要了解和掌握纳米科学技术的基本知识和发展趋势,为我国在社会、经济、科学技术等各领域的发展奠定坚实的基础。纳米碳管的制备、性能、尤其对其应用的探索将是纳米科学技术的一个重要方面。自1991年发现纳米碳管以来,物理学家对纳米碳管特殊的电性质,化学家对纳米碳管的纳米尺度空间,材料科学家对其惊人的刚度、强度和弹力等都极为关注,研究与开发工作甚为活跃,重大突破层出不穷。随着人们对纳米碳管结构与物性的认识,纳米碳管因其独特的结构特征,与其在力学、电学和磁学中表现出的奇特性能,定将在生物医学工程的各个领域获得广泛的应用,对生物医学仪器的改进,研究方法的改良发挥出举足轻重的作用。
 
  参考文献:
 
  [1]成会明.纳米碳管制备、结构、物性及应用[M].北京:化学工业出版社,材料科学与工程出版社,2002.
 
  [2]朱宏伟,吴德海,徐才录.碳纳米管[M].北京:机械工业出版社,2003.
 
  [3]彭承琳.生物医学传感器原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2000.
 
  [4]杨子彬.生物医学工程学[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,2003.
 
  [5]李玉宝.生物医学材料[M].北京:化学工业出版杜,2003.

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