纳米生物医学材料

组员：何其云、李涛,纳米生物医学材料,材料科学与工程学院,2/37,目录,纳米生物医学材料的分类纳米生物医学材料的应用纳米生物医学材料发展现状总结与展望纳米材料,3/37,1、纳米材料概述,生物化合物,金属材料,半导体和超导材料,硅酸盐材料,复合材料,纳米材料,高分子材料,4/37,1、纳米材料概述,纳米(nm)是一种计量单位，1纳米是1米的十亿分之一 (1m=1,000,000,000 nm), 人的一根头发丝的直径相当于6万个纳米。,5/37,花粉是纳米级的粒子,病毒也是纳米级的,0-100nm.,6/37,1、纳米材料概述,纳米材料定义纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10100个原子紧密排列在一起的尺度。,7/37,1、纳米材料概述,纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性。表面效应小尺寸效应宏观量子隧道效应,8/37,1、纳米材料概述,表面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。,9/37,1、纳米材料概述,对直径大于0.1微米的颗粒，表面效应可忽略不计；当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数急剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应将不容忽略。,10/37,1、纳米材料概述,小尺寸效应当纳米微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体的周期性边界条件被破坏，非晶态纳米颗粒的表面层附近原子密度减小，由此导致了电、磁、声、光、热、力等各种性能呈现新的特性，这些特性称为小尺寸效应。,11/37,1、纳米材料概述,小尺寸效应特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑；金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于1，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。,12/37,1、纳米材料概述,小尺寸效应特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到2纳米尺寸时的熔点仅为327左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.10.5重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000降低到12001300，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。,13/37,1、纳米材料概述,小尺寸效应特殊的磁学性质人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。,14/37,1、纳米材料概述,小尺寸效应特殊的力学性质纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使一些纳米材料，如陶瓷材料具有新奇的力学性质。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。,15/37,1、纳米材料概述,宏观量子隧道效应电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一.当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。,16/37,1、纳米材料概述,有趣的纳米效应：通常情况下陶瓷是脆性材料，因而限制了它的应用范围，而纳米陶瓷却变成了韧性材料，在常温下能弯曲，不怕摔，坚固无比。原来是导体的铜等金属，在尺寸减小到几个纳米时就不导电了；而绝缘的二氧化硅等，当尺寸减小到几个纳米或十几个纳米时，电阻会大大下降，失去绝缘体特性，变得能够导电。,17/37,在水处理方面，我们做出纳米孔膜，可以用于海水淡化、污水处理。现在海水淡化的最高水平是淡化1吨水成本是3块钱，但用纳米技术大概几毛钱就能淡化1吨水。玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，任何粘在表面上的脏物，包括油污、 细菌，在光的照射下，由于纳米的催化作用，都可以变成气体或者容易被擦掉的物质。,1、纳米材料概述,18/37,1、纳米材料概述,将纳米颗粒放到织物纤维中去，做成的衣服不沾水又防污。在食物中添加纳米微粒，可以除味杀菌，聪明的厂家已利用这一技术生产出可以抗菌的冰箱。纳米陶瓷粉体作为涂料的添加剂也得到广泛的应用，这些特种涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防尘和耐磨的性能。,19/37,1、纳米材料概述,中药的有效成分一般都是油相的，如果在水相当中纳米化，注射到患者血液当中，中药的有效成份就会大大提高。我们用特定性质的纳米材料界面材料去包覆中药的有效成分，到了这种环境里因亲和而溶解，治疗成分就会释放出来，释放出来后就可以治病，这样治疗成分就带有很强的靶向性，进一步提高疗效。,20/37,2、纳米生物医学材料的分类,材料科学分类方法：纳米金属生物材料纳米无机非金属生物材料纳米高分子生物材料纳米复合生物材料在生物医学领域的应用：细胞分离用纳米材料细胞内部染色用纳米材料抗菌及创伤敷料用纳米材料组织工程中的纳米生物材料生物活性材料,21/37,2、纳米生物医学材料的分类,细胞分离用纳米材料病毒尺寸一般约80100nm，细菌为数百纳米，而细胞则更大，因此利用纳米复合粒子性能稳定、不与胶体溶液反应且易实现与细胞分离等特点，可将纳米粒子应用于诊疗中进行细胞分离。该方法同传统方法相比，具有操作简便、费用低、快速、安全等特点。美国科学家用纳米粒子已成功地将孕妇血样中微量的胎儿细胞分离出来，从而简便、准确地判断出胎儿细胞中是否带有遗传缺陷。,22/37,2、纳米生物医学材料的分类,细胞内部染色用纳米材料利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏感程度和亲和力的显著差异，选择抗体种类，将纳米金粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合,制备成多种纳米金/ 抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物，在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色(如10nm 的金粒子在光学显微镜下呈红色) ，从而给各种组合“贴上”了不同颜色的标签，因而为提高细胞内组织的分辨率提供了一种急需的染色技术。,23/37,2、纳米生物医学材料的分类,抗菌及创伤敷料用纳米材料按抗菌机理，纳米抗菌材料分为三类一类是Ag+ 系抗菌材料，其利用Ag+ 可使细胞膜上的蛋白失活，从而杀死细菌。第二类是光触媒型纳米抗菌材料，利用该类材料的光催化作用，与H2O 或OH-反应生成一种具有强氧化性的羟基以杀死病菌 第三类是C - 18A纳米蒙脱土等无机材料，因其内部有特殊的结构而带有不饱和的负电荷，从而具有强烈的阳离子交换能力，对病菌、细菌有强的吸附固定作用，从而起到抗菌作用。,24/37,2、纳米生物医学材料的分类,组织工程中的纳米生物材料材料支架在组织工程中起重要作用,因为贴壁依赖型细胞只有在材料上贴附后,才能生长和分化。模仿天然的细胞外基质2胶原的结构,制成的含纳米纤维的生物可降解材料已开始应用于组织工程的体外及动物实验,并将具有良好的应用前景。国内清华大学研究开发的纳米级羟基磷灰石/ 胶原复合物在组成上模仿了天然骨基质中无机和有机成分,其纳米级的微结构类似于天然骨基质。体外及动物实验表明,此种羟基磷灰石/ 胶原复合物是良好的骨修复纳米生物材料。,25/37,2、纳米生物医学材料的分类,生物活性材料随着纳米技术的发展,生物活性杂化材料在保持柔韧性的同时,弹性模量已接近硅酸硼玻璃,而且便于加入活性物质,因此是一种开发生物材料的理想途径。JonesSM 等用TEOS(正硅酸乙酯) 、甲基丙烯酰胺在偶氮类引发剂作用下,加入氯化钠制备出含钙盐的纳米SiO2 聚合物复合材料,将其在人体液中放置1周后,可以观察到其表面有羟基磷灰石层形成,因而具有较好的生物活性。应用溶胶/ 凝胶技术制备纳米复合材料,同时在体系中引入胺基、醛基、羟基等有机官能团,使材料表面具有反应活性,可望在生化物质固定膜材料、生物膜反应器等方面获得较大应用。,26/37,3、纳米生物医学材料的应用,纳米人工红细胞纳米人工红细胞的原理是用一个可以双向旋转涡轴的选通栅门来控制氧气从小球中释放,通过调节涡轴旋转的速度和方向，使小球内的氧气根据人体需氧的多少以一定的速率释放到外部血液中，同时使供氧装置在富氧的地方具有吸收氧气的功能而在需氧的地方具有释放氧气的功能； 同理，它还必须能在适当的地方吸收和释放二氧化碳。初步设计的人工纳米红细胞是一个金刚石的氧气容器，内部有1000个大气压，泵动力来自血清葡萄糖，它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的233倍,并具有生物碳活性。它可以应用于贫血的局部治疗、人工呼吸、肺衰竭和体育运动需要的额外耗氧等。,27/37,3、纳米生物医学材料的应用,纳米人工线粒体当细胞中的线粒体部分失去功能的时候，再来增加氧供给水平，并不一定能使组织有效地恢复，这时就需要直接释放三磷腺苷同时伴随着有选择地释放和吸收其他的一些代谢产物，后者是迅速恢复组织功能的有效手段。人工线粒体装置，如同前面的供氧装置一样，只不过在这里释放的是三磷腺苷而不是氧。,28/37,3、纳米生物医学材料的应用,纳米人工眼球我国四川大学研制的纳米人工眼球通过电脉冲刺激大脑神经，使患者可“看”到外部的精彩世界。纳米眼球的外壳是用纳米材料制成，纳米材料是一种活性复合材料,眼球的外壳里面安置微型摄像机与集成电脑芯片，通过这两个部件将影像信号转化成电脉冲刺激大脑的枕叶神经,从而实现可视功能。,29/37,3、纳米生物医学材料的应用,纳米人工鼻纳米人工鼻实际上是一种气体探测器，与燃气监视器道理相同，可同时监测多种气体。英国伯明翰大学正在研制“纳米鼻”来预报致哮喘病发作的环境因素，一旦空气中含有易引发哮喘病的气体如臭氧、一氧化碳及氮的氧化物时，其显示器就发出信号。,30/37,3、纳米生物医学材料的应用,其它纳米生物医学材料的应用实例模拟骨骼结构的纳米物质主要成分为与聚乙烯混合压缩后的羟基磷灰石网，物理特性符合理想的骨骼替代物。通过优化纳米管制备制动器，将使人工肌肉得到实现。有报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂,金属陶瓷等复合纳米材料则能更大地改变材料的力学性质,在医学上可能用来制造人工器官。,31/37,3、纳米生物医学材料的应用,碳纳米管比钻石还耐用,其弹性如同人发，在1cm2上可植100亿根，且敏感度很强，大大超过人们的耳蜗纤毛； 高敏感度的碳纳米材料人工耳蜗，可用于监听水中游动的微生物节奏，监测水质。在血液循环中流动的纳米听诊器，可监测特殊细胞功能失调，使癌症等疾病得到早期诊断。,32/37,纳米技术与生物医学的结合，为医学界提供了全新的思路，纳米材料在医学领域的应用取得了显著效果。但纳米材料应用还很有限，尤其是在生物医学上面，目前大多数研究还处于动物实验阶段，还需大量临床试验予以证实，纳米材料应用的生物安全性有待进一步提高。这就要求生物医学研究者与纳米材料的研究人员合作需进一步加强，制造出更先进的生物医用纳米材料。,4、总结与展望,33/37,4、总结与展望,生物医学检测诊断用材料不可否认，现在纳米材料在生物检测诊断上已发生相当大的发展和应用，各种纳米材料已经在实践中的应用取得了良好的效果。但在各种医学检测中对各种各样的功能性纳米材料的要求还比较高。比如生物医学工程和医疗设备器材两者之间相辅相成,生物医学工程是基础，它的课题研究的深入会催生新的医疗设备器材出现，同时对临床医疗设备器材的需求信息会产生新的研究方向，纳米功能材料在这个方面将大有前途。又如分析与检测技术的进一步优化，势必要求具有更先进性能纳米材料的出现。,34/37,4、总结与展望,药物治疗上使用的材料药物控释纳米材料将继续成为纳米医用材料研究发展的重点。纳米粒子不但具有能穿过组织间隙并被细胞吸收等特性，而且还具有靶向、缓释、高效、低毒且可实现口服、静脉注射及敷贴等多种给药途径等优点，因而在药物输送方面具有广阔的应用前景。,35/37,4、总结与展望,功能性生物材料各种有着特定功能的材料将越来越多地应用到生物医学上去。未来几年生物材料中纳米陶瓷将在人造骨骼中发挥主导作用，有着各种特性的无机有机复合纳米材料也必将在介入治疗、血液净化方面大展身手。,36/37,4、总结与展望,生物安全性