納米材料在體育領域中的應用與生物安全性分析

楊 磊，陳 亮

(西安醫(yī)學院,陜西西安 710021)

在競技運動中變得越來越高、越來越快和越來越強大的過程中,必須使用現(xiàn)代技術來最大限度地發(fā)揮人類潛力并提高人類能力。為了確保運動器材制備中使用的材料具有低密度、高模量、耐熱性和耐磨性,高級新型納米材料已廣泛用于運動器材加工項目中[1]。納米材料的功能特性不同于傳統(tǒng)材料,這決定了相關技術的快速發(fā)展和廣泛應用[2]。近年來,各種形式的納米材料已經(jīng)滲透到競技運動中,極大地促進了運動標準的提高以及“科學”和“人性化”運動的發(fā)展。納米材料的特殊結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)材料所沒有的特殊或不同尋常的特性,因此在許多領域具有廣闊的應用前景[3]。納米材料已廣泛應用于體育領域,例如體育館、體育器材和運動服裝,并為體育界帶來了許多好處[4]。各種類型的納米材料已廣泛應用于競技體育中,極大地提高了體育競賽的水平,并促進了體育的科學發(fā)展[5]。納米技術將不可避免地對未來社會的發(fā)展產(chǎn)生重大影響,納米材料在體育領域的應用將對體育產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響[6]。

納米材料作為一種高科技材料,其物理性能與傳統(tǒng)材料明顯不同,具有優(yōu)異的性能和新的性能[7]。界面在基體和鋼筋之間的應力傳遞中起著重要作用,界面的機械性能直接影響復合材料的整體力學性能[8]。并且添加納米增強材料可以極大地改善復合材料的界面,從而改善復合材料的靜態(tài)和動態(tài)力學性能[9]。新型納米材料的優(yōu)勢比傳統(tǒng)材料更為明顯,但就機械性能和結(jié)構(gòu)而言,它們?nèi)跃哂胁磺宄膽眯阅?這使其不適用于運動器材的目標設計[10]。為了更好地理解復合材料的界面和動態(tài)力學性能,需要對復合材料的界面力學行為以及動態(tài)力學性能的影響通過計算機模擬進行深入而詳細的研究[11]。本文重點研究納米材料在體育領域中的應用,并討論了納米材料的生物安全性。

1 納米技術在體育領域中的應用價值與作用

1.1 納米材料在體育場館中的應用

在運動訓練中,職業(yè)運動員通常具有諸如整體效率低,運動損傷多以及運動訓練中的實時監(jiān)控不足的缺點。在現(xiàn)代競技體育中,納米技術的越來越多的應用使上述缺點更加明顯。新的復合材料是人造材料。每個材料成分的比例、分布和形式都需要通過大量實驗來獲得,以便能夠設計復合結(jié)構(gòu)。運動場館是進行運動訓練、體育比賽和體育鍛煉的專業(yè)場所,是體育活動的物質(zhì)支持。在我國國家體育場的建設中,墻壁、地板、玻璃和吸音板都涉及納米材料[12]。新的復合材料不僅必須保留單一材料組件固有的功能優(yōu)勢,而且還必須滿足處于復合狀態(tài)的各種單一材料組件之間的相關性和互補性。

應用于體育館墻壁的納米涂料包括納米內(nèi)墻涂料和納米外墻涂料。內(nèi)墻涂料主要利用其獨特的光催化技術來分解和消除空氣中的甲醛和氨等有毒有害氣體,凈化室內(nèi)空氣,并具有強大的抗菌和抗污染能力[13]。納米外墻涂料利用其極低的表面張力、強附著力以及高硬度和韌性。目的是增強外墻的自潔性、防塵性和耐臟性、附著力、抗紫外線性、光澤和保色性等。它在石材孔隙的內(nèi)壁上反應形成薄膜,薄膜的極低表面張力可防止液體水滲透,并使石材更易于清潔[14]。這有利于增強石材的質(zhì)地,減緩水分或液態(tài)水在石材內(nèi)部的滲透,并促進石材的性能和使用。

1.2 納米材料在徑賽跑道中的應用

對于納米跑道,主要是在傳統(tǒng)的塑料跑道材料中添加適量的納米粉,并采用相關方法生產(chǎn)納米聚氨酯,從而制造出性能明顯優(yōu)于普通塑料跑道的納米跑道。這種跑道不僅具有高強度,良好的彈性、耐磨性、耐老化性,以及合適的硬度和耐久性,而且其拉伸強度和斷裂伸長率是普通聚氨酯材料的幾倍[15]。在現(xiàn)代運動迅速發(fā)展的背景下,天然草皮逐漸被人造草皮取代,但如果運動阻力強度高,則有常常會出現(xiàn)草皮纖維缺陷,例如柔韌性差、強度低,因此影響運動對抗的效果。

與未填充納米碳酸鈣的運動草皮纖維相比,改性草皮纖維的特點是線密度低、纖維性能好。納米塑料跑道比普通運動場館使用的聚氨酯塑料跑道更耐磨,阻燃、防霉,其環(huán)保性能達到國際標準。納米跑道不僅繼承了普通聚氨酯塑料的高強度,良好的彈性、耐磨性、耐老化性,合適的硬度和耐久性,而且還表現(xiàn)出良好的機械性能[16]。由于其出色的回彈值和壓縮恢復率,在納米賽道上,運動員會感到更舒適,可以創(chuàng)造更好的成績。利用納米材料的特性來改善特殊運動器材和裝備材料的成分,使其更輕、更有彈性、更穩(wěn)定、手感更好,從而降低了運動中的阻力并節(jié)省了能量消耗。

1.3 納米材料在體育裝備的應用

體育不僅是一種流行文化,而且是一項專業(yè)項目。作為一種流行文化,體育強調(diào)娛樂和參與,旨在改善人們的健康。從專業(yè)項目的角度來看,運動器材主要服務于專業(yè)運動員,對表演價值的追求明顯高于經(jīng)濟價值[17]。競技體育是一項運動技巧和智力競賽,在比賽過程中,運動員必須使用某些設備來進行身體、技術和心理比賽。裝備是運動員參加比賽的必不可少的手段。納米技術可以根據(jù)體育賽事的具體要求和運動員動作的特點來調(diào)節(jié)裝備的質(zhì)感,從而可以提高裝備和設施的性能,更有利于運動員充分發(fā)揮良好的狀態(tài)。

在網(wǎng)球應用上通過納米材料噴涂產(chǎn)生氣體阻隔層,可以減慢空氣通過橡膠芯殼的滲透,并且球上的壓降將變得非常緩慢,從而大大延長了網(wǎng)球的壽命。新的復合材料在運動器材上的應用已成為一種慣例。與傳統(tǒng)運動器材的構(gòu)成材料(例如皮革、木材、橡膠等)相比,這些材料優(yōu)點成本低、生產(chǎn)方便。例如隨著現(xiàn)代的撐竿制作工藝日臻成熟和完善,根據(jù)撐竿從上到下受力的差異和彎曲的弧度來設計不同部位最合理的強度,生產(chǎn)“個性化”的撐竿已成為可能。

納米技術還廣泛用于乒乓球拍、羽毛球拍、網(wǎng)球拍和其他球拍。它不僅可以增加球拍的手感、耐用性和彈性,還可以減輕其重量。普通網(wǎng)球拍的手柄通常由木頭制成,但是在引入納米技術之后,其總體結(jié)構(gòu)為納米管。納米結(jié)構(gòu)網(wǎng)球拍的性能大大超過了普通木制網(wǎng)球拍的性能,大大提高了球拍對球的擊球力,球拍的質(zhì)量和舒適度得到了很大的改善。在球拍表面上應用納米材料可以有效防止空氣滲透,提高耐用性、手感和彈性。

在船上使用納米涂料可以降低船的運動的流體阻力,而不會影響船的重量、顏色和水質(zhì)。納米減阻劑使用疏水性光固化含氟蠟,并使用特殊工藝處理和改性納米顆粒,以使其在蠟基質(zhì)中的分散相對均勻,然后通過機械或手動摩擦將其施加到船艇底部形成超薄膜。這樣,船表面的重量不會增加,也可以起到改性材料的作用。這種納米減阻劑對船的顏色、重量和水質(zhì)沒有影響,并且完全符合國際比賽的比賽規(guī)則。

2 納米材料的生物安全性分析

當運動員與納米材料接觸時,納米材料的超細納米顆粒比普通材料的大顆粒更容易穿透運動員的皮膚,甚至可以通過納米顆粒進入人體細胞[18]。由于納米粒子的尺寸小,每單位體積的比表面積可達到數(shù)千,并且表面能極高。表面上的原子具有極高的活性,并且極不穩(wěn)定。它們易于與其他原子結(jié)合,并具有更強的相互吸附和團聚作用。流行病學研究表明,空氣中的超細顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)內(nèi)有很高的沉積率,粒徑越小越難以被巨噬細胞清除,通過呼吸進入體內(nèi)的超細顆粒物容易向肺組織以外的器官轉(zhuǎn)移,且可以穿過血腦屏障、血眼屏障,并在這些地方蓄積[19]。目前,納米金屬、納米氧化物(如SiО2、TiО2)和碳納米材料等納米材料已廣泛應用于運動器材中,但是納米材料的生物安全性不容忽視,需要加強生物學研究。

大多數(shù)納米材料的特點是尺寸越小、毒性越大。因為尺寸越小,其表面積越大,反應性越大,則進入人體后與其他物質(zhì)發(fā)生反應的可能性就越大。納米粒子可以通過呼吸系統(tǒng)、皮膚接觸、注射或給藥進入人類或動物,并且可以積累并轉(zhuǎn)移到人體以產(chǎn)生生物效應,從而破壞細胞、肺組織、肝、腎組織和腦組織。納米材料可以通過嗅覺神經(jīng)突觸進入嗅球并遷移到大腦,從而影響大腦中單胺神經(jīng)遞質(zhì)的代謝,導致中樞神經(jīng)系統(tǒng)巨噬細胞炎性蛋白、神經(jīng)膠質(zhì)原纖維酸蛋白和神經(jīng)元細胞粘附分子升高,對腦組織造成病理損害和神經(jīng)毒性。宋慧瑾發(fā)表了一份報告,指出納米粒子可以穿透皮膚并進入呼吸系統(tǒng)的其他器官[20],導致體內(nèi)某些激素和酶的活性喪失,或引起遺傳物質(zhì)突變,從而增加腫瘤的發(fā)生率或促進衰老。

多壁碳納米管可引起肺纖維化和炎癥,并且相關的細胞毒性將通過酸化而增加。單壁碳納米管抑制細胞繁殖并減少細胞粘附。吸入納米SiО2會引起肺部炎癥,房室傳導會受阻,心肌缺血損害,血液粘度和纖維蛋白原濃度會增加。在體育館里,凈化空氣已成為人們的議事日程。傳統(tǒng)的負離子空氣凈化器只能達到新鮮空氣的效果,大多數(shù)污染物無法去除。有研究發(fā)現(xiàn)一種新型的光催化空氣凈化器克服了這些局限性,可以更有效、更徹底地消除空氣污染[21]。各國運動員只有在公平競爭的基礎上才能維持和加強團結(jié)與友誼的關系,奧林匹克運動才能實現(xiàn)其神圣的目標。但是,在“高科技奧運”環(huán)境中,對競技體育成果產(chǎn)生決定性影響的不再是人類的潛力和技術,而是高科技技術。納米技術作為一項高科技繼續(xù)發(fā)揮作用。

3 結(jié)語

競技體育的魅力在于奧林匹克精神的“更高、更快、更強”。它是當今世界體育的重要組成部分,它給人以激烈、和諧和美麗的感覺,吸引了全世界的目光,它是人類創(chuàng)造的巨大精神財富。納米材料作為一種新型材料,廣泛應用于運動器材、體育館、運動服、運動草坪等領域,極大地促進了運動競賽水平的提高,為運動的長遠發(fā)展提供了條件。通常,納米外墻涂料和納米內(nèi)墻涂料是體育場館墻使用最廣泛的納米涂料。對于納米跑道,主要是向傳統(tǒng)的塑料跑道材料中添加適量的納米粉,并采用相關方法生產(chǎn)納米聚氨酯,從而創(chuàng)造出一種性能明顯優(yōu)于普通塑料跑道的納米跑道。納米技術可以根據(jù)體育賽事的具體要求和運動員動作的特點來調(diào)節(jié)裝備的質(zhì)感,從而可以提高裝備和設施的性能,更有利于運動員充分發(fā)揮良好的狀態(tài)。

納米材料已經(jīng)涉及運動領域的各個方面,為提高比賽水平和發(fā)展運動提供了機會。然而,不可低估納米材料所表現(xiàn)出的特殊生物效應以及對生物體的潛在影響。這就要求納米技術研究人員和體育專業(yè)人士注意納米材料的積極作用,并加強對其生物安全性和環(huán)境影響的研究。通常,納米復合材料已成為運動器材應用的首選。人們可以根據(jù)運動的需求在設計和制造過程中融入更多創(chuàng)新,從而更好地滿足運動發(fā)展的需求。