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谈体育工程中纳米材料应用与安全性

2019/08/12 阅读:

摘要:纳米材料作为一种高新技术材料,其物理性质明显不同于常规材料,具有优良的性能和新奇的特性,在体育器材、田径跑道、体育场馆、运动补剂、运动服装、运动草坪等体育工程中有着广泛的应用。然而纳米材料进入机体会影响肝肾组织、细胞、脑组织、肺组织,存在生物安全隐患,所以在体育工程中应用纳米材料的同时,需要对其生物安全性进行研究,以免危及人体健康。本文针对纳米材料在体育工程中的应用及其生物安全性研究展开分析。

关键词:纳米材料;体育工程;应用;生物安全性

纳米材料是指在在三维空间中至少有一维处于纳米量级尺寸(0.1nm~100nm)或由其作为基本单元构成的材料,与常规材料的特性和功能有明显的区别,具有广阔的应用和发展空间[1]。近年来,竞技体育中开始广泛应用形式不同的纳米材料,在很大程度上提高了体育的竞技水平,推动体育事业朝着人性化、科学化的方向发展。

1纳米材料在体育工程中的具体应用

1.1体育器材

第一,球拍。纳米技术在乒乓球拍、羽毛球拍、网球拍等球拍中的应用较广,不仅能增加球拍的手感、耐用度和弹性,还能减轻其重量。例如:“爱阿楼吉野鲁”系列硬式网球拍的强度达自重的4000倍,质量约达空气的3倍;WilsonNCode网球拍通过纳米SiO2的使用,能确保材料结构的均匀、结实、完善;双芯牌网球主要是在网球核表面涂覆丁基纳米复合材料,通过气体阻隔层来减缓空气侵入球核壳的速度,降低球内气压,促延长网球使用寿命。第二,撑竿。撑竿是撑杆跳高的主要器材,其经历了木竿—竹竿—金属竿—玻璃纤维竿—碳纤维的发展历程。如伊辛巴耶娃在北京奥运会上使用的撑竿就是碳纤维撑竿,竿尾和竿头都是碳纤维材料,弯曲度能接近90°,竿体轻盈且能快速反弹。随着科学技术的不断发展,在撑竿结构的设计过程中,根据受力和弧度来设计结构部位的强度,有利于实现撑竿的“个性化”发展,而纳米技术的应用是最为关键的环节[2]。第三,船艇。将纳米减阻涂层材料用于船艇,能降低船艇运动的流体阻力,不会影响到船艇的重量、颜色和水质。该减阻剂是利用疏水光固化含氟蜡,采用特殊工艺来处理和修饰纳米粒子,使其在基质蜡中的分散相对均匀,然后通过机械或人工擦涂的方式,将其涂抹在船艇底部来形成超薄膜,这样既不会使船艇表面重量得以增加,也能发挥出改性材料的作用,如防水粘附、疏水、防污、抛光等作用。

1.2田径跑道

对于纳米跑道而言,其主要是将适量的纳米粉体加入到传统塑胶跑道材料中,借助相关手段来生产制作纳米聚氨酯,进而创造出性能明显优于普通塑胶跑道的纳米跑道。可以说,纳米跑道既具有普通塑胶跑道的优点,如经久耐用、抗老化、强度高、硬度适宜、耐磨、弹性好等,也具有自身独特的优势,如断裂伸长率和抗张强度高、防霉性好、阻燃、压缩复原性和回弹值优良,能延长使用寿命,提高运动员的体育成绩。

1.3体育场馆

作为体育活动的重要物质基础,体育场馆是指进行身体锻炼、运动竞赛、运动训练的专业性场所。我国体育场馆建设过程中,很多都是采用纳米材料,如玻璃、墙面、吸音板、地面等,铺设墙面和石材地面时所用的纳米膜面积达15000m2。以国家体育馆为例,将纳米TiO2防护液用于玻璃天顶,能实现防雨的目的,利用雨水清洗掉玻璃表面的灰尘,保证玻璃的干净、清洁[3]。通常纳米外墙涂料和纳米内墙投料是体育场馆墙面最常用的纳米涂料,其中前者主要是以纳米材料二元协同的荷叶双梳机理为依据,充分利用其硬度高、表面张力低、韧性大、黏附能力强等特点,以此加强外墙的性能,如抗紫外线、自洁、保色保光、抗脏物抗粉尘粘附等。又如我国在1968年建设的首都体育馆,将纳米材料加入到防水吸音板中,保证吸音板不变形的同时,还能防油和防水。另外,将隐形纳米膜铺设在石材地面的表面,铺设厚度控制为几十纳米,通过隐形纳米膜与石材内壁产生的反应而形成薄膜,利用薄膜的表面张力来轻易且快速清洗石材,有利于增强石材的质感,减缓石材内部遭受湿气或液态水的渗透,促进石材使用性能和使用寿命的提高。

1.4运动补剂

对于运动补剂而言,其多是选用口服摄入的形式,但在口服过程中,运动补剂会受体内生物代谢的首过效益的影响,无法发挥出应用的效果,如蛋白质、多肽等。然而纳米材料的应用能很好地避免首过效益的影响,利用靶向给药的方式来发挥出运动补剂的作用[4]。例如:辅酶Q10属于生物抗氧化剂,当人体运动过后服用辅酶Q10,能及时清除过氧自由基,使血清中MDA含量得以降低,促进血清中SOD活力的提高,及时消除或延缓运动后的疲劳。相关研究显示,将纳米脂质体作为输送系统,能提高肝脏中辅酶Q10的蓄积量,使肝脏被动靶向性有所增加,所以含有辅酶Q10纳米脂质体的运动型饮料能使体内的血乳酸含量有所降低,抑制蛋白质分解,维持肝糖原水平,达到良好的抗疲劳效果。

1.5运动服

纳米材料具有自身独特的特性,尤其是高比表面积,能在纺织物表面吸附纳米颗粒,且不会对纺织品的手感、透气性造成影响。如纳米防水布料的制作材料主要是聚酯纤维,将直径达40nm的针状硅丝涂在布料上,以免雨水接触聚酯纤维而渗透到布料中。相较于普通运动衣,纳米运动衣在质感上并无差别,且夏天能防霉、抗菌,冬天能保暖、拒水、耐洗涤、透气,有利于避免水上运动员出现病毒性心肌炎和感冒等症状。又如纳米功能鞋的主要元素就是纳米材料,即将氧化锌与氧化钛进行融合,利用特定的基材,如氟碳表面活性剂等,在一定条件下原位复合这些材料,以此形成纳米结构薄膜,具有抗菌、透气和防水的功能。

1.6运动草坪

在现代体育运动快速发展的背景下,天然草坪逐渐被人造草坪所取代,但若运动对抗的强度较高时,人才草坪中草坪纤维的缺陷往往会显现出来,如柔韧性差、强度低等,继而影响到运动对抗的效果。为了弥补人造草坪的缺陷,相关研究者通过超分散剂B和硅烷偶联剂A,采用干法表面处理的方式来处理纳米Ca⁃CO3,然后根据熔融纺丝的手段制作纳米CaCO3改性的聚乙烯运动草坪纤维[5]。相较于未填充纳米CaCO3的运动草坪纤维,改性草坪纤维的特征更为突出,如线性密度低、纤维性能好等,并且干热收缩率可降低5.2%,断裂伸长率可增加22.8%;同时纤维结晶度会随CaCO3填充量的增加而不断上升。这些表明纳米CaCO的单丝纤维具有优良的力学性能,如干热收缩、断裂伸长率、拉断力等,明显超过同类主流产品的性能,在运动草坪中的应用前景十分广阔。

2纳米材料的生物安全性研究分析

当前纳米金属、纳米氧化物(SiO2、TiO2)、碳纳米材料等纳米材料在体育工程中的应用十分广泛,但纳米材料的生物安全性问题也不容忽视,需要加强对其生物性研究。通常引发生物安全性问题的原因包括:①从流行病学的角度来看,人体呼吸体系中会沉积很多空气中的超细颗粒物,这些颗粒物易转移到肺组织以外的器官中,甚至穿过血眼屏障和血脑屏障而蓄积,且粒径越小,巨噬细胞越难以清除[6]。②材料粒径小至纳米量级时,其性能往往会出现突变,如稳定物质能变得可燃(铝)、惰性材料能变为催化剂(铂)。③纳米粒子的沉降速度比微米粒子的沉降速度要小很多,约为微米粒子的1/1000,受重力和扩散力的影响,纳米粒子易悬浮于溶液和大气中。④对于纳米粒子而言,其尺寸极其微小,比表面积和表面原子活性极高,不稳定特征显著,极易融合其他的原子,相互团聚能力和吸附性更强。可以说,纳米粒子能通过给药、注射、皮肤接触、呼吸系统等进入到动物或人的体内,并在体内转移和积累而产生生物效应,伤害到肝肾组织、细胞、脑组织、肺组织等。通常纳米材料对细胞会造成多方面的影响,如降低细胞黏附力、诱导炎性因子释放、诱导细胞凋亡、诱导氧化应激、干扰细胞周期等。相关研究显示,Fe3O4和SiO2纳米颗粒可通过直接穿破细胞膜、内吞等方式侵入细胞,即:纳米颗粒向细胞膜外表面贴近和黏附,使膜朝内凹陷,破坏膜的完整性后侵入细胞,细胞膜被侵入后会恢复为原本完整的状态[7]。TiO2纳米颗粒会通过内吞的形式侵入细胞,即解聚和分散的电子致密颗粒与凹陷的细胞膜与相互贴近,或者是被吞入胞浆而形成囊泡,增加胞浆内的溶酶体。纳米颗粒引起毒性和炎症的关键因素就是ROS的产生,若纳米颗粒进入到细胞中,往往会先达到线粒体,继而产生大量的ROS,严重影响到机体的抗氧化剂防御机制。相关研究证实了纳米材料的组织或细胞毒性。纳米材料通过嗅觉神经突触,进入到嗅球后移至大脑,对大脑中的单胺类神经递质代谢造成影响,造成神经细胞黏附分子mRNA水平、胶质纤维酸性蛋白的升高,继而损伤脑组织病理学而产生神经毒性。灌胃染毒约一个月后,会使天门冬氨酸氨基转移酶活性、碱性磷酸酶活性增强,染毒肝细胞出现脂肪变性,可见汇管区炎细胞浸润。多壁碳纳米管会引起肺部的纤维化和炎症,且相关细胞毒性经过酸化会增大;单壁碳纳米管会抑制细胞的繁殖,使细胞黏附能力有所降低。当吸入纳米SiO2后会引起肺部炎症反应,房室传导受阻、心肌出现缺血性损伤,血粘度和纤维蛋白原浓度升高;使用含有少量杂质的SWCNTs时,肺功能有所降低,产生肺纤维化,引起急性炎症[8]。此外,对不同粒径、不同类型的、金属氧化物颗粒或纳米金属进行研究,可以发现:试验样品的浓度超过100μg/ml时,干细胞会出现形态异常改变或萎缩的情况,而在浓度相同的情况下,剂量无毒性表现且低于10μg/ml时,不同类型的纳米颗粒有不同的毒性。

3结语

综上所述,纳米材料作为一种新型的材料,被广泛应用于体育器材、体育场馆、运动服装、运动草坪等体育工程中,在很大程度上促进了体育竞技水平的提升,为体育事业的长远发展提供了强有力的支持。但纳米材料因主客观因素的影响,在生物安全性方面的影响不容忽视,这就需要纳米技术研究者和体育工作者要注重纳米材料带来的积极效应,加强研究其生物安全性和对环境造成的影响。

参考文献

[1]李翔,石小花,田媛,毛彤春,樊东力.多羧基笼型倍半硅氧烷/硅橡胶杂化纳米材料的生物安全性评价[J].现代医药卫生,2019,35(01):16-20.

[2]刘思金.氧化石墨烯及其衍生物生物安全性评价及其转化毒理学探索[A].中国毒理学会分析毒理专业委员会.第十次全国分析毒理学大会暨第六届分析毒理专业委员会会议论文集[C].中国毒理学会分析毒理专业委员会:中国毒理学会,2018:2

[3]高琴.新型钼基纳米材料的制备、生物安全性评估及其抗菌研究[D].西北大学,2018.

[4]芦雨泽.石墨烯技术在体育运动器材中应用的探索[D].哈尔滨工业大学,2017.

[5]董广新,弗雷德里克•泽浩森,古健.可穿戴式纳米生物传感器的研发及在运动中应用[J].体育师友,2016,39(05):63-65.

[6]尹伟,颜亮.论纳米科技对竞技体育发展的影响[J].湖南人文科技学院学报,2013(05):146-148.

[7]聂秀娟.纳米科技在体育科研中的应用[J].运动,2012(20):18+122.

[8]李春艳,刘星亮,肖艳芬.纳米材料在体育工程中的应用及其生物安全性研究[J].浙江体育科学,2011,33(05):99-102.

作者:闫勇江 单位:西安医学院

谈体育工程中纳米材料应用与安全性

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