用于生物學應用的銀納米材料

 

銀納米材料具有獨特的物理、化學以及光學性質，目前正在用于各種的生物應用。作為廣譜的抗菌劑，銀的功用重新受到重視，已開發了數百種包含銀納米粒子的產品來防止細菌在表面的生長。此外，銀納米粒子具有與其尺寸和形狀相關的光學顏色。銀納米粒子與特定入射光波長的強耦合可用于開發超高亮度的報告分子、高效熱吸收器和可放大局部電磁場強度的納米級“天線”。我們總結了如何精確地設計銀納米粒子的尺寸和形狀使其能夠實現廣泛的生物應用。 

 

銀納米材料表面化學，形態學和光學性質

在銀納米材料合成期間，可以調整反應條件以產生具有各種形態的膠體銀納米粒子，包括單分散納米球、三角棱鏡、納米片、立方體、線和納米棒。為了其生物應用，必須小心控制銀納米粒子的表面化學性質、形態和光學性質，以獲得在目標環境中期望的功能。

 

表面化學

許多生物學應用中，需要調整不同緩沖液或介質中的膠體穩定性，或者通過表面相互作用來改變顆粒結合或攝取。可以改變顆粒的表面化學性質（即結合強度、官能團以及封端劑的尺寸）以達到對顆粒行為的額外控制。在水性介質中，許多納米粒子通過在粒子表面添加帶電粒種而達到靜電穩定。電荷的類型和密度可以通過測量膠體的電動電勢來確定。通常來說，由于表面結合了分子如檸檬酸鹽，銀納米顆粒的電動電勢一般為負值。通過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）之中，新的封端劑可以結合到納米粒子表面并改變其化學功能和電動電勢。 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電勢，而用支鏈聚乙烯亞胺（BPEI）覆蓋的粒子可產生具有高的正電動電勢的胺密集表面。

 

形態學和光學性質

銀和其它貴金屬納米粒子顯示了與光的強烈的相互作用，因為金屬表面的電子被特定波長的光激發時會發生集體振蕩。這種振蕩被稱為表面等離子體共振（SPR），它導致銀納米粒子的吸收和散射強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可通過控制粒子大小、形狀以及靠近粒子表面局部折射率來調節。

 

球狀銀納米粒子的光學性質高度依賴于納米粒子的直徑和均勻性，可通過仔細調整制造條件來生產尺寸可控的顆粒，變異系數（直徑/平均直徑的標準偏差）小于15％ （圖1A）。圖1B中顯示的是相同質量濃度（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，在較長波長處具有更寬的譜峰和峰強度。

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

 

表面增強光譜

銀納米粒子在生物中的其他應用基于其表面和表面附近的增強電磁場的利用。在等離子體共振波長處，銀納米顆粒充當納米天線，增加了局部電磁場的強度。

 

從增強的電磁場中受益的一種光譜技術是拉曼光譜，其中分子可以通過其獨特的振動模式來識別。盡管來自于分子的光子的固有拉曼散射很弱，并且需要長時間測量來獲得拉曼光譜，但來自于等離子金屬納米粒子表面附近的分子的表面增強拉曼散射（SERS）提供了大大增強的拉曼信號。 SERS效應可以將結合分子的拉曼散射增強多達14個數量級，甚至可以檢測單個分子。1,2增強是由高電場強度（或“熱點”）在納米粒子表面上的位置處產生，因此也高度依賴于納米粒子的幾何結構、表面特征和分子的特定位置。顯示來自關聯分子SERS（SERS納米標簽）的金屬納米粒子已被用于一系列生物醫學標簽，以及包括免疫測定、核酸序列檢測、體外細胞成像、體內成像和流式細胞術在內的平臺。

 

增加的局部場延伸到納米粒子的表面之外，并且通過將熒光團放置在離銀納米粒子表面很短的距離處導致的現象稱為表面增強熒光（SEF）。在20世紀70年代，SEF首先被觀察到，并且它可以提高熒光團發射強度的數量級。3熒光團的增強可以歸因于兩種效應：1）由于等離子顆粒大的吸收和散射截面導致入射光的聚焦，以及2）允許激發態以更高頻率返回到基態的熒光團熒光壽命的減少。 總的來說，這兩種現象減輕了有機染料分子常見的兩個缺點：1）分子的低吸收截面，以及2）每個分子激發和發射的緩慢的循環時間。為了最大化熒光團的熒光增強，金屬納米粒子的光學性質和SEF納米標簽的幾何結構必須仔細設計，通過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分布。

 

圖3中顯示了用染料分子達到最佳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導致發射猝滅，原因是熒光團的激發態和金屬的電子態之間的能量轉移。在這種情況下，由于粒子表面的高電磁場，分子的拉曼光譜會劇烈的增強（圖3A）。將熒光團稍微遠離粒子表面以防止熒光猝滅，并且由于高局部電磁場，導致了分子的光電發射大大增加（圖3B）。

 

抗菌應用

銀的抗菌作用可以追溯到希臘人和羅馬人，他們通過將水儲存在銀器中來延長其可飲用性。銀離子從容器壁釋放，并通過銀離子與重要的細菌酶和蛋白質的巰基相互作用來達到抗菌的作用。這影響了細胞呼吸作用和跨膜離子運輸，病導致細胞死亡 。4,5針對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菌細胞壁，導致細胞膜的結構破壞。6在銀納米粒子表面產生活性氧可導致氧化應激，為細胞損傷提供了進一步的機制。7 對細菌有特定毒性的同時保持對人類的低毒性，使得銀納米粒子整合到了多種多樣的產品中，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制是給銀離子提供了高表面積源。在水性環境中，當粒子表面溶解時，根據化學計量反應，粒子在氧和質子存在下氧化，釋放出Ag +離子。

 粒子表面溶解時，釋放出Ag+離子。隨著溶液中銀離子濃度的增加，逐漸接近平衡狀態并且銀溶解減慢。但是，如果局部環境中存在對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，銀離子則繼續從銀納米粒子中溶解。在各種不同溶液中，銀納米粒子的長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，聚集狀態和環境。由于高度彎曲或應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。

  

正如預期的那樣，較小（10nm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，與更易于置換的穩定化分子（如檸檬酸鹽）相比，緊密結合的含巰基封端劑通常會降低釋放速率。粒子的聚集也會降低離子釋放速率，但聚集的更大影響是由沉降引起的動力學和分布的變化。影響離子釋放率最大的因素是納米粒子環境。升高的溫度，氯、巰基和氧氣的存在都會影響釋放速率。在一些生理介質中，銀納米粒子可以在幾個小時內完全的溶解。

 

通過了解銀納米粒子的物理和化學性質如何影響釋放速率，可以設計銀納米材料復合體，用以獲得期望的離子釋放曲線。這種優化非常重要，可以將所需的銀數量降至最低，得到更具成本效益且對長期環境影響最小的產品。

 

生物成像標簽和靶標

銀納米粒子擁有非凡的吸收和散射光的效率，可應用于標記和成像。納米粒子的高散射橫截面可允許單獨的銀納米粒子在暗視野顯微鏡（圖5）或高光譜成像系統下成像。8通過將生物分子（例如抗體或肽）耦合至其表面，銀納米粒子可以針對特定的細胞或細胞組分。靶向分子附著到表面可以通過吸附到納米粒子表面上，也可通過共價偶聯或物理吸附來完成。 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。通過調節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。通過將抗體共價結合到表面上可以改進性能。一種共價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，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，之后羧酸可以與抗體上的游離胺共價連接，產生可靶向的銀納米粒子探針

 納米醫學和納米安全

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

 

未來，銀納米粒子的許多生物醫學應用需要很好的理解納米粒子與生物系統的相互作用。對于體內應用來說，一個主要挑戰是設計具有長循環時間和低毒性的顆粒。由于納米粒子本身及其環境的復雜性，在體內系統中優化納米粒子性能的實驗變得復雜。納米粒子的生物命運和運輸不僅取決于顆粒的主要特征（例如核心化學性質、尺寸、形狀、結晶度、表面和聚集狀態），還取決于依賴納米粒子與目標生物系統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、尺寸、形狀或表面）的精確制造和良好表征的納米材料進行的實驗，才為多種性能的生物反應提供深入見解，并協助確定有效運行的最佳特征。

 

結論和未來展望

銀納米粒子的獨特光學性質和廣泛的抗菌性能導致銀納米粒子在生物中的應用迅速增加。可控制銀納米粒子的大小、形狀和表面的高水平控制提供了強大的文庫，不僅可以生成生物應用的功能材料，還可以用于理解生物系統中納米粒子的運輸和相互作用的基本機制。這種理解，加上更復雜的多功能銀納米復合材料的構建，使得下一代基于銀納米粒子的探針、裝置和治療成為可能。

 

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