納米材料在體育工程中的應(yīng)用及其生物安全性研究

閆勇江

摘要：納米材料作為一種高新技術(shù)材料，其物理性質(zhì)明顯不同于常規(guī)材料，具有優(yōu)良的性能和新奇的特性，在體育器材、田徑跑道、體育場館、運動補劑、運動服裝、運動草坪等體育工程中有著廣泛的應(yīng)用。然而納米材料進入機體會影響肝腎組織、細胞、腦組織、肺組織，存在生物安全隱患，所以在體育工程中應(yīng)用納米材料的同時，需要對其生物安全性進行研究，以免危及人體健康。本文針對納米材料在體育工程中的應(yīng)用及其生物安全性研究展開分析。

關(guān)鍵詞：納米材料;體育工程;應(yīng)用;生物安全性

中圖分類號：TQ050.4"25

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2019）06-0057-03

納米材料是指在在三維空間中至少有一維處于納米量級尺寸（0.1nm～100nm）或由其作為基本單元構(gòu)成的材料，與常規(guī)材料的特性和功能有明顯的區(qū)別，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間。近年來，競技體育中開始廣泛應(yīng)用形式不同的納米材料，在很大程度上提高了體育的競技水平，推動體育事業(yè)朝著人性化、科學(xué)化的方向發(fā)展。

1納米材料在體育工程中的具體應(yīng)用

1.1體育器材

第一，球拍。納米技術(shù)在乒乓球拍、羽毛球拍、網(wǎng)球拍等球拍中的應(yīng)用較廣，不僅能增加球拍的手感、耐用度和彈性，還能減輕其重量。例如：“愛阿樓吉野魯”系列硬式網(wǎng)球拍的強度達自重的4000倍，質(zhì)量約達空氣的3倍;Wilson NCode網(wǎng)球拍通過納米SiO₂的使用，能確保材料結(jié)構(gòu)的均勻、結(jié)實、完善;雙芯牌網(wǎng)球主要是在網(wǎng)球核表面涂覆丁基納米復(fù)合材料，通過氣體阻隔層來減緩空氣侵入球核殼的速度，降低球內(nèi)氣壓，促延長網(wǎng)球使用壽命。第二，撐竿。撐竿是撐桿跳高的主要器材，其經(jīng)歷了木竿-竹竿-金屬竿-玻璃纖維竿-碳纖維的發(fā)展歷程。如伊辛巴耶娃在北京奧運會上使用的撐竿就是碳纖維撐竿，竿尾和竿頭都是碳纖維材料，彎曲度能接近90°，竿體輕盈且能快速反彈。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在撐竿結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，根據(jù)受力和弧度來設(shè)計結(jié)構(gòu)部位的強度，有利于實現(xiàn)撐竿的“個性化”發(fā)展，而納米技術(shù)的應(yīng)用是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。第三，船艇。將納米減阻涂層材料用于船艇，能降低船艇運動的流體阻力，不會影響到船艇的重量、顏色和水質(zhì)。該減阻劑是利用疏水光固化含氟蠟，采用特殊工藝來處理和修飾納米粒子，使其在基質(zhì)蠟中的分散相對均勻，然后通過機械或人工擦涂的方式，將其涂抹在船艇底部來形成超薄膜，這樣既不會使船艇表面重量得以增加，也能發(fā)揮出改性材料的作用，如防水粘附、疏水、防污、拋光等作用。

1.2田徑跑道

對于納米跑道而言，其主要是將適量的納米粉體加入到傳統(tǒng)塑膠跑道材料中，借助相關(guān)手段來生產(chǎn)制作納米聚氨酯，進而創(chuàng)造出性能明顯優(yōu)于普通塑膠跑道的納米跑道?？梢哉f，納米跑道既具有普通塑膠跑道的優(yōu)點，如經(jīng)久耐用、抗老化、強度高、硬度適宜、耐磨、彈性好等，也具有自身獨特的優(yōu)勢，如斷裂伸長率和抗張強度高、防霉性好、阻燃、壓縮復(fù)原性和回彈值優(yōu)良，能延長使用壽命，提高運動員的體育成績。

1.3體育場館

作為體育活動的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，體育場館是指進行身體鍛煉、運動競賽、運動訓(xùn)練的專業(yè)性場所。我國體育場館建設(shè)過程中，很多都是采用納米材料，如玻璃、墻面、吸音板、地面等，鋪設(shè)墻面和石材地面時所用的納米膜面積達15000m+2。以國家體育館為例，將納米TiO₂防護液用于玻璃天頂，能實現(xiàn)防雨的目的，利用雨水清洗掉玻璃表面的灰塵，保證玻璃的干凈、清潔。通常納米外墻涂料和納米內(nèi)墻投料是體育場館墻面最常用的納米涂料，其中前者主要是以納米材料二元協(xié)同的荷葉雙梳機理為依據(jù)，充分利用其硬度高、表面張力低、韌性大、黏附能力強等特點，以此加強外墻的性能，如抗紫外線、自潔、保色保光、抗臟物抗粉塵粘附等。又如我國在1968年建設(shè)的首都體育館，將納米材料加入到防水吸音板中，保證吸音板不變形的同時，還能防油和防水。另外，將隱形納米膜鋪設(shè)在石材地面的表面，鋪設(shè)厚度控制為幾十納米，通過隱形納米膜與石材內(nèi)壁產(chǎn)生的反應(yīng)而形成薄膜，利用薄膜的表面張力來輕易且快速清洗石材，有利于增強石材的質(zhì)感，減緩石材內(nèi)部遭受濕氣或液態(tài)水的滲透，促進石材使用性能和使用壽命的提高。

1.4運動補劑

對于運動補劑而言，其多是選用口服攝人的形式，但在口服過程中，運動補劑會受體內(nèi)生物代謝的首過效益的影響，無法發(fā)揮出應(yīng)用的效果，如蛋白質(zhì)、多肽等。然而納米材料的應(yīng)用能很好地避免首過效益的影響，利用靶向給藥的方式來發(fā)揮出運動補劑的作用。例如：輔酶010屬于生物抗氧化劑，當(dāng)人體運動過后服用輔酶010，能及時清除過氧自由基，使血清中MDA含量得以降低，促進血清中SOD活力的提高，及時消除或延緩運動后的疲勞。相關(guān)研究顯示，將納米脂質(zhì)體作為輸送系統(tǒng)，能提高肝臟中輔酶010的蓄積量，使肝臟被動靶向性有所增加，所以含有輔酶010納米脂質(zhì)體的運動型飲料能使體內(nèi)的血乳酸含量有所降低，抑制蛋白質(zhì)分解，維持肝糖原水平，達到良好的抗疲勞效果。

1.5運動服裝

納米材料具有自身獨特的特性，尤其是高比表面積，能在紡織物表面吸附納米顆粒，且不會對紡織品的手感、透氣性造成影響。如納米防水布料的制作材料主要是聚酯纖維，將直徑達40nm的針狀硅絲涂在布料上，以免雨水接觸聚酯纖維而滲透到布料中。相較于普通運動衣，納米運動衣在質(zhì)感上并無差別，且夏天能防霉、抗菌，冬天能保暖、拒水、耐洗滌、透氣，有利于避免水上運動員出現(xiàn)病毒性心肌炎和感冒等癥狀。又如納米功能鞋的主要元素就是納米材料，即將氧化鋅與氧化鈦進行融合，利用特定的基材，如氟碳表面活性劑等，在一定條件下原位復(fù)合這些材料，以此形成納米結(jié)構(gòu)薄膜，具有抗菌、透氣和防水的功能。

1.6運動草坪

在現(xiàn)代體育運動快速發(fā)展的背景下，天然草坪逐漸被人造草坪所取代，但若運動對抗的強度較高時，人才草坪中草坪纖維的缺陷往往會顯現(xiàn)出來，如柔韌性差、強度低等，繼而影響到運動對抗的效果。為了彌補人造草坪的缺陷，相關(guān)研究者通過超分散劑B和硅烷偶聯(lián)劑A，采用干法表面處理的方式來處理納米CaC03，然后根據(jù)熔融紡絲的手段制作納米CaCO₃改性的聚乙烯運動草坪纖維。相較于未填充納米CaCO₃的運動草坪纖維，改性草坪纖維的特征更為突出，如線性密度低、纖維性能好等，并且干熱收縮率可降低5.2%，斷裂伸長率可增加22.8%;同時纖維結(jié)晶度會隨CaCO₃填充量的增加而不斷上升。這些表明納米CaCO₃的單絲纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能，如干熱收縮、斷裂伸長率、拉斷力等，明顯超過同類主流產(chǎn)品的性能，在運動草坪中的應(yīng)用前景十分廣闊。

2 納米材料的生物安全性研究分析

當(dāng)前納米金屬、納米氧化物（SiO₂、TiO₂）、碳納米材料等納米材料在體育工程中的應(yīng)用十分廣泛，但納米材料的生物安全性問題也不容忽視，需要加強對其生物性研究。通常引發(fā)生物安全性問題的原因包括：①從流行病學(xué)的角度來看，人體呼吸體系中會沉積很多空氣中的超細顆粒物，這些顆粒物易轉(zhuǎn)移到肺組織以外的器官中，甚至穿過血眼屏障和血腦屏障而蓄積，且粒徑越小，巨噬細胞越難以清除。②材料粒徑小至納米量級時，其性能往往會出現(xiàn)突變，如穩(wěn)定物質(zhì)能變得可燃（鋁）、惰性材料能變?yōu)榇呋瘎ㄣK）。③納米粒子的沉降速度比微米粒子的沉降速度要小很多，約為微米粒子的1/1000，受重力和擴散力的影響，納米粒子易懸浮于溶液和大氣中。④對于納米粒子而言，其尺寸極其微小，比表面積和表面原子活性極高，不穩(wěn)定特征顯著，極易融合其他的原子，相互團聚能力和吸附性更強?？梢哉f，納米粒子能通過給藥、注射、皮膚接觸、呼吸系統(tǒng)等進入到動物或人的體內(nèi)，并在體內(nèi)轉(zhuǎn)移和積累而產(chǎn)生生物效應(yīng)，傷害到肝腎組織、細胞、腦組織、肺組織等。

通常納米材料對細胞會造成多方面的影響，如降低細胞黏附力、誘導(dǎo)炎性因子釋放、誘導(dǎo)細胞凋亡、誘導(dǎo)氧化應(yīng)激、干擾細胞周期等。相關(guān)研究顯示，F(xiàn)e₃O₄和SiO₂納米顆粒可通過直接穿破細胞膜、內(nèi)吞等方式侵入細胞，即：納米顆粒向細胞膜外表面貼近和黏附，使膜朝內(nèi)凹陷，破壞膜的完整性后侵入細胞，細胞膜被侵入后會恢復(fù)為原本完整的狀態(tài)。TiO₂納米顆粒會通過內(nèi)吞的形式侵入細胞，即解聚和分散的電子致密顆粒與凹陷的細胞膜與相互貼近，或者是被吞入胞漿而形成囊泡，增加胞漿內(nèi)的溶酶體。納米顆粒引起毒性和炎癥的關(guān)鍵因素就是ROS的產(chǎn)生，若納米顆粒進入到細胞中，往往會先達到線粒體，繼而產(chǎn)生大量的ROS，嚴(yán)重影響到機體的抗氧化劑防御機制。

相關(guān)研究證實了納米材料的組織或細胞毒性。納米材料通過嗅覺神經(jīng)突觸，進入到嗅球后移至大腦，對大腦中的單胺類神經(jīng)遞質(zhì)代謝造成影響，造成神經(jīng)細胞黏附分子mRNA水平、膠質(zhì)纖維酸性蛋白的升高，繼而損傷腦組織病理學(xué)而產(chǎn)生神經(jīng)毒性。灌胃染毒約一個月后，會使天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶活性、堿性磷酸酶活性增強，染毒肝細胞出現(xiàn)脂肪變性，可見匯管區(qū)炎細胞浸潤。多壁碳納米管會引起肺部的纖維化和炎癥，且相關(guān)細胞毒性經(jīng)過酸化會增大;單壁碳納米管會抑制細胞的繁殖，使細胞黏附能力有所降低。當(dāng)吸入納米SiO₂后會引起肺部炎癥反應(yīng)，房室傳導(dǎo)受阻、心肌出現(xiàn)缺血性損傷，血粘度和纖維蛋白原濃度升高;使用含有少量雜質(zhì)的SWCNTs時，肺功能有所降低，產(chǎn)生肺纖維化，引起急性炎癥。此外，對不同粒徑、不同類型的、金屬氧化物顆?；蚣{米金屬進行研究，可以發(fā)現(xiàn)：試驗樣品的濃度超過100ug/ml時，干細胞會出現(xiàn)形態(tài)異常改變或萎縮的情況，而在濃度相同的情況下，劑量無毒性表現(xiàn)且低于10ug/ml時，不同類型的納米顆粒有不同的毒性。

3 結(jié)語

綜上所述，納米材料作為一種新型的材料，被廣泛應(yīng)用于體育器材、體育場館、運動服裝、運動草坪等體育工程中，在很大程度上促進了體育競技水平的提升，為體育事業(yè)的長遠發(fā)展提供了強有力的支持。但納米材料因主客觀因素的影響，在生物安全性方面的影響不容忽視，這就需要納米技術(shù)研究者和體育工作者要注重納米材料帶來的積極效應(yīng)，加強研究其生物安全性和對環(huán)境造成的影響。