銀奈米材料的生物應用
Steven J. Oldenburg*, Aaron E. Saunders
nanoComposix, Inc., San Diego, California 92111 *
納米銀材料具有獨特的物理、化學和光學特性，目前正被廣泛應用於各種生物領域。隨著人們對銀作為一種廣泛的抗菌劑的興趣的回升，已開發出數百種含有銀納米顆粒的產品來防止表面細菌的生長。此外，納米銀粒子具有與其尺寸和形狀相關的光學顏色。銀奈米顆粒與特定波長入射光的強烈耦合可被用於開發超亮報告分子、高效熱吸收劑，以及可放大當地電磁場強度的奈米級「天線」。在此，我們總結了銀納米粒子尺寸和形狀的精確 工程如何實現廣泛的生物應用。
銀納米材料的表面化學、形態和光學特性
銀納米材料合成過程中的反應條件可以調整 以製造出具有各種形態的膠質銀納米粒子， 包括單分散的納米球、三角棱柱、納米板、 立方體、線和納米棒。在生物應用中，銀納米粒子的表面化學、形態和光學特性必須經過仔細控制，才能在目標環境中獲得所需的功能。
表面化學
在許多生物應用中，我們希望調整膠體在不同緩衝液或介質中的穩定性，或者通過表面相互作用來改變粒子的結合或吸收。顆粒的表面化學（即結合 強度、官能基團和封蓋劑的大小）可以改變 以提供額外層次的顆粒行為控制。在水性 媒介中，許多奈米粒子是透過在粒子表面添加帶電物質來實現靜電穩定的。電荷的類型和密度可以通過測量膠體的 zeta 電位來確定。通常，由於表面結合的分子（如檸檬酸鹽），銀納米粒子的 ZETA 電位為負 。通過使 納米粒子與配位更緊的配體（通常含有硫醇或胺功能）接觸，新的封端劑可以與表面結合，並 改變納米粒子的化學功能和 ZETA 電位。用短鏈甲氧基端接的聚乙二醇 (mPEG) 分子取代檸檬酸根離子，可提供接近中性的 ZETA 電位，而用支鏈聚乙烯亞胺 (BPEI) 塗覆微粒，則可產生具有高度正 ZETA 電位的胺致密表面。
形態和光學特性
銀和其他貴金屬納米粒子與光有很強的相互作用，因為金屬表面的電子在特定波長的光激發下會發生集體振盪。這種振盪稱為「表面等離子體共振」（surface plasmon resonance, SPR），會導致銀奈米粒子的吸收和散射強度遠高於相同大小的非等離子體奈米粒子。銀奈米粒子的吸收和散射特性可透過控制粒子尺寸、形狀和粒子表面附近的局部折射率來調整。
球形銀奈米粒子的光學特性高度 依賴於奈米粒子的直徑和均勻性，這可以 通過仔細調整製造條件來控制，以製造出變化系數（直徑的標準 偏差/平均直徑）小於 15%（圖 1A）的尺寸可控的粒子。在相同的 質量濃度（0.02 mg/mL）下，10種尺寸的銀納米粒子的消光 譜顯示在 圖1B中。較小的 納米球主要吸收波長在 400 nm 附近的光，而較大的 納米球在較長波長上會有更多的散射、更寬的光譜峰和峰值 強度。
圖 1.A) 直徑分別為 20 nm、60 nm 和 100 nm 的均勻銀奈米粒子的透射電子顯微圖片 (TEM)。B) 直徑 10-100 nm、質量濃度為 0.02 mg/mL 的銀奈米顆粒的消光（散射與吸收之和）光譜。
納米銀板是一種表面等離子體共振 (SPR) 板狀奈米粒子 ()，在光譜的可見光區域和近紅外區域具有極大的吸收和散射截面。透過精確控制板的直徑和厚度，可將奈米板的光共振調整到特定波長（550 nm-950 nm，）的峰值。/span> 2C）。納米鉑金板可應用於表面增強拉曼散射 (SERS)、光電、分子檢測和光熱治療等領域。
圖 2.A) 納米銀板的透射電子顯微鏡 (TEM) 影像。B) 納米鍍層的分散體呈現出的顏色反映出納米鍍層在可見光和近紅外線部分的等離子共振調節能力 (C)。
Surface-enhanced Spectroscopies
銀奈米粒子在生物應用中的其他應用是基於利用銀奈米粒子表面和近表面的增強電磁場。在等離子共振波長下，銀奈米粒子就像奈米級的天線一樣，增加了局部電磁場的強度。
其中一種受益於增強電磁場的光譜技術是拉曼光譜技術，分子可以通過其獨特的振動模式來識別。雖然光子對分子的本質拉曼散射很微弱，而且需要很長的測量時間才能獲得拉曼光譜，但是電漿 金屬奈米粒子表面附近的分子所產生的表面增強拉曼散射 (SERS) 能提供大幅增強的拉曼信號。SERS 效應可將結合分子的拉曼散射強化多達 14 個數量級，甚至可偵測到單一分子。1,2 增強是由納米粒子表面上的高電場強度（或 「熱點」）驅動的，因此高度依賴於納米粒子的幾何形狀、表面 特徵和分子的特定位置。在一系列生物醫學應用和平台中，包括免疫分析、核酸序列檢測、體外 細胞成像、體內 成像和流式細胞計，金屬納米粒子都會顯示出相關分子的 SERS（SERS 納米標記）。
圖 3.A) 直接附著在金屬基板上的有機螢光團通常會產生淬滅螢光，但會產生強大的表面增強拉曼光譜 (SERS)。B) 將螢光團隔離金屬表面會產生表面增強螢光 (SEF)。
The increased localized field extends beyond the surface of the nanoparticle and, by placing a fluorophore a short distance away from the surface of a silver nanoparticle, gives rise to a phenomenon known as surface enhanced fluorescence (SEF).3 螢光體的增強可歸因於兩種效應：1）由於電漿粒子的吸收和散射截面大 導入光的聚焦，以及 2）螢光體螢光壽命的減少，允許 激發態以更高的頻率返回基態。 總括而言，這兩種現象緩解了有機染料分子常見的兩個缺點 1）低吸收截面：1) 分子的低吸收截面， 和 2) 每個分子的激發和發射週期時間較慢。為了使螢光團的螢光增強效果最大化，金屬納米粒子的光學特性和 SEF 納米標記的幾何形狀必須通過精確控制金屬 粒子的大小、形狀和組成以及粒子表面附近螢光團的分佈來精心設計。
染料分子實現最佳 SERS 和 SEF 效應所需的不同附著策略示意圖如 圖 3所示。將染料分子附著到金屬納米粒子上通常會導致 由於螢光體的激發 態和金屬的電子態之間的能量轉移而淬滅發光。在這種 情況下，由於粒子表面的高電磁場，分子的拉曼光譜會強烈增強（圖 3A）。將螢光團稍微遠離粒子表面可以防止 螢光淬滅，並且由於高局部電磁 場，導致 分子的光發射影響大幅增加 (圖 3B)。
抗菌應用
銀的抗菌效果可以追溯到希臘人和羅馬人，他們將水儲存在銀容器中，延長了水的可飲用性。銀離子會從容器壁釋放出來，並透過銀離子與重要細菌酵素和蛋白質的硫醇基交互作用，提供抗菌效果。這會影響細胞呼吸和離子跨膜傳輸，導致細胞死亡。4,5 也有人提出了銀奈米粒子毒性特有的其他抗菌途徑 。6 在銀奈米粒子表面產生的活性氧可導致氧化壓力，提供細胞損傷的進一步機制。7 銀奈米粒子對細菌有特定的毒性，但對人類的毒性較低，因此銀奈米粒子被廣泛地應用在各種產品中，包括傷口敷料、包裝材料和防污表面塗料。在水性環境中，顆粒會在氧氣和質子的作用下，根據共計反應進行氧化
。
微粒表面溶解時釋放出 Ag+ 離子。隨著溶液中銀離子濃度的增加，會接近平衡狀態，銀的溶解速度會減慢。但是，如果當地環境中存在對銀具有 親和力的分子，例如硫醇或氯，溶液中的游離銀離子濃度就會保持在低水平，銀納米粒子的銀離子溶解就會繼續。
銀離子釋放速率
納米銀粒子的銀離子釋放速率取決於多種因素，包括納米粒子的尺寸、形狀、封裝劑、聚集狀態和環境。由於高度彎曲或應變的奈米粒子表面具有高表面能，因此最小尺寸的粒子通常具有最快的離子釋放速率。Figure 4 shows the ion release profiles of different-sized spherical nanoparticles and silver nanoplates.
圖 4.不同尺寸的銀球和奈米鍍層的銀離子釋放與時間的關係。每個樣品都使用相同質量的銀。
一如預期，較小（直徑 10 nm）的奈米銀球的釋放率和最終離子濃度顯著高於較大（直徑 110 nm）的奈米銀球。各向異性奈米銀球的離子釋放率與球形顆粒有顯著的差異。平均直徑為 150 nm 的大型銀奈米板隨時間的銀濃度曲線幾乎與 10 nm 的球形銀顆粒相同 ，而直徑 35 nm 的板所呈現的銀離子濃度幾乎是較小的銀球的兩倍。
表面的官能化也在離子釋放速率中扮演了一個角色，與更容易置換的穩定分子（如檸檬酸鹽）相比，緊緊結合的含硫醇封蓋劑通常會降低 釋放速率。顆粒的聚集也會降低離子釋放率，但聚集的更大影響是沉降導致的動力學和分佈變化。對離子釋放率影響最大的因素是奈米顆粒的環境。溫度升高、氯、硫醇和氧的存在都會影響釋放率。
透過了解銀奈米粒子的物理和化學特性如何影響釋放速率，銀奈米材料複合物的設計可以獲得所需的離子釋放特性。
用於生物成像的標記和靶向
銀納米顆粒以非凡的效率吸收和散射光 並用於標記和成像應用。納米粒子的高散射 橫截面允許在暗視場顯微鏡（圖 5）或高光譜 成像系統下對單個銀納米粒子進行成像。8 通過將生物分子（如抗體或肽）耦合到銀納米粒子的表面，銀納米粒子 可以靶向特定的細胞或細胞組件。靶向分子附著到表面可以通過吸收到納米粒子表面或通過共價偶合或物理吸附來完成。通過調整 pH 值和鹽濃度，可以獲得具有高親和力和低非特異背景的納米銀抗體結合物。通過共價方式將抗體結合到 表面，可以提高 性能。一種共價方法是用硫醇化 PEG 分子的混合單層使銀納米粒子功能化，其中一部分硫醇化 PEG 含有羧酸功能，其餘的分子是惰性的（甲氧基封端）。使用乙基（二甲胺基丙基）碳二亞啶（EDC）偶合，羧基 酸可以共價鏈接抗體上的游離胺， 產生可靶向的銀奈米粒子探針。
圖 5.直徑 60 奈米銀奈米球的暗視場顯微鏡影像。
納米醫學和納米安全性
銀納米粒子在體外 和 體內 應用中的使用正在 快速增加。除了以銀奈米粒子為基礎的超亮 螢光標籤和表面增強拉曼光譜（SERS） 奈米標籤之外，銀奈米粒子的其他應用還包括作為熱源用於高溫治療和從粒子表面塗層中釋放熱調製藥物 。銀奈米顆粒也可以納入核/殼結構中。在銀奈米顆粒核心上均勻生長的無定態二氧化矽外殼可以有多種官能基團結合到外殼中，為外殼和分子之間的靜電或其他相互作用提供了途徑。發光體、 藥物分子或其他高分子量的有機分子 可以整合在殼內，用於 體外 或 體內 標籤或藥物 傳遞應用。
銀納米粒子的許多未來生物醫學應用都需要 很好地理解納米粒子與生物系統的相互作用。對於 體內 應用，一個主要的挑戰是設計具有長循環時間和低毒性的 粒子。由於納米粒子本身及其所處環境的複雜性，優化納米粒子在 體內 系統中的性能的實驗 變得複雜 。納米粒子的生物轉歸和傳輸不僅取決於粒子的主要特徵（如核心化學、大小、形狀、結晶度、表面和聚集狀態）， 還取決於納米粒子與目標生物系統相互作用的次要特徵（如、9 實驗中使用的是成套的 精確製造和表現良好的納米材料，這些材料只有 單一改變的屬性（例如、核心化學、尺寸、形狀或表面） 提供了對不同屬性的生物反應的深入瞭解，並 有助於確定有效性能的最佳特性。
結論與未來展望
銀奈米粒子獨特的光學特性和廣泛的抗菌特性 使銀 奈米粒子在生物應用中的結合迅速增加。銀奈米顆粒的大小、形狀和表面的高度可控性，不僅提供了一個強大的資料庫，可用於製造生物應用的功能材料，也可用於瞭解奈米顆粒在生物 系統中傳輸和互動的基本 機制。這種理解，加上更 複雜的多功能銀奈米複合材料的構建，將使下 代基於銀奈米粒子的探針、裝置和治療方法成為可能。
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