即小尺寸效应, 当颗粒的粒径小到一定程度, 与光波的波长、德布罗意波长和超导态的相干波长等物理特征尺寸相当或更小时, 周期性的边界条件将被破坏, 其光学、热学、磁学、力学等物理特质呈现出一种新的变化。这种变化开拓了纳米材料应用的广阔领域。

纳米颗粒表面的原子数与总原子数的比值, 随着颗粒粒径的减少而增大, 所产生的一系列性质上的变化。由于表面原子相对含量升高, 原子配位不足, 导致表面能和表面结合能增高, 是理想的药物载体材料。

纳米颗粒的尺寸下降到一定值时, 金属费米能级附近的电子能级由准连续变成离散能级或能系变宽的现象, 使得其热能、磁能等与宏观状态发生变化, 同时产生一些特殊性质, 如特异性催化、强氧化性和还原性。

是基本的微观量子现象之一, 微观粒子能够穿越比总能量高的势垒, 称为隧道效应。其中磁化粒子又能穿越一些宏观系统的势垒, 即为宏观量子隧道效应。

金纳米颗粒（gold nanoparticles, AuNPs）是在肿瘤放疗增敏中研究较为广泛的金属纳米材料, 在体内外和临床前应用中都有所研究。这种高原子序数材料进入肿瘤细胞, 受到放射线照射后, 使肿瘤细胞的光电吸收能力增强, 同时辐射次级电子, 加速DNA链断裂^{[14, 15, 16, 17, 18]}。AuNPs的放疗增敏作用取决自身尺寸大小和表面修饰物的种类^{[19, 20]}。与金纳米材料有着相似放疗增敏作用的还有银、铂、钆等。Liu等^[21]研究发现用银纳米颗粒（silver nanoparticles, AgNPs）处理的恶性胶质瘤的荷瘤大鼠, 经过放射治疗后, 癌细胞的增殖得到有效抑制, 同时还能促进癌细胞的凋亡。Porcel等^[22]认为铂纳米颗粒（platinum nanoparticles, PtNPs）在放射线照射后, 导致接近2倍的DNA致命性损伤。张丽等^[23]通过透明质酸功能化三氧化二钆纳米颗粒（hyaluronic acid-functionalized gadolinium oxide nanoparticles, HA-Gd₂O₃）, 与单纯放疗相比, 小鼠尾静脉注射HA-Gd₂O₃后放疗能明显抑制肝癌HepG-2细胞的增殖和克隆效率。

除了上述纳米材料, 纳米钛也同样具备放疗增敏作用。Townley等^[24]用人横纹肌肉瘤细胞株RH30和RD, 以及胸腺癌细胞株MCF7作为研究对象, 将二氧化钛纳米材料（titanium dioxide nanoparticles, TiO₂NPs）与其共培养, 发现放疗后, 辐射能量传递至TiO₂晶体结构内, 导致破坏癌细胞的活性氧（reactive oxygen species, ROS）大量产生。用金属磁性纳米材料Zn/Fe₂O₄处理人前列腺癌细胞株LNCaP, 不仅能增强放射敏感性, 还能通过外部磁场将Zn/Fe₂O₄从细胞环境中分离出来^[25]。

碳的同素异形体纳米材料, 由于其独特性质, 在肿瘤放疗增敏的研究中颇具前景。Kleinauskas等^[26]用碳纳米点（carbon nanodots）处理人前列腺癌细胞株LNCaP、Du145和永生化的纤维母细胞F11-hTERT, 在相同剂量的放射线照射后, 正常细胞F11-hTERT存活率明显高于癌细胞LNCaP和Du145。其内在机制可能是由于大量ROS的产生, 使溶酶体破裂, 释放组织蛋白酶, 引起细胞凋亡。Ni等^[27]对小鼠黑色素瘤细胞株B16和人肝癌细胞株SMMU-7721的研究中发现, C₆₀富勒烯在γ 射线照射后, 诱导细胞膜破坏并协同DNA的损伤。近年来, 石墨烯材料逐渐兴起, 优良的生物相容性和稳定的纳米结构使得其在生物医学领域的研究日趋广泛而深入。祝静莉^[28]将氟化石墨烯量子点（fluorinated graphene quantum dots, F-GQDs）与人舌鳞癌细胞株Tca-8113共培养, 经过X射线照射后, 细胞内ROS水平升高, 细胞周期G₂/M期阻滞。同时发现F-GQDs干预组要比单独照射组p53、Bax、Caspase-3蛋白表达量高, Bcl-2蛋白表达量低, 猜测F-GQDs干预放疗后细胞凋亡可能是通过ROS、p53参与的线粒体凋亡途径完成。

硒纳米颗粒也被研究发现具有放疗增敏作用。Yu等^[29]将聚乙二醇修饰硒纳米颗粒（PEG decorated selenium nanoparticles, PEG-SeNPs）, 分别与人宫颈癌Hela细胞和小鼠胚胎成纤维细胞NIH3T3共同培养。经过X线照射后, 20 μ M PEG-SeNPs即可使Hela细胞存活率降至39%, 而即使加入80 μ M PEG-SeNPs, NIH3T3细胞仍然具有85%的活性。碘粒子植入近距离放疗近年来得到迅速发展, Li等^[30]在一项回顾性研究中发现, 18例局部复发或转移的Ⅲ /Ⅳ 期非小细胞肺癌患者接受多次碘粒子植入联合外放疗术后, 1年和2年生存率分别为62.5%和32.7%, 中位生存期为31个月; 而单纯的放疗和化疗只有6~9个月的生存期。

纳米壳聚糖对肿瘤细胞和正常细胞具有双向调节作用。潘晓婧等^[31]将单独重离子放射作为对照, 发现在纳米壳聚糖浓度为500~1 000 mg/L时, 可以显著提高人鼻咽癌KB细胞的辐射敏感性, 同时增加鼠成骨细胞MC3T3-E1对辐射损伤的耐受性。壳聚糖能提高氧供, 可改善细胞内氧水平, 特别是乏氧细胞, 而正常细胞内氧充足, 壳聚糖可拮抗由ROS引发的脂质过氧化反应造成的损伤, 增强正常组织的放射耐受性。

实体瘤组织中血管结构完整性差, 淋巴回流缺失, 造成大分子类物质和纳米颗粒具有选择性高通透和滞留效应, 简称即高通透长滞留效应（enhanced permeability and retention, EPR）效应。由于EPR效应, 尺寸合适的纳米材料能聚集在肿瘤部位, 通过被动靶向的作用, 来提高肿瘤的放疗敏感性^{[32, 33]}。