纳米生物技术在家畜中的可行性

作者：吴红专 单位：美国阿拉巴马州立大学生物系

纳米生物材料

生物材料涉及广泛，例如：用于制衣、皮带的动物皮革是生物材料，用于镶牙和制作隐形眼睛的材料，尽管不是生物制品，但是被用于生物体内，也可以归于生物材料。纳米生物材料也可以分为两类，一种是适合于生物体内应用的纳米材料，它本身既可以具有生物活性，也可以不具有生物活性，仅仅易于被生物体接受，而不引起不良反应。另一类是利用生物分子的特性而发展起来的新型纳米材料，它们可能不再被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。结缔组织支架在再生医学中起重要作用，因为贴壁依赖型细胞只有在材料上粘附后，才能生长和分化。模仿天然的细胞外基质——胶原的结构，制成的含纳米纤维的生物可降解材料已开始应用于组织工程的体外及动物试验，并将具良好的应用前景。本实验室研究开发的纳米级羟基磷灰石/骨成熟蛋白在组成上模仿了天然骨基质中无机和有机成分，其纳米级的微结构类似于天然骨基质。多孔的纳米羟基磷灰石/骨成熟蛋白形成的三维支架为成骨细胞提供了与体内相似的微环境。细胞在该支架上能很好地生长并能分泌骨基质。在人骨干细胞的试验表明，此种羟基磷灰石有可能作为骨修复的纳米生物材料。纳米药物能更有效地把药物输送到靶器官，使药物与磁性纳米颗粒相结合，服用后，这些纳米药物颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动。再在人体外部施加磁场加以导引，使药物集中到患病的组织中，药物治疗的效果会大大提高。还可利用纳米药物颗粒定向阻断毛细血管，“饿”死癌细胞。纳米颗粒还可用于人体的细胞分离，以及用来携带DNA治疗基因缺陷症。目前已经用磁性纳米颗粒成功地分离了动物的癌细胞和正常细胞，在治疗人的骨髓疾病的临床试验上获得成功，前途不可估量。

纳米生物技术纳米技术

（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理学、量子力学、介观物理学、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材料学、纳机械学等。纳米生物技术是工程学和分子生物学的融合，它的出现导致了一类崭新的用于生物和化学分析的多功能设备和系统的诞生，这些设备和系统在具备更高灵敏度和特异性的同时，识别速率也变得更快。纳米生物技术作为一个新创造的名词，描绘了一个融合的结果，这一融合发生在工程学和分子生物学这两个原本并存但是相距甚远的世界之间。在过去的60年间，工程师们已经使装配式结构的尺寸日益微型化，以创造更高密度的电子芯片。如果能将这些学科有机的结合起来，将诞生一类在灵敏度、特异性以及识别效率上都优越于现有的各种方法，能够用于生物及化学分析的全新的多功能设备和系统。目前纳米技术已经体现出一些优势，纳米生物技术在分离、测序以及检测等方面也浮现出可观的应用价值，纳米材料如碳纳米管和量子点等都在开发过程中取得进展，尤其是纳米材料在分子识别中的应用特别重要。全球用于纳米技术的经费逐渐增加，纳米食品的市场份额也逐年增加。

纳米生物技术在家禽生产中的应用

纳米微生态制剂丹麦哥本哈根大学研制了一种银纳米微生态制剂，该制剂有抗菌和抗球虫作用。众所周知，银离子具有抗菌作用，但是即使是小剂量也有毒性，所以限制了它作为抗生素在家禽业中的应用。然而用纳米生物技术制备的银颗粒具有特殊的生物特征。它的毒性大大降低，而且细菌不容易产生耐药性，同时还发现它能增强厌氧菌的活性，家禽生长和增重效果更佳。纳米消毒剂2011年有超过95万件纳米消毒产品进入中国，目前人们消毒使用的主要是过氧化物类消毒剂和含氯消毒剂，这两类消毒剂都具有刺激性气味，浓度过高或使用过频容易引起鼻腔、嗓子发炎，咽喉肿痛。从上世纪70年代以来，国际上相关研究已证明，这些消毒剂在消毒时产生的有机氯化物，如一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷等，会对人体健康造成危害。另外，过量的消毒剂直接或间接进入空气、水土、土壤后，不仅造成二次环境污染，还破坏了空气、水土、土壤等环境介质的生态平衡，对环境造成危害。银作为杀菌剂在2000年前即已为人所知，研究者根据试验对不同金属抗菌效能的相对效能进行了测定，排列如下：Ag>Hg>Cu>Cd>Ni>Co>Zn>Fe>Ca。纯天然矿物质银离子消毒剂是目前国际公认的最安全、环保、有效的新型消毒剂。目前已有的银离子消毒剂无色、无味、无污染、不挥发、高效广谱；其消毒功能稳定持久。它对皮肤、口腔黏膜、眼结膜等无任何刺激和毒副作用。银是无毒、无味、环境友好、持久性的广谱抗菌材料，就安全性和抗菌性综合考虑，在目前发现的各种具有抗菌功能的金属中，银是最佳的抗菌金属。纳米粒子尺寸小，比表面积大，位于表面的原子占相当大的比例，纳米粒子粒径的减小，会最终引起其表面原子活性的增大，比表面能和抗菌功能也随之增大。银纳米粒子广谱抗菌复合材料，包括织物（棉织物、毛织物、化纤织物、无机纤维织物等）、涂层（包括有机涂层、无机涂层、复合涂层等）等可广泛应用于工业、农业，宾馆、医院、部队，以及细菌和病毒暴发疫情等。因此，银纳米粒子复合材料的生产和抗菌应用具有重要的意义，受到广泛关注和重视，低成本、高质量、高效的生产技术尤为重要。纳米饲料纳米型饲料添加剂是纳米科技运用于畜禽生产具有特定功能的产品。对饲料添加剂进行纳米处理后，可以导致饲料添加剂的性质特异性变化。与更微观的原子、分子或更宏观的粉末、块体相比，展现出许多特有的性质。如纳米型饲料添加剂具有很高的生物活性和很强的吸附性等，这样的饲料被采食后，与消化酶的接触面积大为增加，显著提高饲料的生物利用率。或吸附有毒物质并将其杀死，从而减少有毒有害物质在肉中的残留，可以大大提高畜禽产品的安全性和品质。硒是动物必需微量元素，是谷胱甘肽过氧化物酶的活性中心成分。硒的一个显著特征是，它的营养剂量与毒性剂量之间范围较窄，因此，开发利用低毒高效硒制品，备受世界各国的重视。一直以来畜禽日粮中通常是添加无机硒-亚硒酸钠，但由于它的毒性较强，给生产和使用带来诸多不便。一方面，无机硒是以被动扩散方式通过肠壁吸收然后进入肝脏，再转化为生物硒，生物利用率低，同时未被利用的大量无机硒被排到环境中，造成环境严重污染。另一方面，无机硒的使用剂量难以掌握，畜禽特别是幼龄动物对硒较敏感，易导致中毒。因此，市场上的有机硒种类渐多。与无机硒相比，有机硒的毒性较小，便于在饲料中应用。有机硒是以主动运输机制通过肠壁被机体吸收利用，其吸收率高于无机硒，可以降低饲料中的添加量，并能减少硒对环境的污染。但是，有机硒并不比无机硒具有非常强的优势，二者亚慢性毒性剂量是接近的，同时有机硒生产工艺复杂，生产成本高，实际生产中应用还不是很普遍。随着纳米科技的日益成熟，纳米硒问世了。与其他形态硒相比，纳米硒具有高安全性、高生物活性、高免疫调节、高吸收率等优点。纳米硒为国内外报道的安全性最高的硒制剂，研究发现：在急性毒性方面，无机硒为15mg/kg，有机硒为30~40mg/kg，纳米硒则为113mg/kg。在亚慢毒性方面，饲料中无机硒或有机硒的含量在4~5mg/kg时，即可导致大鼠体重下降和肝硬化；如果是纳米硒，硒含量在6mg/kg时，也不会发生上述现象。纳米硒是已发现的急性毒性最低的补硒制剂。在生物功效方面，纳米硒体外清除羟自由基效率为无机硒的5倍，为有机硒的2.5倍。有研究表明，纳米红色元素硒能显著降低小鼠全血丙二醛含量和提高小鼠全血谷胱甘肽过氧化物酶活性，显著延长黑腹果蝇生存时间。纳米硒还具有高免疫调节能力，它能显著刺激生物体的细胞、体液、非特异免疫功能，从而提高机体的防病、抗病能力。试验证明，纳米硒能显著提高小鼠的免疫功能。最后，纳米硒高吸收率表现在：纳米微粒由于有大的比表面积和表面原子配位不足，其物理、化学吸附和表面活性远大于块状材料，又由于纳米硒的粒度极细，易被动物胃肠道直接吸收充分利用，能更大限度地发挥其功能。最近还发现它有抗流感病毒的作用。纳米疫苗纳米科技已广泛应用于材料科学领域。在生物学、医学等领域也将产生积极影响，因此研制纳米疫苗、载药体及其纳米佐剂在抗病毒感染、肿瘤治疗、疫苗开发等方面具有重要的理论和实际意义。麻省理工大学工程人员设计出一种新型纳米粒子，可安全高效地传送抗艾滋病和疟疾等疾病的疫苗，并能更有效地激发机体免疫反应。瑞士科学家开发出廉价高效的新型纳米乙肝疫苗。在家禽方面禽流感的纳米疫苗试验报告已经问世。其实所有常规疫苗都可以尝试用纳米传送系统来免疫。最近发现纳米银颗粒可用于胚胎免疫，这对人工昂贵的美国养禽业来说令人鼓舞。纳米养鸡设备市场上已有鸡笼、饲喂设备、降温和通风设备，环境净化装置等纳米养鸡设备。纳米诊断器纳米材料做成的集成电路可更小，更轻，容易制成便携式诊断器，这对广大兽医工作者的野外临床诊断很有帮助。

小结

纳米技术有望成为下一次科技革命的基石，这一新兴领域的成长以及与之相伴的提供给社会的大量工作机会也许是解决世界经济危机的手段。纳米生物技术将为家禽业发展提供更快、更可靠和更灵敏的疾病诊断系统和药物残留检测分析系统；纳米饲料天然具有抗病毒和杀菌作用；用纳米生物材料做成的设备也有该作用；纳米疫苗效力更好。虽然中国在纳米材料方面的研究处于世界领先地位，但和家禽业的结合研究还不多见，希望广大的家禽工作者能投入更多的精力开展这方面的研究，赶超世界纳米生物技术先进水平。