李春艷，劉星亮，肖艷芬

（1.武漢體育學(xué)院 健康科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430079；2.華中科技大學(xué) 武昌分校，湖北 武漢430070）

0 前 言

納米材料即在納米量級（1－100n m）尺寸范圍內(nèi)的材料，是八十年代中期發(fā)展起來的新型材料。納米材料不同于常規(guī)材料的功能特性，決定其相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展及其廣闊的應(yīng)用空間。近年來，不同形式的納米材料競相滲透于競技體育，極大推動了競技水平的提高及競技體育向“科學(xué)化”“人性化”發(fā)展［1，2］。目前，納米材料已廣泛應(yīng)用于體育場館、體育器材、體育服裝等體育工程領(lǐng)域，給體育界帶來諸多益處。然而，由于納米材料的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，可能引發(fā)特殊的生物學(xué)效應(yīng)，給環(huán)境和生物體帶來負面影響，威脅人類健康。

1 納米材料在體育工程中的應(yīng)用

1.1 納米材料在體育場館中的應(yīng)用

體育場館是進行運動訓(xùn)練、運動競賽及身體鍛煉的專業(yè)性場所，是體育活動的物質(zhì)依托。在我國國家體育館的建設(shè)中，從墻面、地面、玻璃到吸音板等都有納米材料的介入，其中石材地面和墻面鋪設(shè)納米膜的面積高達15 000 m2之多。石材地面表面鋪設(shè)的厚度為幾十納米的隱形納米膜，在石材毛細孔內(nèi)壁上反應(yīng)形成薄膜，薄膜極低的表面張力阻止液態(tài)水的滲入，使石材更易清洗。這層薄膜還保持了石材的質(zhì)感和呼吸性，石材內(nèi)部的濕氣可以“呼吸”出來，避免了濕氣的長期積累，防止出現(xiàn)銹斑和白華，延長石材的壽命。國家體育館玻璃天頂也使用了針對玻璃幕墻研發(fā)的納米Ti O2防護液，雨水能迅速從玻璃表面滑落，并帶走玻璃上的灰塵，使玻璃似荷葉般自潔自新。

應(yīng)用于體育場館墻面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(shù)分解和消除空氣中的甲醛、氨氣等有毒有害氣體，清新室內(nèi)空氣，并兼具較強的抗菌抗污染能力。納米外墻涂料主要利用納米材料二元協(xié)同的荷葉雙疏機理，利用其表面張力極低、黏附能力強和硬度高韌性大的特點，目的在于加強外墻的自潔、抗粉塵抗臟物粘附、抗紫外線和保光保色等性能。

此外，我國建于1968年的首都體育館為迎接2008年奧運會排球比賽，維修中，1 600 m2的防水吸音板在加入納米材料后，既防水又防油，且吸音板不變形。

1.2 納米材料在運動草坪中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代體育運動的發(fā)展，人造草坪大有取代天然草坪之勢［3］。而在高強度運動對抗中，人造草坪中的關(guān)鍵組成部分草坪纖維表現(xiàn)出的強度低和柔韌性差等不足日益凸顯。王偉山等［4］利用自制的硅烷偶聯(lián)劑A和超分散劑B對納米CaCO3進行干法表面處理，通過熔融紡絲的方式制得納米CaCO3改性的線性低密度聚乙烯運動草坪纖維。研究表明，填充硅烷偶聯(lián)劑A和超分散劑B復(fù)配處理納米CaCO3的纖維性能最好，斷裂伸長率最多可達131%，比未填充納米Ca－CO3時高22.8%；干熱收縮率最低可達27%，比未填充納米CaCO3時降低了5.2%；纖維的結(jié)晶度隨著CaCO3填充量的增加有上升的趨勢，由30.5%增加到32.5%；納米CaCO3粒子在纖維中達到了較好的分散效果。說明填充納米CaCO3的單絲纖維在拉斷力、斷裂伸長率及干熱收縮率等力學(xué)性能方面遠遠超過國內(nèi)同類主流產(chǎn)品的性能指標。提示其在運動草坪中有很好的應(yīng)用前景。

1.3 納米材料在徑賽跑道中的應(yīng)用

納米跑道是在傳統(tǒng)的塑膠跑道材料（聚氨酯）中加入一定比例的納米粉體，經(jīng)過一定的手段，生產(chǎn)出納米聚氨酯，創(chuàng)造出比普通聚氨酯塑膠跑道更耐磨，阻燃、防霉性更好，且環(huán)保性能達到國際標準的納米跑道。這種跑道不僅具備普通聚氨酯塑膠跑道高強度、彈性好、耐磨、抗老化、硬度適宜、經(jīng)久耐用的特點，而且其抗張強度和斷裂伸長率超過普通聚氨酯材料數(shù)倍，耐磨、阻燃及防霉性能更佳，使用壽命延長，尤其其優(yōu)良的回彈值及壓縮復(fù)原性，更利于運動員創(chuàng)造優(yōu)異的成績［5］。

1.4 納米材料在體育器材的應(yīng)用

在球拍中，網(wǎng)球拍、羽毛球拍、乒乓球拍已經(jīng)率先采用納米技術(shù)，它們在減輕球拍重量的前提下，增加其彈性、耐用度和手感等。Wilson n Code網(wǎng)球拍是將納米級的Si O2填充到碳纖維復(fù)合材料的孔洞中，使材料結(jié)構(gòu)得以完善均勻，強度更高，更結(jié)實，威廉姆斯姐妹及Roger Federer等在法國網(wǎng)球公開賽上使用的便是這種球拍。日本SRI體育運動公司生產(chǎn)的“愛阿樓吉野魯”系列硬式網(wǎng)球拍，質(zhì)量僅為空氣的3倍左右，強度卻為自重4 000倍。YONEX也成功將直徑0.7n m的納米材料“弗拉綸”粒子滲透到碳原子的間隙之間，球拍的耐沖擊強度提高30%，耐用性提高10%，反彈性能提高5%，穩(wěn)定性提高2倍，提升了手感［6］。

日前，納米網(wǎng)球已經(jīng)面市。雙芯牌網(wǎng)球采用丁基納米復(fù)合材料，涂覆在網(wǎng)球核的表面。納米材料的噴涂產(chǎn)生了氣體阻隔層，可減慢空氣滲透通過橡膠球核殼，球內(nèi)氣壓下降就會變得極為緩慢，大大延長網(wǎng)球使用的壽命。

自行車作為實現(xiàn)最快速度的裝備，要求重量輕，抗沖撞能力強。2005年環(huán)法自行車賽上，瑞士Phonak隊的運動員騎著車架中含有碳納米管的自行車參與比賽，這款自行車車架重不到一公斤，并且具有很好的剛性與強度。

船艇涂層是納米材料的又一貢獻。2005年賽艇世界杯英國站，上海女子八人艇奪得中國歷史上第一個女子八人艇世界杯冠軍，納米減阻涂層材料功不可沒。該減阻劑是以強疏水光固化含氟蠟為基質(zhì)材料，將具有嵌入及微觀拋光作用的納米粒子通過表面修飾和特殊工藝處理，使之均勻分散于基質(zhì)蠟中，通過手工或機械擦涂工藝涂敷于船艇底部，形成納米級功能改性超薄膜，對運動船艇表面具有無增重、無污染、拋光、防污、疏水和防水粘附等多種改性作用。該減阻涂層可顯著降低運動船艇的流體阻力。擦涂膜與水的接觸角160°大于106°，可長時間耐10 m／s的水流沖刷。經(jīng)實船流體阻力對比測試，擦涂減阻劑后，在3.5 m／s～6.5 m／s船速范圍內(nèi)（比賽速度范圍），可使世界頂級的運動船艇與水的摩擦阻力降低1%～1.5%。不僅如此，此種納米減阻劑對船艇的顏色、重量和水質(zhì)均無影響，完全符合國際比賽的競賽規(guī)則。

撐竿跳高的關(guān)鍵器材是撐竿?？v觀撐竿的變遷史，從木竿、竹竿、金屬竿、玻璃纖維竿到碳纖維竿，可謂“立竿見影”、“竿竿創(chuàng)新”。在北京奧運會上，女子撐竿跳金牌得主伊辛巴耶娃使用的碳纖維竿，竿頭和竿尾采用了大量碳纖維材料，竿體輕盈，能夠彎曲接近90°以儲存大量能量，并快速反彈。此竿幫助伊辛巴耶娃成功越過了5.05 m的新高度。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(shè)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，而納米材料的應(yīng)用必將使撐竿跳高“百尺竿頭，更進一步”。

1.5 納米材料在體育服裝中的應(yīng)用

納米材料的高比表面積使納米顆粒易于吸附在紡織品表面，且納米材料涂層并不影響紡織品的透氣性和手感。2010年上海世博上瑞士蘇黎世大學(xué)物理化學(xué)研究所開發(fā)出的納米防水布料引人注目。該布料是由聚酯纖維制成，上面涂一層直徑為40n m的針狀硅絲，納米硅絲涂層可防止雨水浸過滲透到下面的聚酯纖維中。此硅絲還能在它們之間形成一層永久性的空氣層，確保水永遠不會和聚酯纖維接觸。此種納米布料即使浸在水里達二個月之久，依舊保持干燥，堪稱迄今為止最防水的布料。且該布料在水中移動時能減小高達20%的阻力，為新型運動泳衣的開發(fā)提供了新的視角。

美國斯坦福大學(xué)將普通織物浸泡在一種特殊的注入納米粒子的墨水中，開發(fā)出e－紡織品。這種紡織品能夠儲存能源，同時保留織物的力學(xué)性能。該能源紡織品也可以用于生產(chǎn)具有移動反應(yīng)功能的高性能運動服裝［7］。

針對賽艇、帆船、皮劃艇等水上運動員出現(xiàn)的感冒、病毒性心肌炎、“爛屁股”等現(xiàn)狀，通過納米技術(shù)研制防水、透氣、保暖、遠紅外保健、耐洗滌、耐高溫、耐光照等多功能的水上項目訓(xùn)練服以及抗菌、防臭、防霉、耐洗滌等多功能纖維應(yīng)用在賽艇、帆船、皮劃艇項目運動員極易感染的運動服部位，具有非常重要的意義。上海體育科學(xué)研究所與上海市水上運動中心聯(lián)合中科院，開發(fā)出納米運動衣。這類質(zhì)感與普通運動衣無差異的納米運動衣，冬天能拒水、透氣、保暖、耐洗滌；夏天，抗菌、防霉的遠紅外運動短褲，則有效抑制水上運動員的“難言之隱”，45.5%的運動員感冒次數(shù)明顯減少，病毒性心肌炎，以及夏季“爛屁股”的發(fā)生率明顯減少。

陳罘杲等［8］設(shè)計的LSMZ系列水氣單導(dǎo)式納米功能鞋，有納米效應(yīng)防水層和納米效應(yīng)透氣層，兼具防水、透氣和抗菌功能。是采用納米材料氧化鈦、氧化鋅復(fù)合材料，通過氟碳表面活性劑和全氟烷基成膜物質(zhì)，在特定的條件與基材原位復(fù)合成納米結(jié)構(gòu)薄膜。由于氟碳鍵與納米粒子表面羥基的作用，改性后的納米粒子及納米薄膜具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性和耐變性，使整理制備的鞋內(nèi)防水透氣層表現(xiàn)出對水油的雙疏效應(yīng)，但氣體可以自由通過該層。其抗菌機理是，采用納米微容體結(jié)構(gòu)硅基氧化物為載體，將無機銀、鋅等離子或其它功能離子、分子組裝入微容體中進行半封孔，形成長久廣譜抗菌緩解微囊，該微囊與高表面納米材料及納米分子篩等復(fù)合，形成足以使其周圍空間產(chǎn)生原子氧，原子氧具有強氧化性可以殺滅細菌。

1.6 納米材料在運動營養(yǎng)補劑上的應(yīng)用

運動營養(yǎng)補劑多通過口服攝入，口服受到胃腸道上皮細胞和肝中各種酶的生物代謝兩種首過效應(yīng)的影響，許多補劑如多肽、蛋白質(zhì)等很大一部分作用因首過效應(yīng)，而未獲得應(yīng)有的效果。而納米材料可通過靶向給藥，提高其利用率。

輔酶Q10作為生物抗氧化劑，可通過清除體內(nèi)因運動而產(chǎn)生的過氧自由基，提高血清中SOD活力，降低血清中MDA含量，延緩疲勞的發(fā)生，有助于運動后疲勞的消除。研究表明，以納米脂質(zhì)體為輸送系統(tǒng)增加肝臟被動靶向性，提高輔酶Q10在小鼠肝臟中的蓄積量。因此，輔酶Q10納米脂質(zhì)體強化的運動型飲料能顯著延長小鼠負重游泳時間，維持游泳小鼠肝糖原水平，抑制蛋白質(zhì)分解，降低血乳酸含量，具有一定的抗疲勞作用［9］。

2 納米材料引發(fā)的生物安全性問題

目前國內(nèi)外用于體育工程中納米材料主要有碳納米材料、納米氧化物（二氧化鈦、二氧化硅）和納米金屬等。納米材料之所以引起生物安全性問題是基于如下原因：

（1）當材料粒徑減小到納米量級時性能會發(fā)生突變。如：惰性材料可以變成催化劑（鉑）；穩(wěn)定的物質(zhì)可以變得可燃（鋁）。

（2）由于納米粒子尺寸小，在單位體積中比表面積可高達數(shù)千，表面能極高，表面原子具有極高的活性，極不穩(wěn)定，容易與其他原子結(jié)合，有更強的吸附性和相互團聚的能力。

（3）流行病學(xué)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。

（4）納米粒子沉降速度大約是微米粒子的千萬分之一，遠遠小于微米粒子，受擴散力和重力作用時，更容易懸浮在大氣和溶液中［10］。

因此，納米粒子可能通過呼吸系統(tǒng)、皮膚接觸、注射或者給藥途徑進入人或動物體內(nèi)，可在體內(nèi)積累、轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生生物效應(yīng)，從而對細胞、肺組織、肝、腎組織、腦組織等產(chǎn)生傷害［11］。

納米材料對細胞的影響是多方面的，包括誘導(dǎo)細胞凋亡，擾亂細胞周期，誘導(dǎo)炎性因子的釋放，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，降低細胞黏附力等。研究發(fā)現(xiàn)，Ti O2納米顆粒侵入細胞是通過內(nèi)吞方式，分散和解聚的電子致密Ti O2納米顆?；蛘哔N近凹陷的細胞膜，或者被吞入胞漿形成充滿致密顆粒的囊泡，胞漿內(nèi)溶酶體明顯增多。Si O2和Fe3 O4納米顆粒侵入細胞除了內(nèi)吞方式外，還可直接穿破細胞膜侵入細胞。Si O2和Fe3O4納米顆粒首先貼近并黏附于細胞膜的外表面，繼而質(zhì)膜向內(nèi)凹陷，膜的完整性被破壞后侵入細胞。當納米顆粒侵入細胞后，細胞膜又回復(fù)原來的完整性［12］。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)富勒烯C60、SWNTs、QDs和UFPs都能夠產(chǎn)生ROS，尤其是同時暴露在光、紫外線和過渡金屬的情況下。納米顆粒進入細胞后優(yōu)先到達線粒體，可能產(chǎn)生大量ROS引起超載或影響機體抗氧化劑防御機制。ROS的產(chǎn)生是納米顆粒引起炎癥和毒性的一個主要因素。

系列研究證實了納米材料的細胞或組織毒性。灌胃染毒4周后，高劑量SWCNTs組堿性磷酸酶活性以及SWCNTs組、高劑量納米Si O2組天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶活性增強，染毒組動物的肝細胞有脂肪變性，可見灶性及匯管區(qū)炎細胞浸潤［13］。單壁碳納米管抑制 HEK293細胞的繁殖，降低細胞黏附能力；多壁碳納米管會引起大鼠的肺部炎癥和纖維化［14］，而且存在與尺寸相關(guān)的細胞毒性作用，經(jīng)過酸化的多壁碳納米管的細胞毒性增大［15］。納米材料能夠經(jīng)嗅覺神經(jīng)突觸進入嗅球并遷移至大腦，影響腦中單胺類神經(jīng)遞質(zhì)的代謝，引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)巨噬細胞炎性蛋白、膠質(zhì)纖維酸性蛋白和神經(jīng)細胞黏附分子mRNA水平升高，造成腦組織病理學(xué)損傷，產(chǎn)生神經(jīng)毒性［16，17］。吸入納米Si02可引起老年大鼠肺部炎癥反應(yīng)，心肌缺血性損傷，房室傳導(dǎo)阻滯，纖維蛋白原濃度和血粘度升高等病理癥狀［18］。使用含少量雜質(zhì)的SWCNTs在10～40μg／kg劑量時，觀察到隨著小鼠肺功能降低，肺纖維化產(chǎn)生，出現(xiàn)急性炎癥反應(yīng)［19］。研究［20］不同粒徑的多種納米金屬或金屬氧化物顆粒發(fā)現(xiàn)，當試驗樣品濃度≥100μg／ml時各組肝細胞均出現(xiàn)萎縮或其他形態(tài)異常改變，而劑量低于10μg／ml時并無毒性表現(xiàn)，濃度相同時，不同種類的金屬納米顆粒毒性不同。

可見，納米材料同其他任何一項新技術(shù)一樣，帶有“雙刃劍”的兩面性。提示，納米材料的生物安全性問題是不容忽視、不容回避的。

3 結(jié) 論

納米材料已經(jīng)在全方位的介入體育工程領(lǐng)域之中，為競技水平的提高和體育事業(yè)的發(fā)展帶來了機遇。但是，納米材料顯示出的特殊生物效應(yīng)及對生物體的潛在影響也不容小視。作為體育工作者和納米材料開發(fā)人員，在充分享有納米材料給人類帶來巨大發(fā)展機遇的同時，也應(yīng)重視和加強對納米材料的生物效應(yīng)及其對環(huán)境影響的研究。

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