核殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
1、生物醫(yī)學(xué)
核殼結(jié)構(gòu)納米粒子已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的諸多方面實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，具有很多潛在的應(yīng)用價(jià)值。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，核殼結(jié)構(gòu)納米粒子主要被用于控制藥物運(yùn)輸、生物體成像、細(xì)胞標(biāo)記、生物傳感器以及再生醫(yī)學(xué)等方面。近年來，隨著藥物控制釋放技術(shù)的日臻成熟，藥物運(yùn)輸技術(shù)也得到了極大的發(fā)展，傳統(tǒng)非控制性藥物治療的現(xiàn)狀有望得到改變。然而，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展極大程度上得益于納米科技水平的提高。藥物運(yùn)輸技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)將藥物運(yùn)送到人體內(nèi)特定部位，若能在藥物定向運(yùn)輸技術(shù)的基礎(chǔ)上集成藥物控制釋放技術(shù)，將對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。為了達(dá)到將兩者結(jié)合的目的，需要進(jìn)一步研究藥物的性質(zhì)，如：溶解性、體內(nèi)穩(wěn)定性、藥物代謝、生物體分布等等。如果使用對(duì)靶組織具有藥物選擇性的納米粒子作為載體，藥物療效將會(huì)得到提高。在定向運(yùn)輸過程中，藥物最開始被裝載在多孔的納米粒子內(nèi)，這種納米粒子表面具有特殊的包覆層用于選擇吸附到特定的細(xì)胞表面。隨后，為了在到達(dá)靶細(xì)胞后釋放其裝載的藥物，納米載體或者分解，或者在化學(xué)作用下打開其多孔通道。這個(gè)過程可以受熱、光或者體內(nèi)特定化學(xué)環(huán)境（如 PH 值、離子濃度）激發(fā)而進(jìn)行。藥物定向運(yùn)輸有兩種實(shí)現(xiàn)途徑：主動(dòng)方式與被動(dòng)方式。主動(dòng)方式藥物運(yùn)輸中，特定的配體被連接到裝有藥物的納米顆粒的表面，這些納米顆粒將被選擇性地吸附到受體靶細(xì)胞上。例如，由于癌細(xì)胞上有葉酸受體，葉酸和氨甲葉酸會(huì)選擇性地吸附到癌細(xì)胞上。在被動(dòng)方式中，裝有藥物的納米粒子由于經(jīng)過表面改性處理，會(huì)在物理化學(xué)或藥理學(xué)因素的作用下選擇性地聚集到靶細(xì)胞。例如，以具有生物相容性的Si為殼層，以磁性或超順磁性元素為核的納米粒子具有很好的生物相容性，它被用來控制藥物在活體細(xì)胞中的運(yùn)輸。在生物成像技術(shù)上，不同類型的分子成像技術(shù)已經(jīng)在生物體內(nèi)外獲得了廣泛的應(yīng)用，如：光學(xué)成像、磁共振成像、超聲成像、正電子放射斷層造影等。其中光學(xué)成像和磁共振成像技術(shù)是被普遍接受的兩種技術(shù)，它們分別利用了納米粒子的體內(nèi)冷發(fā)光和磁學(xué)特性。通常，量子點(diǎn)和摻入染料的量子點(diǎn)被用于光學(xué)成像，量子點(diǎn)具有光化學(xué)及代謝穩(wěn)定性，亮度高等特點(diǎn)。但是它們存在光致氧化、易中毒以及低水溶性等缺點(diǎn)。這些不利因素可以通過在其表面包覆合適的殼層材料而減小或消除，從而使得這些核殼結(jié)構(gòu)納米粒子可以直接用于生物體光學(xué)成像。類似的方法還被用于磁共振成像技術(shù)。由于核殼結(jié)構(gòu)磁性納米粒子具有更好地自旋晶格弛豫時(shí)間，F(xiàn)e、Co、Ni及其超順磁氧化物的納米粒子常被用來與特定的殼層結(jié)合以增加磁共振成像中的對(duì)比度。這些核殼結(jié)構(gòu)的納米粒子還具有藥物選擇釋放能力與磁存儲(chǔ)能力。在生物體應(yīng)用中，納米粒子還可被用于探測(cè)損壞的細(xì)胞、DNA、RNA、膽固醇等。以磁性材料為核，熒光材料、二氧化硅、金屬或高分子等為殼的納米粒子就具備這種探測(cè)功能。例如，Si包覆的ZnS/Mn納米粒子可以用來探測(cè)Cu2+離子；Au/Ag核殼結(jié)構(gòu)納米粒子被用來探測(cè)體內(nèi)腫瘤細(xì)胞。這項(xiàng)技術(shù)的主要瓶頸是需要將納米粒子與抗體結(jié)合以選擇性地作用于目標(biāo)分子。聚合物核殼結(jié)構(gòu)納米粒子通常被用作移植材料。它們既可以是聚合物/聚合物核殼結(jié)構(gòu)也可以是聚合物/金屬核殼結(jié)構(gòu)。這些材料常備用來制作牙齒和關(guān)節(jié)。超高分子量的聚乙烯與Ag合成的此類材料就被用做關(guān)節(jié)的替代材料。用這類核殼結(jié)構(gòu)納米材料來修復(fù)關(guān)節(jié)具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、耐磨損等諸多優(yōu)點(diǎn)。
2、催化
包覆了貴金屬、半導(dǎo)體等功能殼層的磁性納米粒子往往具有比單元金屬納米粒子更好地物理性能（光學(xué)、催化活性、電學(xué)、磁學(xué)及熱學(xué)性能）。例如，MgO、CaO 等納米氧化物材料對(duì)鹵代烴和有機(jī)磷化物有很強(qiáng)的吸附能力，而若在其表面包覆Fe2O3等過渡金屬氧化物層則可將吸附能力提高若干倍。類似的例子還有，在Au納米粒子的表面包覆Fe2O3可以將Au對(duì)CO→CO2轉(zhuǎn)變的催化能力顯著提高。近年來，雙元金屬核殼結(jié)構(gòu)納米粒子中不同組分間的協(xié)同效應(yīng)受到了越來越多的關(guān)注，諸如針對(duì)Au/Pt、Au/Ni、Au/Co等核殼結(jié)構(gòu)納米粒子催化活性的研究。在這種協(xié)同效應(yīng)的作用下，核殼結(jié)構(gòu)納米粒子的催化性能得到了極大的提高。核殼結(jié)構(gòu)的納米材料還被應(yīng)用于光催化領(lǐng)域。研究表明，將TiO2納米結(jié)構(gòu)沉積到某些金屬納米顆粒表面，在紫外光的激發(fā)下，可以提高電子的躍遷率。在光催化反應(yīng)過程中，貴金屬的腐蝕和溶解限制了光催化的發(fā)展。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，科學(xué)家用one-pot的方法合成了Ag/TiO2核殼納米結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，對(duì)TiO2殼層的光激發(fā)使得電子在Ag核聚集，這些電子在遇到O2、C60 等受體時(shí)就會(huì)釋放出來。這種金屬核-半導(dǎo)體殼復(fù)合結(jié)構(gòu)能很好地促進(jìn)光誘導(dǎo)電子遷移反應(yīng)并防止貴金屬的損耗。
3、巨磁阻感應(yīng)
巨磁阻感應(yīng)技術(shù)是納米技術(shù)領(lǐng)域的首批實(shí)際應(yīng)用之一，其發(fā)現(xiàn)者Drs Fert和Grunberg于2007年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的殊榮。得益于這項(xiàng)技術(shù)，我們可以在更小的磁存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存海量文件。巨磁阻效應(yīng)（GMR），是指磁性材料的電阻率在有無外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大差異的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替構(gòu)成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最弱，材料的電阻最小。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大。近年來，核殼結(jié)構(gòu)磁性納米材料被發(fā)現(xiàn)在巨磁阻感應(yīng)技術(shù)中有廣闊的應(yīng)用前景，其磁阻可隨溫度、粒子尺寸、核的大小以及小層厚度不同而改變，這使得核殼結(jié)構(gòu)納米材料在GMR技術(shù)中有著巨大的發(fā)揮空間。
