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金纳米颗粒与ZnO纳米结构：癌症治疗与生物传感领域的应用与前景

一、引言

1.1研究背景与意义

纳米技术作为多学科交叉领域，与生物医学的融合催生了纳米生物医学这一前沿学科。纳米材料因具备小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等独特性质，在生物医学领域展现出巨大的应用潜力，为攻克重大疾病的检测与治疗难题带来了新的希望。然而，目前功能化或生物相容性良好的纳米材料设计与制备仍是该领域的重大挑战之一。

癌症，作为威胁人类生命健康的重大疾病，传统治疗手段如手术、放疗和化疗存在诸多局限性。手术治疗对于一些癌症患者来说，可能无法完全切除肿瘤，且术后恢复过程复杂；放疗在杀死癌细胞的同时，会对周围正常组织造成损伤，引发一系列副作用；化疗则容易使癌细胞产生耐药性，导致治疗效果不佳，难以实现持续缓解。而纳米技术的出现，为癌症治疗带来了新的曙光。纳米颗粒凭借其独特的光学、磁性和电学特性，能够将高浓度药物精准递送至肿瘤细胞，显著提高治疗效果。同时，它还能选择性地靶向癌细胞，减少对健康细胞的损害，有效降低毒副作用。此外，在癌症早期检测方面，纳米技术表现出色，能提高检测的敏感性和准确性，有助于发现癌症相关生物标志物，实现早期干预，从而大大提高癌症患者的生存率和生活质量。

金纳米颗粒（AuNPs）和ZnO纳米结构作为两种重要的纳米材料，在癌症治疗和生物传感方面展现出独特的优势。金纳米颗粒具有表面等离子共振（SPR）特性，当特定波长的光激发时，纳米颗粒表面的自由电子会集体振荡，导致反射光强度降低。这一特性使其在光热疗法（PTT）、光动力疗法（PDT）和比色分析中发挥重要作用，其光学消光比典型有机分子强1000倍以上。尺寸和形状效应使得AuNPs的光学性质随尺寸和形态而异，较小的球形AuNPs（小于20nm）主要吸收光，而较大的颗粒（20-80nm）则表现出更强的散射，此外，颗粒间距离或周围折射率的变化会引起颜色改变，如从红色到蓝紫色，这为其在生物成像和检测中的应用提供了便利。高表面-体积比增强了表面能和相互作用潜力，便于与配体进行修饰，提高生物相容性，同时也使其具备强大的药物负载能力，可大幅降低最低有效剂量。光热转换特性使其成为光热癌症治疗的理想选择，肿瘤组织的血管结构特殊，散热能力差，热能量过程中产生的热量更易在肿瘤内积累，使肿瘤温度升高，而正常细胞能耐受更高温度，因此光热转换在癌细胞成像和PTT中具有广阔前景。荧光特性源于荧光共振能量转移（FRET）现象，当荧光分子与AuNPs距离小于5nm时，激发荧光基团的能量会转移至AuNPs，导致荧光猝灭，这种荧光的猝灭和恢复可用于表示粒子间的相互作用，在诊断方面具有重要应用价值。化学性质上，AuNPs表面易于功能化，可通过多种方法进行修饰，使其能够选择性地分布到细胞中，用于生物传感和生物成像等领域，在氧化还原反应中表现出优异的催化活性，能与含S和N的基团形成强化学相互作用，赋予其出色的药物运输、靶向和生物相容性，与其他元素结合后，可作为优秀的磁共振成像（MRI）对比剂，增强成像效果，提高癌症诊断的准确性，具有易于合成、低毒性、易于功能化和检测等优点，是有效的X射线对比剂，可增强双光子吸收系数，在高分辨率3D成像中发挥重要作用，还可用于检测和成像组织样本中的化学环境，为生物样本的3D成像提供帮助。

ZnO纳米结构作为一种重要的宽禁带半导体材料，在室温下的禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60eV。一维ZnO纳米结构具有无毒性、比表面积大、化学稳定性强等优势，在此基础上还具有良好的生物降解性和生物兼容性，使其在生物传感领域展现出巨大的应用潜力。例如，利用其生物兼容性及高的表面体积比可制成高灵敏度的生物传感器；利用其纳米线比表面积大、化学稳定性强的优点可制成具有特殊功能的生物传感器。在癌症治疗方面，ZnO纳米材料由于具有高生物亲和性、广谱抗菌抗瘤、易于表面改性等多项优势而被广泛关注。山东大学韩琳教授团队通过水热法制备ZnO纳米棒材料用于培养和处理乳腺癌细胞，开发了基于新型纳米材料转导的免疫荧光微流控芯片，对乳腺癌相关的12种细胞因子进行单细胞水平的实时检测，探究了群体细胞以及单细胞分辨率下的ZnO纳米棒材料的抑癌效果，发现ZnO纳米棒材料对不同类型的乳腺癌细胞具有强弱不同的抑制效果，为ZnO纳米棒在癌症治疗上的应用提供了一种有效的评估平台。

综上所述，深入研究金纳米颗粒和ZnO纳米结构在癌症治疗和生物传感方面的应用，对于推动纳米生物医学的发展、提高癌症治疗水平、实现疾病的早期检测和诊断具有重要的理论和实际意义。

1.2研究现状

在癌症治疗领域，金纳米颗粒的应用研究取得了丰富成果。其独特的光热转换特性使其成为