生物材料 第06章 纳米生物材料

1、第07章 纳米生物材料 纳米材料学的蓬勃发展始于20世纪80年代末。 1990年7月伴随着第一届国际科学技术会议与第 五届国际扫描隧道显微学会议的召开以及纳米 技术、纳米生物学两种国际期刊的问世， 纳米材料学正式成为材料科学的一个新分支。由 于纳米材料具有其他传统材料所不具备的奇异的 物理、化学和力学性质，因此在众多的领域和行 业中都具有广泛的应用前景。 u纳米生物材料概述 u高分子纳米生物材料 u陶瓷纳米生物材料 u纳米生物复合材料 u纳米组织工程支架材料 u展望 u纳米生物材料概述 u高分子纳米生物材料 u陶瓷纳米生物材料 u纳米生物复合材料 u纳米组织工程支架材料 u展望 10.1 纳米

2、生物材料概述 10.1.1 纳米生物材料的概念和基本效应 10.1.2 纳米生物材料的制备方法 10.1 纳米生物材料概述 10.1.1 纳米生物材料的概念和基本效应 10.1.2 纳米生物材料的制备方法 10.1 纳米生物材料概述 10.1.1 纳米生物材料的概念和基本效应 纳米生物材料是指在三维方向上至少有一维处于纳米尺度纳米生物材料是指在三维方向上至少有一维处于纳米尺度 范围（范围（1100nm）的生物医用材料（考）。）的生物医用材料（考）。它能对生物材料 进行诊断、治疗、修复或者替换病损组织。 与一般的纳米材料一样，纳米生物材料也具有小尺寸效应、 表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效

3、应等基本效应。 小尺寸效应 当颗粒尺寸处于纳米尺度时，由于粒子包含的原子数很少， 使得材料的声、光、电、磁、热等物理性质发生变化，这样 的效应称为小尺寸效应，也叫体积效应。 由于金属纳米粒子对光的反射率极低，导致所有的金属在 纳米颗粒状态下均呈黑色；相比于块体状态下，纳米金属颗 粒的熔点要低得多，比如金的常规熔点为1064，而当颗粒 尺寸减小到2nm时熔点仅为327，金属银的粒子尺度下降 到5nm时熔点仅为100。 表面效应 纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径减小而急剧增大 所引起的性质变化称为表面效应。如图7-1所示随着粒子粒 径的减小，表面原子数急剧增大。当纳米粒子的粒径为 10nm

4、时，表面原子数占总原子数 的20%；当粒径减小到 1nm时，99%的原子都 集中到了粒子的表面。 图7-1 粒子粒径与表面原子占总原子数比例的关系 量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到波尔量子半径附近时，金属费米能级附 近的电子能级由准连续转变为离散能级，并且纳米半导体微 粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子 轨道能级而使能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。 当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导态 的凝聚能时，量子尺寸效应将会导致纳米微粒的电、磁、声、 光、热性能发生显著变化，例如导电性能的转变以及光谱线 频移。 宏观量子隧道效应 宏观量子隧道效应是指纳米粒子的一些宏观量（如

5、磁化强 度）具有贯穿势垒的能力。这一效应限定了磁盘、磁带等存 储介质的存储时间极限，因为它不但是未来微电子器件的发 展基础，也是其进一步微型化的极限。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，电子将通过隧 道效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作。因此，宏观量 子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。 10.1 纳米生物材料概述 10.1.1 纳米生物材料的概念和基本效应 10.1.2 纳米生物材料的制备方法 10.1.2 纳米生物材料的制备方法 随着纳米技术应用研究的不断发展，纳米材料的研究种类 已经涉及到无机材料、有机材料、非晶态材料、复合材料等； 同时特定领域的应

6、用往往需要特定尺寸的均一纳米颗粒，纳 米颗粒的形貌和结构也会对其功能产生重要的影响。因此， 制备高纯、超细、均匀的纳米颗粒对于获得有应用价值的纳 米颗粒、实现纳米材料产业的规模化至关重要。目前纳米颗 粒的制备方法多种多样，按照反应物的聚集状态主要可以分 为固相法、液相法和气相法。 固相法 固相法主要包括物理粉碎法、固相物质热分解法、旋转涂 层法和机械合金法等。固相反应不使用溶剂 ,具有高选择性、 高产率、低能耗、工艺过程简单等特点。 液相法 液相法是目前实验室和工业上最为广泛采用的合成纳米材 料的方法，与固相法相比，液相法的特点主要表现在：可控 制化学组成；颗粒的表面活性好、易控制颗粒形状和粒

7、径； 工业化成本较低。 液相法主要包括沉淀法,水解法,喷雾法,乳液法,溶胶-凝胶法等, 其中应用最广的是沉淀法和溶胶-凝胶法。 沉淀法 沉淀法是指包括一种或多种离子的可溶性盐溶液,当加入沉 淀剂(如OH-,C2O42-等)于一定温度下使溶液发生水解,形成不 溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出,将溶剂和溶 液中原有的阳离子洗去,经热解或热脱即得到所需的氧化物粉料。 沉淀法包括共沉淀法、 直接沉淀法、均相沉淀法等。 溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶（sol-gel）法是指将前驱物质(水溶性盐或油溶 性醇盐)溶于水或有机溶剂中形成均质溶液 ,溶质发生水解反 应生成纳米级的粒子并形成溶胶,溶胶经蒸发

8、干燥转变为凝胶， 最后将凝胶干燥焙烧得到纳米粉体。该法为低温反应过程,允 许掺杂大剂量的无机物和有机物,制备的纳米材料具有高纯度、 化学均匀性好、活性大、颗粒细小以及粒径分布窄等优点。 乳液法 乳液法是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下 形成一个均匀的乳液 ,从乳液中析出固相,这样可使成核、生 长、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内 ,从而 可形成球形颗粒 ,又避免了颗粒之间进一步团聚。微乳液法 具有实验装置简单,能耗低,操作容易;所得纳米粒子粒径分布 窄,且单分散性、界面性和稳定性好;与其它方法相比具有粒 径易于控制,适应面广等优点。 气相法 气相法指直接利用气体或者通过各种

9、手段将物质变为气体, 使之在气体状态下发生物理或化学反应,最后在冷却过程中凝 聚长大形成纳米微粒的方法。气体蒸发法制备的纳米微粒主 要具有如下特点: 表面清洁; 粒度整齐 ,粒径分布窄; 粒度容易 控制;颗粒分散性好。气相法通过控制可以制备出液相法难以 制得的金属、碳化物、氮化物、硼化物等非氧化物超微粉。 气相法主要包括溅射法、蒸发-冷凝法、化学气相沉积法等。 u纳米生物材料概述 u高分子纳米生物材料 u陶瓷纳米生物材料 u纳米生物复合材料 u纳米组织工程支架材料 u展望 10.2 高分子纳米生物材料 高分子纳米生物材料也称为高分子纳米微粒或者高分子超微 粒，主要通过微乳液聚合的方法得到。由于

10、高分子纳米生物材 料具有良好的生物相容性和生物可降解性，已经成为非常重要 的纳米生物医学材料，在靶向药物、控释剂以及疑难病的介入 诊断方面有着广阔的应用前景。 10.2.1 靶向药物载体中使用的高分子纳米生物材料 10.2.2 纳米控释系统中使用的高分子纳米生物材料 10.2.3 基因治疗中使用的高分子纳米生物材料 10.2.4 免疫分析中使用的高分子纳米生物材料 10.2.1 靶向药物载体中使用的高分子纳米生物材料 10.2.2 纳米控释系统中使用的高分子纳米生物材料 10.2.3 基因治疗中使用的高分子纳米生物材料 10.2.4 免疫分析中使用的高分子纳米生物材料 10.2.1 靶向药物载

11、体中使用的高分子纳米生物 材料 靶向给药系统(Targeting Drug Delivery System，TDDS)或 称靶向制剂，诞生于20世纪70年代，是指。这种制剂能将药 品运送到靶器药物通过局部或全身血液循环而浓集定位于靶 组织、靶器官、靶细胞的给药系统官或靶细胞，而正常部位 几乎不受药物的影响。 靶向药物载体系统就其导向机理可分为被动靶向和主动靶 向两种类型。 主动靶向药物载体 主动靶向药物是利用抗体主动靶向药物是利用抗体-抗原和配体抗原和配体-受受 体结合等生物特异性来实现药物的靶向传递体结合等生物特异性来实现药物的靶向传递 （考）。（考）。 利用受体与其配体识别的特异性和结合的

12、专一性，可以设 计出针对其受体为靶的靶向药物载体系统。这类配体应对受 体有很强的亲和力，包括细胞表面标识物如:糖、外源凝聚素 等，糖基化交联物如天然糖蛋白及化学修饰的糖基大分子被 广泛用作通过受体介导的胞吞作用的主动靶向的配体。含有 半乳糖及甘露糖残基的大分子可分别靶向肝细胞及巨噬细胞。 被动靶向药物载体被动靶向药物载体 (考考) 被动靶向药物是通过药物在特定器官或组织积累的性质或者在外被动靶向药物是通过药物在特定器官或组织积累的性质或者在外 来作用来作用(如电场、磁场等如电场、磁场等)下靶向定位于特定的肿瘤区域实现靶向定下靶向定位于特定的肿瘤区域实现靶向定 位给药的药物。位给药的药物。 被动

13、靶向药物的载体主要有有脂质体、微泡、毫微粒等微粒。被动靶向药物的载体主要有有脂质体、微泡、毫微粒等微粒。 纳米粒子的被动靶向性与其粒径大小有很大的关系。粒径大于纳米粒子的被动靶向性与其粒径大小有很大的关系。粒径大于 7m时通常被最小的肺毛细血管机械地截留时通常被最小的肺毛细血管机械地截留, 可直接用于抗肺癌药可直接用于抗肺癌药 物的载体物的载体;粒径为粒径为27m的微粒被毛细血管网摄取后的微粒被毛细血管网摄取后,积集于肝、积集于肝、 脾中脾中;粒径为粒径为 0.10.2m 时时,被网状内皮系统的巨噬细胞内吞转运被网状内皮系统的巨噬细胞内吞转运 到肝枯否细胞溶酶体中到肝枯否细胞溶酶体中;粒径小于

14、粒径小于50nm时时,能穿过肝脏内皮或淋巴能穿过肝脏内皮或淋巴 传递到达骨髓传递到达骨髓。 正常组织血管上皮细胞间隙约为2-6 nm; 肿瘤组织血管上皮细胞间隙约为100-1000 nm; 微泡是近年发展起来的新携载类型。药物呈分子或微粒状态分 散于微泡材料中 ,静、动脉注射或栓塞、肌注、皮下注射、埋 植或口服均可,是一种很有发展前途的微粒给药系统。将超声波 技术和微泡结合起来可以充分利用二者之间的协同作用，如图 7-2所示，微泡在超声波的作用下破裂，微泡中的气体能有效 的降低其空化阈，使得药物更容易释放出来并在能量波的作用 下进入靶向细胞中。 图7-2 超声波与微泡的协同作用 10.2.1

15、靶向药物载体中使用的高分子纳米生物材料 10.2.2 纳米控释系统中使用的高分子纳米生物材料 10.2.3 基因治疗中使用的高分子纳米生物材料 10.2.4 免疫分析中使用的高分子纳米生物材料 10.2.2 纳米控释系统中使用的高分子纳米生物 材料 药 物 和 信 号 分 子 的 控 制 释 放 体 系 统 称 为 控 释 系 统 （controlled release delivery system, CRDS），是通过改 变负载药物或信号分子载体的结构，使药物或信号分子从载 体中的释放可以通过一定的方式和途径进行控制，并较长时 间维持一定的有效浓度。 将生物可降解的聚酯和丙烯酸树脂复配制得

16、的纳米粒子作为 胰岛素的药物载体，对饱腹的糖尿病实验鼠分别给予常规胰 岛素、封装有胰岛素的纳米颗粒和生理盐水。如图7-3所示， 给 予常规胰岛素的血糖水平比给予封装胰岛素纳米颗粒的血糖水 平下降的区别并不明显。4h后前者的血糖浓度开始上升并在 10h后超过了控制水平，而后者的血糖浓度在6h12h之间都保 持在一个较低的水平上，并将药物的有效时间至少延长了8h， 缓释效果非常明显。包封于 纳米颗粒中的胰岛素在外部 聚合物降解的过程中缓慢而 持续不断地释放出来，有效 地延长了药物作用的时间。 图7-3 饱腹糖尿病实验鼠在分别给予常规胰岛素 （）、纳米颗粒包封胰岛素（）和生理盐水 （）后血糖浓度随时

17、间变化的关系 10.2.1 靶向药物载体中使用的高分子纳米生物材料 10.2.2 纳米控释系统中使用的高分子纳米生物材料 10.2.3 基因治疗中使用的高分子纳米生物材料 10.2.4 免疫分析中使用的高分子纳米生物材料 10.2.3 基因治疗中使用的高分子纳米生物材料 基因治疗是指将人类的正常基因或有治疗作用的基因通过基因治疗是指将人类的正常基因或有治疗作用的基因通过 一定方式导入人体靶细胞一定方式导入人体靶细胞 (需修复或治疗的细胞需修复或治疗的细胞),以纠正基以纠正基 因的缺陷或者发挥治疗作用因的缺陷或者发挥治疗作用 ,从而达到治疗疾病目的的生物从而达到治疗疾病目的的生物 医学新技术。医

18、学新技术。 基因治疗的载体可分为两大类：一类是病毒类载体系统基因治疗的载体可分为两大类：一类是病毒类载体系统,一一 类为非病毒类载体系统类为非病毒类载体系统,前者是迄今为止最有效的基因转移前者是迄今为止最有效的基因转移 方法方法,由于病毒高度分化具有感染和寄生特性，使得其基因由于病毒高度分化具有感染和寄生特性，使得其基因 转递效率通常达转递效率通常达90%以上。以上。 由于纳米粒大小与病毒相仿由于纳米粒大小与病毒相仿,具有表面效应、小尺寸效应和具有表面效应、小尺寸效应和 宏观量子隧道效应等特性宏观量子隧道效应等特性,而且具有良好的生物相容性，是良好而且具有良好的生物相容性，是良好 的基因载体材

19、料。它与病毒载体相比有如下的优点的基因载体材料。它与病毒载体相比有如下的优点:低免疫原低免疫原 性性;高容量性高容量性;可对插入其中的可对插入其中的DNA片断有很好的保护作用。将片断有很好的保护作用。将 纳米材料应用于基因治疗的基本机理是：载体将纳米材料应用于基因治疗的基本机理是：载体将DNA,RNA、 PNA(肽核苷酸肽核苷酸 ),dsRNA(双链双链)等基因治疗分子包裹其中或由静等基因治疗分子包裹其中或由静 电相互吸引或吸附其表面形成复合物电相互吸引或吸附其表面形成复合物,在细胞摄粒作用下在细胞摄粒作用下,纳米纳米 颗粒进入细胞内颗粒进入细胞内,释放基因治疗分子释放基因治疗分子,发挥其治疗

20、效能。发挥其治疗效能。 10.2.1 靶向药物载体中使用的高分子纳米生物材料 10.2.2 纳米控释系统中使用的高分子纳米生物材料 10.2.3 基因治疗中使用的高分子纳米生物材料 10.2.4 免疫分析中使用的高分子纳米生物材料 10.2.4 免疫分析中使用的高分子纳米生物材料 免疫分析主要是利用抗体能够与相应抗原及半抗原发生自 发的、高选择性的特异性结合这一性质，通过将特定抗体( 抗原)作为选择性试剂来对相应等测抗原(抗体)进行分析测定 的方法。通常免疫分析比一般化学分析的灵敏度要高一万或 一百万倍。免疫分析的提出和发展是20世纪以来在生物分析 化学领域所取得的最伟大的成就之一，估计全世界

21、每年要进 行数亿次的免疫分析，对生命科学和医学的进步做出了巨大 贡献。 标记免疫分析的种类 在标记免疫分析出现之前，免疫分析基本处于定性或半定 量阶段。标记免疫分析是将标记技术与抗原抗体的免疫反应 相结合的一类分析方法。根据标记试剂的不同，标记免疫分 析主要分为:放射免疫分析(RIA)、化学发光免疫分析(CLIA) 、酶免疫分析(EIA)和荧光免疫分析(FIA)等。 荧光探针 荧光探针又称荧光染料，是一种广泛使用的荧光标示剂, 其优点是检测速度快、重复性好、用样量少、无辐射等。利 用荧光探针可测定RNA和DNA的结构、研究DNA 碱基损伤 修复、辨别蛋白质分子中氨基的状态和蛋白质分子的活性区,

22、 检测pmol级的蛋白质,区分不同构象的核酸以及有关药物的 化学反应活性。 作为荧光探针的染料必须通过一定的反应基团与抗体或抗 原蛋白质结合，形成染料蛋白质结合物，而这一过程通常是 由共价结合来完成的。蛋白质分子中往往含有众多反应基团 ，如 赖氨酸的E-氨基、肤氨酸、半胱氨酸、以及酪氨酸中的酚轻基 等。它们可以与染料分子中相应的活性反应基团在一定条件下 发生反应。 目前已有多种染料类荧光探针应用于荧光免疫分析，其中 以荧光素衍生物和罗丹明衍生物应用最为广泛。 名称特点 四甲基罗丹明异硫氰酸酯 量子产率相对较低，但发射波长较长(em=620nm)，因 此样品中来自短波长区域的生物物质自发荧光干扰

23、较少 四乙基罗丹明异硫氰酸酯与异硫氰酸醋荧光素相近 异硫氰酸醋荧光素 黄色结晶，光稳定性较好，但Stocks位移较小，且对样 品散射敏感 丽红胺罗丹明B磺酰氯 通过磺酸基与蛋白质氨基结合，其最大吸收波长为 575nm，发射波长为600nm，呈桔红色荧光 二甲氨基萘磺酰氯 最早开发的荧光探针之一，与蛋白质结合后荧光很强， 但因激发波长较短，也存在着背景干扰的问题 天然荧光染料（藻红素PE、叶绿素等） 具有较大的摩尔消光系数和Stocks位移，缺点是分子量 过大 表7-4 常见的荧光探针及其特点 Enhanced Permeation and Retention u纳米生物材料概述 u高分子纳米生

24、物材料 u陶瓷纳米生物材料 u纳米生物复合材料 u纳米组织工程支架材料 u展望 10.3 陶瓷纳米生物材料 生物陶瓷无毒副作用，具有良好的生物相容性和耐腐蚀性， 在生物医用材料的研究和临床应用中占有十分重要的地位。 但是由于常规陶瓷材料中气孔、缺陷的影响，使得材料低温 性能较差；弹性模量远高于人骨，力学性能与人骨不匹配， 易发生断裂破坏；强度和韧性也不能完全满足临床上的要求 ， 致使其应用受到很大的限制。纳米材料的出现和蓬勃发展 ，有助于提高生物陶瓷材料的力学性能和生物学性能。 10.3.1 纳米羟基磷灰石生物陶瓷材料 10.3.2 纳米TiO2颗粒及其应用 10.3.3 纳米氧化硅微粒在细胞

25、分离中的应用 10.3.1 纳米羟基磷灰石生物陶瓷材料 10.3.2 纳米TiO2颗粒及其应用 10.3.3 纳米氧化硅微粒在细胞分离中的应用 10.3.1 纳米羟基磷灰石生物陶瓷材料 纳米羟基磷灰石粒子由于颗粒尺寸的细微化，比表面积急 剧增加等特点，具有和普通羟基磷灰石粒子不同的理化性能 ，如溶解度较高，表面能更大，生物活性更好等。目前，对 纳米羟基磷灰石的应用研究包括：硬组织修复材料、独特的 抗肿瘤材料、药物/蛋白质/基因载体等。 力学性能 由于HA生物陶瓷脆性高、抗折强度低,目前仅能应用于非 承载的小型种植体 , 如人工齿根、耳骨、充填骨缺损等,而不 能在受载场合下应用。HA的晶粒越细,

26、其生物活性越高,骨植 入人体的扭转模量、拉伸模量和拉伸强度就越高 ,疲劳抗力 也相应提高。 随着晶粒尺寸的减小,羟基磷灰石陶瓷的硬度和弹性模量均 有所上升。当HAP的晶粒尺寸从2m降至800nm后, 硬度和 弹性模量分别增加了46.9%和23.4%（如图7-4所示）。 羟基磷灰石陶瓷力学性能提高的原因,主要有两方面: 晶 粒细化可以产生更多的晶界,使位错运动的阻力增大,从而提高 材料的硬度和弹性模量; 随着晶粒尺寸的减小,晶格常数发生 变化,产生晶格畸变,使纳米陶瓷内部形成显微应力,阻碍位错的 运动,从而导致羟基磷灰石纳米陶瓷的硬度和弹性模量提高。 （a）（b） 图7-4 不同晶粒尺寸羟基磷灰

27、石陶瓷的硬度与弹性模量随位移的变化 治疗癌症和肿瘤 研究发现, 羟基磷灰石(HA)纳米颗粒对癌细胞有一定的抑 制作用。我国学者对 HAP 微粒抑癌作用进行的研究发现纳 米 HAP材料要杀死癌细胞、 不伤害正常细胞必须具备两个 条件: 1)纳米粒子必须在一定的尺度范围内,即20100nm之 间; 2)纳米材料具有分散性。 药物载体 纳米药物载体是以纳米颗粒作为药物和基因的载体，将药 物、DNA和RNA等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附 在其表面，同时也在颗粒表面偶联特异性的靶向分子，如特 异性配体、单克隆抗体等，通过靶向分子与细胞表面特异性 受体结合，在细胞摄粒作用下进入细胞内，实现安全有效

28、的 靶向性药物和基因治疗。 羟基磷灰石作为药物载体系统能提高药物在生物膜中的透 过性,有利于药物透皮吸收并发挥在细胞内的药效。首先,纳米 羟基磷灰石具有很大的比表面,因而有很强的吸附和承载能力； 其次,纳米羟基磷灰石作为药物载体十分安全,因为其与人或动 物的骨骼、牙齿成分相同,且不为胃肠液所溶解,在释放药物后 可降解吸收或全部随粪便排出；另外纳米羟基磷灰石在生成过 程中很方便引入放射性元素,可用于癌细胞的灭活。 10.3.1 纳米羟基磷灰石生物陶瓷材料 10.3.2 纳米TiO2颗粒及其应用 10.3.3 纳米氧化硅微粒在细胞分离中的应用 10.3.2 纳米TiO2颗粒及其应用 纳米TiO2由

29、于粒径极小、比表面积大，具有良好的紫外线 屏蔽作用、奇特的颜色效应等，同时由于其很好的生物相容 性、稳定性、光敏、气敏、湿敏、压敏等特性和环境无毒害 性，已被广泛应用于污水处理、化妆品防晒剂、杀菌材料、 光电转换材料、光防腐涂层、红外反射和吸收材料等。 纳米TiO2的结构是由纳米颗粒、纳米尺寸的骨架结构和纳 米孔洞均匀无规排列而成。纳米尺寸的骨架结构连接着所有 的晶粒，同时这些晶粒和骨架一起包围着许多纳米孔洞，形 成巨大的网络结构。 光催化杀菌 纳米TiO2光催化氧化杀灭微生物的原理是基于自身的半导 体光催化特性。因为光生空穴及生成的活性氧类都有很强的 氧化能力，可能通过颗粒表面结合的羟基(如

30、颗粒表面俘获 的空穴)等间接或在价带空穴被俘获前直接发生氧化，所以 存在光生电子-空穴抗菌和活性氧抗菌两种抗菌机理。 光催化废水处理 纳米TiO2光催化作用以其强劲的氧化能力可以分解破坏许 多有机物。至今， 人们已经发现有3000多种难降解的有机 化合物可以在紫外光照射下被TiO2迅速降解，尤其是在对高 浓度和难生化降解的有机物废水的处理方面，这种光催化降 解技术具有更加明显的优势。 生物传感器 生物传感器是一种探测单个活细胞的传感器，探头尺寸仅 为纳米量级，可以探知细胞中可能导致肿瘤的早期DNA损伤 ，此外还可用于探测基因表达和靶细胞的蛋白生成以便用于 筛选微量药物，从而确定那种药物能最有效

31、的阻止细胞内致 病蛋白的活动。 生物传感器的原理是使待测物质经扩散作用进入生物活性 材料，然后通过分子识别发生生物学反应，产生的信号经过 相关的物理或化学换能器转变成定量和可以处理的电信号， 最后经二次放大和输出，就可以知道待测物浓度。 在生物传感器制备过程中，选择适宜的材料用于蛋白质/酶 的固定化是一个关键性的步骤。纳米粒子由于其与大分子接近 的尺寸，可作为氧化还原蛋白质与裸电极材料之间的传输通道 。而且他们具有很高的比表面积，同时能够给蛋白质分子更自 由的取向，为蛋白质的直接电子传递构筑更适合的方式，使其 电活性中心更靠近导电性的电极表面。所以，纳米材料不仅可 以为蛋白质的组装提供一个友好

32、的平台，还能极大地促进蛋白 分子与电极之间的电子传递过程。由于纳米Ti02具有很高的比 表面积，稳定的化学性质，高度的生物相容性，其十分适宜于 蛋白质或者酶的固定。 10.3.1 纳米羟基磷灰石生物陶瓷材料 10.3.2 纳米TiO2颗粒及其应用 10.3.3 纳米氧化硅微粒在细胞分离中的应用 10.3.3 纳米氧化硅微粒在细胞分离中的应用 生物细胞分离是生物细胞研究中的一个重要技术 ,它关系 到能否快速获得所研究的细胞标本。经典的基于细胞物理性 质的离心分离法存在费时、效果差的缺陷,因而自20世纪80 年代初,人们就开始利用SiO2纳米微粒进行细胞分离。 SiO2纳米微粒属无机材料范畴,比表

33、面积大,吸附性强,性能 稳定,一般不发生化学反应,不会污染细胞,既可以实现快速高效 制备细胞标本,又容易使细胞与 SiO2微粒的分离。利用SiO2纳 米微粒实现细胞分离技术的一个关键就是如何制备得到粒径为 1520nm,纯度高,比表面积大,吸附性好,结构为无定型的SiO2 纳米微粒。 u纳米生物材料概述 u高分子纳米生物材料 u陶瓷纳米生物材料 u纳米生物复合材料 u纳米组织工程支架材料 u展望 10.4 纳米生物复合材料 纳米复合材料是由各种纳米单元之间或与基体材料以各种 方式复合成型的一种新型复合材料。 纳米复合材料包括三种形式 ,即由两种以上纳米尺寸的粒 子进行复合或两种以上厚薄不同的薄

34、膜交替叠迭或纳米粒子和 薄膜复合的复合材料。从材料学观点来讲 ,生物体内多数组织 均可视为由各种基质材料构成的复合材料 ,尤以无机- 有机纳米 生物复合材料最为常见,如骨骼、牙齿等就是由羟基磷灰石纳米 晶体和有机高分子基质等构成的纳米生物复合材料。 10.4.1 纳米羟基磷灰石生物复合材料 10.4.2 基于碳纳米管的纳米生物材料 10.4.3 磁性纳米生物复合材料 10.4.1 纳米羟基磷灰石生物复合材料 10.4.2 基于碳纳米管的纳米生物材料 10.4.3 磁性纳米生物复合材料 10.4.1 纳米羟基磷灰石生物复合材料 纳米HAP与天然有机物的复合材料 胶原（Col）是一种蛋白质，组织相

35、容性好，能促进细胞 粘附、增殖，可被人体分解吸收，分解产物无副作用，具有 弱抗原性，是天然骨的主要成分之一，但是其强度较低且容 易变形。人工 nHAP/Col复合材料的制备在一定程度上模拟 了天然的矿化过程,称为生物仿生的制备方法。 纳米HAP与人工合成有机物的复合材料 人工合成的有机物具有良好的力学性能,通过将人工合成的 有机物与 HAP复合,可以明显提高 HAP 的力学强度和韧性。 弯曲测试表明：纳米陶瓷/PLA复合材料的弯曲模量比起单 纯的PLA普遍高出12个数量级（表7-1）。 弯曲模量（MPa） 纯PLA所用陶瓷 陶瓷/PLA(wt%) 30/7040/6050/50 603 纳米H

36、AP160308907098060 普通HAP150102505057060 纳米氧化铝6308017501303520180 普通氧化铝700405908075080 纳米二氧化钛200701470901960250 普通二氧化钛230205006087030 表7-1 陶瓷/PLA复合材料的弯曲模量 10.4.1 纳米羟基磷灰石生物复合材料 10.4.2 基于碳纳米管的纳米生物材料 10.4.3 磁性纳米生物复合材料 10.4.2 基于碳纳米管的纳米生物材料 碳纳米管（Carbon Nanotube），是一种具有特殊结构(径 向尺为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都 封口)的新

37、型纳米材料。如图7-5所 示，它是由碳六元环构成的类石 墨平面卷曲而成的纳米级中空管 ，其中每个碳原子通过sp2杂化 与周围3个碳原子发生完全键合。 图7-5 碳纳米管 碳纳米管具有巨大的比表面积,许多有机(包括生物分子)或 无机分子可以共价或非共价地结合于碳纳米管的表面, 对碳纳 米管进行表面修饰或功能化。功能化的碳纳米管可以获得原始 状态的碳管所没有的性质, 包括使碳纳米管在介质中的分散程 度和溶解性得到提高、阻止蛋白分子的非特异性吸附、能够识 别和结合特定的生物分子等。 以表面活性剂Triton润湿单壁碳纳米管（SWNT）后，可以 大大增加SWNT对聚乙二醇(对蛋白质有阻止效应)的吸收，

38、从 而有效阻止抗生物素蛋白链霉素(streptavidin)在碳管表面的非 特异吸附，如图7-6所示 ，未处理的SWNT周围吸附 了大量抗生物素蛋白链霉 素，而经Triton和PEG修 饰后SWNT不再吸附抗生 物素蛋白链霉素 图7-6 SWNT在抗生物素蛋白链霉素溶液中的AFM照片 （a中SWNT未经处理；b中SWNT经Triton和PEG修饰； 两幅图大小均为0.51m） 10.4.1 纳米羟基磷灰石生物复合材料 10.4.2 基于碳纳米管的纳米生物材料 10.4.3 磁性纳米生物复合材料 10.4.3 磁性纳米生物复合材料 磁性纳米材料具有良好的磁导向性、较好的生物相容性、 生物降解性和

39、活性能基团等特点, 它可结合各种功能分子,如 酶、抗体、细胞、DNA或RNA等,因而在靶向药物、控制释 放、酶的固定化、免疫测定、DNA和细胞的分离与分类等领 域可望有广泛的应用。 磁性纳米复合材料在细胞分离方面的应用 与传统的细胞分离技术相比，磁性分离技术的优点在于： 被标记物容易在外加磁场作用下分离，并且分离过程不需要 复杂的装置，在普通的磁性分离柱中即可实现。 采用磁性分离技术不仅可用于细胞的分离，还可用于蛋白 的提纯及核酸、DNA等生物分子的分离等方面。 磁性纳米复合材料在神经干细胞移植研究领域的应 用 神经干细胞是具有多向分化潜能的细胞,植入机体可以分化 为多种类型神经细胞,如神经、

40、少突胶质细胞等，已经用于脑 卒中、脊髓损伤、帕金森病的实验及临床研究。磁性纳米粒 子解决了神经干细胞在活体内示踪这一难题。目前合成的一 种含氧化铁的多能磁性聚酯体可以对干细胞标记,并将标记的 细胞移植到脱髓鞘动物模型的中枢神经系统内。这种标记物 可以标记哺乳类动物细胞,包括人类的神经干细胞和间质干细 胞, 磁性氧化铁纳米粒子通过非特异性膜表面吸收过程进入 细胞内,标记细胞的增殖、分化能力不受影响。 u纳米生物材料概述 u高分子纳米生物材料 u陶瓷纳米生物材料 u纳米生物复合材料 u纳米组织工程支架材料 u展望 10.5 纳米组织工程支架材料 组织工程是运用工程科学与生命科学的基本原理和方法，

41、研究与开发生物体替代物来恢复、维持和改进组织功能的一个 学科。其基本思路是首先在体外分离、培养细胞，然后将一定 量的细胞种植到具有一定形状的三维生物材料支架上，并加以 持续培养，最终形成具有一定结构的组织和器官。 组织工程支架材料的主要作用有三个： 提供一个有利于细胞黏附、增殖、分化及生长的三维支架式 外环境,并能为细胞提供结合位点,诱发生物反应,诱导基因的正 常表达和细胞的正常生长,起到传递“ 生物信号” 的作用; 作为营养物质、 氧气和生物活性物质(如生长因子)的载体,能 储藏、运输这些物质,排泄代谢废物,并在组织生长形成过程中 不断降解、被机体吸收利用且可调节细胞的生理功能,进行免疫 保

42、护; 具有一定力学性能,具有一定形貌、结构和尺寸的三维支架材 料能够传递应力且能精确控制再生组织的形态结构和尺寸, 引 导组织按预定形态生长。 由于纳米材料具有其他传统材料难以匹敌的特异性能，近 年来在组织工程领域的应用正成为新的研究热点。 10.5.1 纳米纤维组织工程支架 10.5.2 纳米复合组织工程支架 10.5.1 纳米纤维组织工程支架 10.5.2 纳米复合组织工程支架 10.5.1 纳米纤维组织工程支架 具有三维纳米纤维结构的支架能最大限度地模仿天然细胞 外基质（ECM）的结构,进而具备生物功能,实现与肌体组织的 完全整合。因此,仿生组织工程支架的设计与构建必须由纳米纤 维来实现

43、。 与其它纳米材料相同，纳米纤维支架材料也存在尺寸效应 和表面(界面)效应,这两个特性使纳米支架材料更能有效地诱导 细胞生长和组织再生,因而在性能上与具有相同组成的微米级支 架材料存在非常显著的差异。 静电纺丝 静电纺丝技术由Formhals于1934年提出，其原理是利用外 加电场力使聚合物溶液或熔体克服表面张力在纺丝喷头毛细 管尖端形成射流，当电场强度足够高时，在静电斥力、和表 面张力的共同作用下，聚合物射流沿不稳定的螺旋轨迹弯曲 运动，在几十毫秒内被牵伸千万倍，随溶剂挥发，射流固化 形成亚微米至纳米级超细纤维。 目前，静电纺已经被广泛应用在组织工程研究的各个领域 。与其它组织工程支架制备技

44、术相比，静电纺技术主要有以 下几个特点： 能够制备直径与天然ECM(相近的连续超细纤维，因而支架 可以最大程度地仿生人体内ECM结构； 能够简捷地制备各种聚合物支架，支架材料可以是单一的聚 合物，也可以是多种聚合物的复合体，并可以在支架中引入 无机粒子(如羟基磷灰石等)、生长因子、细胞调控因子甚至 活细胞； 制备的支架具有较高的孔隙率和较好的孔道连通。通过调节 加工参数，电纺纳米纤维的孔隙率可达90%左右，能够满足 细胞生长对材料孔隙率的要求，由纳米纤维层层堆积而成的 结构也确保了支架具有良好的孔道连通性。此外，纳米纤维 具有极大的比表面积。这些都为细胞的生存提供了良好的微环 境，有利于细胞的粘附、分化、增殖和分泌ECM； 通过选择适当的材料和加工参数，可以获得降解率可控的纳 米纤维支架，并能对材料表面进行理化修饰，提高支架的生物 相容性； 通过调节溶液浓度、纺丝参数等可以很好控制支架的厚度、 三维结构和力学性能。 自组装技术 自组装是在没有人为干扰的条件下由组元的自主装配形成 的一种相对稳定的系统或结构。静电纺丝所获得的纤维支架 其纤维直径都在几十到几百纳米的超纳米尺度,远未达到