納米科技在體育科研中的應(yīng)用

聶秀娟

（黃山學(xué)院體育學(xué)院，安徽 黃山 245041）

納米科技（Nano-ST）是20世紀(jì)80年代末崛起的新科技，其基本涵義是在納米尺寸（10-10～10-7m）范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然，通過直接操作和安排原子、分子創(chuàng)新新物質(zhì)[1]，可見納米科技所研究的領(lǐng)域是人類過去從未涉及的非宏觀、非微觀的中間領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域，由于三維尺寸都很細(xì)小，出現(xiàn)了許多奇異、嶄新的物理、化學(xué)性能，即“納米效應(yīng)”，開辟了人類認(rèn)識(shí)世界的新層次，也使人們能夠按照自己的意愿改造自然，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀世界的有效控制，所以被世界各國(guó)列為21世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。體育科學(xué)研究也無疑受到了沖擊，并在納米科技的影響下產(chǎn)生深刻的變革。

1 納米科技在運(yùn)動(dòng)器材和裝備方面的應(yīng)用

1.1 運(yùn)動(dòng)服裝

運(yùn)動(dòng)服是運(yùn)動(dòng)員最基本也是最重要的裝備，其好壞直接影響著運(yùn)動(dòng)水平的發(fā)揮，運(yùn)用納米科技制成的運(yùn)動(dòng)服既有能抗菌除臭的性能，也有防水防油的特點(diǎn)[3]。在游泳、賽艇、皮劃艇等水上運(yùn)動(dòng)中，這種服裝顯示了極為有利的性能，運(yùn)用納米材料制作運(yùn)動(dòng)衣成為今后發(fā)展的趨勢(shì)。

1.2 納米建材

1.2.1 納米跑道 由納米聚氨酯制成的納米跑道不僅經(jīng)久耐用，而且強(qiáng)度高、彈性好，更便于運(yùn)動(dòng)員創(chuàng)造出好的成績(jī)[4]。

1.2.2 納米涂料 在傳統(tǒng)外墻涂料中加入納米粒子，可以使涂料防紫外線性能更強(qiáng)，同時(shí)還可增強(qiáng)抗水性和抗油性。把這種涂料涂到玻璃上，玻璃具有優(yōu)良的自清功能和很強(qiáng)的抗粉塵，抗粘附物能力，使建筑物的外表窗明潔凈，還可減少光的透射和增加保溫效果。

1.2.3 納米凈化器 納米凈化器是利用特定波長(zhǎng)的光照射在新型復(fù)合納米材料上，激發(fā)出一種對(duì)人無害的高能粒子，能將空氣中的細(xì)菌、病毒、甲醛、苯、二氧化硫等直接分解，從而達(dá)到滅菌和凈化空氣的功效[5]。

1.3 運(yùn)動(dòng)器材

不同的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目對(duì)器材的要求各不相同，而用納米材料制作的各種運(yùn)動(dòng)器材如運(yùn)動(dòng)鞋、撐桿、賽艇等因其重量輕、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，受到各國(guó)運(yùn)動(dòng)員及體育器材經(jīng)銷商的青睞。

2 納米科技在運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)方面的應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)的研究目前已涉及多個(gè)交叉學(xué)科，深入到組織細(xì)胞、亞細(xì)胞和分子水平，而納米技術(shù)的應(yīng)用將對(duì)運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)的研究帶來全新的研究思路和理念。

2.1 納米生物材料

納米材料有較好的生物相容性，用于常規(guī)材料甚至是微米材料。在運(yùn)動(dòng)損傷和運(yùn)動(dòng)性疾病的治療中，運(yùn)用納米技術(shù)的材料可作為永久性的非排斥性材料，如人造骨骼、人造肌肉、人造器官等。此外，用碳納米管制造的肌肉纖維，不僅適用于人類的移植和修復(fù)手術(shù)，還可作為將來納米機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件。而納米機(jī)器也將隨著納米科技的發(fā)展成為可能。因?yàn)樵摍C(jī)器的尺寸極小，因此在對(duì)人體進(jìn)行檢查和治療中效率高、污染低。

2.2 納米生物芯片

在生物芯片制備方面，納米技術(shù)更展示出廣泛的應(yīng)用前景。其能夠有效增強(qiáng)核酸、蛋白質(zhì)與片基之間靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的粘附力，促進(jìn)小型化高分辨率與多功能化；同時(shí)對(duì)其應(yīng)用范圍也進(jìn)一步拓寬。因?yàn)樵摷夹g(shù)可在納米尺度上認(rèn)識(shí)生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)和功能，所以該技術(shù)對(duì)科學(xué)合理的指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)員的選材及在全民健身中開展運(yùn)動(dòng)與保健、運(yùn)動(dòng)與優(yōu)生等均有廣泛的應(yīng)用范圍。

3 納米科技在運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)方面的應(yīng)用

天然動(dòng)植物是運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品的主要原料，尤其是我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)藥的瑰寶為運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)提供了廣闊的空間。而納米技術(shù)在很多方面有重要作用，如控制釋放系統(tǒng)、提高作用靶向性等方面。這些研究對(duì)納米技術(shù)在運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)方面的應(yīng)用有著重要意義。

4 骨骼肌分子發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)想

納米技術(shù)在競(jìng)技體育中的應(yīng)用還有一個(gè)特別吸引人的內(nèi)容，那就是“骨骼肌分子發(fā)動(dòng)機(jī)”。分子發(fā)動(dòng)機(jī)是利用化學(xué)能/化學(xué)勢(shì)進(jìn)行機(jī)械作功的大分子，包括線性分子發(fā)動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)式分子發(fā)動(dòng)機(jī)兩大類，它們參與胞質(zhì)運(yùn)輸、DNA復(fù)制、基因轉(zhuǎn)錄、ATP合成/水解等一系列重要生命活動(dòng)過程。例如，線性分子發(fā)動(dòng)機(jī)，是一類將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并沿著一個(gè)線性軌道運(yùn)動(dòng)的生物分子，主要包括肌球蛋白、驅(qū)動(dòng)蛋白、DNA解旋酶和RNA聚合酶等。以與運(yùn)動(dòng)關(guān)系極為密切的肌球蛋白（myosin）為例，它們參與了包括肌肉收縮、趨化性、胞質(zhì)分裂、胞飲作用、靶向小泡運(yùn)輸及信號(hào)傳導(dǎo)等細(xì)胞活動(dòng)。肌肉肌球蛋白是一個(gè)高度不對(duì)稱的蛋白質(zhì)，包括2個(gè)稱為S1（subfragment-1）的球狀頭部和1個(gè)α螺旋卷曲的尾部（α-helicalcoiled-coiltail），S1作為動(dòng)力作用的核心，具有一個(gè)含ATP結(jié)合位點(diǎn)及肌動(dòng)蛋白結(jié)合位點(diǎn)的“催化區(qū)”，催化區(qū)通過兩條α螺旋結(jié)構(gòu)組成“頸部”與尾部連接，S1中的ATP結(jié)合位點(diǎn)與肌動(dòng)蛋白結(jié)合位點(diǎn)間存在一個(gè)“裂縫”（Cleft），這個(gè)裂縫不但溝通了2個(gè)活動(dòng)位點(diǎn)，而且可能在機(jī)械作功中的構(gòu)型改變起關(guān)鍵作用。肌球蛋白在肌肉放松時(shí)，肌球蛋白的S1與肌動(dòng)蛋白分離，在肌肉收縮時(shí)，S1則與肌動(dòng)蛋白結(jié)合。這一結(jié)合同時(shí)誘導(dǎo)了S1“催化區(qū)”活性，當(dāng)ATP水解后產(chǎn)生的Pi從S1內(nèi)的活性位點(diǎn)釋放時(shí)，肌球蛋白與肌動(dòng)蛋白的親和力增加，同時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞至頸部，頸部向著肌動(dòng)蛋白的有鉤末端傾斜從而帶動(dòng)尾部的滑動(dòng)。這時(shí)，ADP同時(shí)釋放出來，而ATP的重新結(jié)合則導(dǎo)致肌球蛋白與肌動(dòng)蛋白的分離。在這里，頸部被認(rèn)為是充當(dāng)了一個(gè)杠桿，將S1活性位點(diǎn)上的亞納米級(jí)的結(jié)構(gòu)變化放大為頸部與尾部結(jié)合處的幾個(gè)納米級(jí)的運(yùn)動(dòng)。目前美國(guó)波士頓大學(xué)的化學(xué)家T Ross Kelly制備出了78個(gè)原子構(gòu)成的世界上最小的分子馬達(dá)。如果進(jìn)一步按照人類自己的意愿操縱單個(gè)原子和分子，以實(shí)現(xiàn)對(duì)“骨骼肌分子發(fā)動(dòng)機(jī)”的研制應(yīng)用，一定會(huì)在競(jìng)技體育中產(chǎn)生劃時(shí)代的變化。

5 結(jié) 語

納米科技在體育科研中的應(yīng)用前景無可估量，但是也有人擔(dān)心納米技術(shù)的濫用可能會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的健康，甚至?xí)鹨恍w育道德和倫理道德的問題，這些也應(yīng)引起科學(xué)家們的共同關(guān)注。

[1]張立德. 納米材料[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2]靳曉明. 美國(guó)納米生物學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].中國(guó)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)雜志，2004，14（7）：79-87.

[3]莫百春. 納米材料在功能紡織品上的應(yīng)用[J].中國(guó)纖檢，2003（3）：6.

[4]金敬鑫. 納米技術(shù)“扮靚”北京奧運(yùn)[J].體育博覽，2004（5）：41.

[5]譚蕾，劉小湘. 現(xiàn)代奧林匹克運(yùn)動(dòng)的科技化趨勢(shì)[J].遼寧體育科技，2005，27（3）：13-14.