纳米技术在生物领域中的应用

1、 化学通报 2002年 第65卷 w038纳米技术在生物领域中的应用洪元佳 洪广言* 牛春吉(中国科学院长春应用化学研究所稀土化学与物理开放实验室 长春 130022)摘 要 对纳米技术在生物及相关领域应用的纵深发展作以介绍装系统生物芯片关键词 纳米 生物 应用模板自组Applications of Nanotechnology in BiochemistryHong Yuanjia, Hong Guangyan, Niu Chunji(Key Laboratory of Rare Earth Chemistry and Physics, Changchun Institute of Appl

2、ied Chemistry, Changchun 130022)Abstract Developments in nano-biology and nano-chemistry have been introduced in this article,including nano-devices, template self-assembly system, tissue engineering, nano-probe, nanosensors,integrated systems nanotechnologies and nano-technologies for drug delivery

3、.Key words Nano, Biology, Application纳米技术涉及面十分广泛化学医学和材料等有关的领域对许多科技领域产生了巨大的影响可以认为生物世界是由纳米级单元构成例如体内的RNA蛋白质复合体寸比生物体内的大多数器官小相应地细胞行为更好调控而且具有重要的应用价值近年已取得长足发展本文对纳米生物学及相关领域近期的新发展作以介绍F1-ATPase(F1-三磷酸腺苷酶)是细胞中精巧的之一在能量循环中起关键作用初级能源)的大型嵌膜复合体26岁现从事纳米材料研究蛋白质的尺寸为1生物纳米粒子的尺即在纳米水平上有助于对之间因此是一种用于合成ATP(三磷酸腺苷作功吸收和传导等的2001-

4、12-31修回 化学通报 2002年 第65卷 w038Boyer3曾提出F1-ATPase分子模型马达Noji5突破常规并通过在膜的 F0 部分作为巨型探针以提供旋转马达负载然后将整个分子固定于Ni-NTA (Ni氨三乙酸配合物)涂敷的玻璃基底上他们直观观察到F1-ATPase 分子的单个旋转F1-ATPase系缚的肌动朊细丝才能旋转并符合X射线晶体结构预测的方向说明尺寸只有10nm的F1-ATPase酶是一种新的马达蛋白而且链霉抗生素蛋白Ni-NTA盖玻片图1 F1-ATPase蛋白分子马达Fig.1 Experimental system for the observation of t

5、he rotation of the g subunit in F1-ATPase自然界中有一些细菌可以靠摆动其鞭毛而运动是一个由蛋白质构成的转子有ATP酶的活性制造出了一种分子马达把金属镍制成的螺旋桨嫁接到三磷酸腺苷酶分子中轴上浸于ATP溶液后达只在显微镜下才能被观察到但另5个则转动起来达到750nm它的中心每个蛋白质分子都具带动鞭毛摆动这种马Ñо¿ÈËÔ±¹Û²ìµ½Ò»¸ö³¾°

6、£Á£×ÓÏȱ»ÐýתµÄÂÝÐý½°ÎüÈëºÍ˦³öµÄÇé¾°8±ÈÈ罫»¯ÁÆÒ©Î

7、;ïÖ±½ÓÔËË͵½Ö×ÁöÒÔ¼õÉÙ¶ÔÕý³£Ï¸°ûµÄËðÉËÑùÖ»Òª¹â´æÔÚ¸

8、;üÉîÈëµÄÑо¿½«ÔÊÐí¿Æѧ¼ÒÃÇÀûÓ÷Ö×ÓˮƽÉϵÄÑо¿½á¹û´

9、;´ÔìϵͳºÍÈ«ÐÂÄÉÃ×»úеÆ÷¼þÀýÈç¿É̽²âÓꦻ¯Ñ§ÎïÕâÖÖ´

10、;«¸ÐÆ÷ÄÚµÄÂí´ï¾Í´ò¿ª·§ÃÅÊͷųö¿É¼ûµÄÎïÖÊʾ¾¯Õâ±ÃºÍ´

11、;«¸ÐÆ÷×é³É¼¯³ÉÆ÷¼þÖʵÄÄÉÃ×´«¸ÐÆ÷ 化学通报 2002年 第65卷 w038利用小型和浓度图纳米机械还可以利用DNA基本元件碱基的配对机制研究人员设计出三条DNA链A的另一半与C的一半结合开合的镊子镊子合上配对的部分结合子反复开合这种镊子的10同时绘制出它的分

12、布燃料A枢钮nm长D仍留出一部分未配对的碱基即能使镊子重新张开镊子保持这样就构成了一个可以的状态使使它与链D上碱基未可使镊故将DNA称为利用碱基配对机制使它分别与B和C上碱基未配对的部分结合Á£×ÓµÄ×éװͨ³£ºÜÄÑÓó£¹æµÄÎïÀí»ò»¯&

13、#209;§·½·¨À´Íê³ÉÓë×é×°Ä£°å¼äµÄʶ±ð×÷ÓÃÒÔ´ø¶¯Á£×ÓµÄ×é×°&

14、#211;йÌÌåĤÓлú·Ö×ÓºóÁ½Õß¾ÙÀý˵Ã÷ÈçÏÂÉú³¤Ä£°å·¨ÊÇÀûÓÃ&

15、#196;ÉÃ×Á£×ÓÄ¿Ç°ÒÑÓ¦ÓõÄÄ£°å这些分离效率合成的纳米结构材料有许多特殊的性质储存特性和从运输行为胶体中释放的动力学特性等12,13ÀýÈçÉúÎïÌåÀûÓýºÔ-

16、1;°°×´Ó¶øÐγÉÓ²×éÖ¯核类似分子马达的生物组有利用生物分子作为模板合成无机纳米粒子酸可以根据双螺旋结构进行自组装装可用作输运作用等可能实现不同纳米粒子间的组装形状和结构等利用蛋白质作为模板合成CdS纳米粒子15利用哺乳动物眼睛晶状体管蛋白作为模板合成纳米尺寸的CdS粒子17郭中满等 14利用含有正硅酸乙酯借助芦荟叶外表皮细胞壁模板生物矿化合成了针状纳米结构SiO2晶体这些针状结构中含有高水平硅而对照株叶片的扫描

17、电镜切片上晶体数量极少DNA分子或其片断也可用作纳米粒子组装的模板不是通过模板与纳米粒子的识别对金纳米颗粒的组装19µÄÅäλ×÷Óý«µÍ¾ÛºËÜÕËá·Ö×Ó½áºÏµ½Á£×ÓÉÏͨ&#

18、185;ý½ðÁ£×ÓÓëÛÏ»ù组装过程或者将两份金纳米粒子分别包敷上含有互补碱基序列的低聚核苷 化学通报 2002年 第65卷 w038酸则可得到二维或三维的金纳米粒子组装体系21ʹµÃ×é×°¹ý³Ì¾ßÓи߶ȵÄÑ¡

19、;ÔñÐÔÓÉÓÚ´ø¶¯×é×°µÄ¶¯Á¦Ô´ÓÚÄÉÃ×Á£×ÓÍâ°ü·ó·Ö×ӵķÖ×Ó

20、;ʶ±ðÕâÔÚÖƱ¸ÌØÊâÐÔÖʺÍÒªÇóµÄÄÉÃ×Æ÷¼þµÈ·½Ãæ¾ßÓÐDZÔÚ

21、;µÄÓ¦ÓüÛֵδ¼ÓȾɫµÄϸ°û×éÖ¯ÓÉÓڳĶȵÍÄÉÃ×Á£×ӵijö

22、;ÏÖΪÁ˽â¾öÕâ¸öÎÊÌâÎÄÏ×29介绍了比利时的Demey博士在乙醚的黄磷饱和溶液中InAsInPCdSe子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合)ÉÏÁ˱êÇ©ÔÚÏÔ΢¾µÏÂ

23、79;ÊÏÖ×Ô¼ºµÄÌØÕ÷ÑÕÉ«¸÷ÖÖ×éÖ¯ÈÝÒ×±»·Ö±æ归一化荧光 波长/nmCdSe, InP, InAs InP纳米晶尺寸寸3.0nm, 3.5nm, 4.6 nm (从右至左)其粒径为30并由此制备了金纳米粒子-抗体的复合体

24、(即将金的纳米粒¾ÍÏ൱ÓÚ¸ø¸÷ÖÖ×éÖ¯Ìù 利用纳米粒子的小尺寸效应合成了一系列不同粒径的CdSe 等纳米粒子从图中可见向短波方向移动标记4可以用于荧光生物然后用激光或紫外灯照射 化学通报 2002年 第65卷 w038观察到两种不同的颜色红光的3nm粒子位于细胞核中从荧光分析表明该半导体纳米粒子作为荧光生物标记而发在诊断和显影方面具有更广泛的应用前景如细胞的癌前病变都伴随着被感染的

25、细胞的化学变化能够反映这种变化的技术在原理上都可以作为一种疾病的早期诊断工具生物传感器是基于生物分子Ca2+K+ÆÏÌÑÌÇ抗体等的专一性和灵敏性利用传统因此可以的电子器件进行信号检测和传输葡萄糖氧化酶(GOD)生物传感器是一种基于氧化还原的酶做生物传感器以上的中国人很有实用意义进行葡萄糖氧化酶(GOD)的固定化研究即明显地提高葡萄糖生物传感器的响应电流和稳定性不仅如此作用例如细菌视紫红质中SiO2与金的纳米微粒在某些生物体系中能产生明显的生物效应32ÄÉÃ×Á£×

26、ÓÄÜÌá¸ßÊÓÈ©±¡Ä¤µÄ¹âµçÁ÷¼°ÆäÎȶ¨ÐÔ33ÀýÈç½ð这种吸附定向如螺吡喃而且对一切受构型影响的反应也有影响CeO2纳米晶对细菌视紫红质-聚乙烯醇(bR-PVA)薄膜进行化学修饰且晶

27、粒尺寸越小对M态寿命的影响越大它们在制备仿生信息与识别薄膜等类型的纳米生物传感器中具有重要作用和单独一种纳米颗粒相比力有效地加速了酶的再生过程某些种类的生物芯片的研究也正在向纳米量级发展例如抗体做夹子膜蛋白做泵等等长30µm的脂质管这些利用分子来设计和装配类似仪器零件的研究生物芯片技术另外一个重要并具有应用价值的发展方向是为新药的开发提供高通量乃至超高通量筛选的技术平台 35,37ÄÉÃ×¼¼ÊõÒ²³äÂúÏ£Í&

28、#251;降低电子在电极和固定化酶间的迁移阻人们利用分子的自组装特性制作了一些结构 化学通报 2002年 第65卷 w038(1) 进一步减小测试尺度在每个实验中允许研究更多基因(3) 探索这类系统在临床甚至作为体内实时传感器等方面的应用药物颗粒的尺寸可由微米减小至纳米甚至更小尺寸将有利于药物溶解于体内环境6.1 药物尺寸纳米化技术进步加速了新药的发展制备的成本将更低廉可以提高其生物利用度分散性和吸收性剂”的新工艺41¸ßЧ͸ƤÊÍ·ÅÖƼ

29、;ÁµÈÓÚÈÕ·þ¿ØÊÍƬ¸É·ÛÎüÈë¼Á¿ËùßòÖƼÁ发挥药效药物合成路线将革新最近°¢ÌÇ°ûÜÕÀûÓÃ&#

30、196;ÉÃ×¼¼Êõ¼Ó¹¤µÄ³¬Î¢Ò©ÎïÊÊÓÃÉàÃæËÙÈÜƬÒÔ¼°Ö²ÈëʽÖƼÁ&#

31、186;ÍÖ¬ÖÊÌåµÈ¼ÁÐÍ纳米药物制¾ßÓйãÀ«·¢Õ¹Ç°¾°µÄÐÂÐ͸øҩϵͳÌá¸ßÒ

32、69;ÎïµÄÉúÎïÀûÓöȲ¢¼õÉÙ²»¹æÔòÎüÊÕ与CA溶液制剂相比CA的AUC和MTR均有显著提高说明SLN是一种具有广阔前景的缓释和靶向制剂的载体SLN载带抗肿瘤药物还可以定向将药物靶向于输送至癌组织同时降低耐药性的产生如通过微型传感器控制对纳米尺寸药物运输准确控制药物的释放剂量

33、纳米粒子已被用于向细胞输运药物和基因胞难以吸收)的化合物结合和其他小血管更为方便损伤组织细胞内输运的得力工具利用一定压力的氦气基因枪因疗法中有广阔应用领域的一项技术也是基使金颗粒与基因(DNA或RNA)结合后可不易被细胞内化(细而不会象不溶粉末一样阻塞毛细血管携带DNA片段的纳纳米级粒子将使药物在人体内的传输有希望用于主动搜索并攻击癌细胞或修补源生粒子在人体中药物作用的效率和速度显著增加米粒子可以被用于向靶细胞导入特定基因靶配体和承载药纳米颗粒能将药物定位释放于体内的目标组织如受体介质的并将成为 化学通报 2002年 第65卷 w038吸附于柱状尼龙子弹的前端光滑表面尼龙子弹受阻基因能在生物体

34、内进行表达复制而达到预期的目的43Ö¯»òϸ°û¿ÉÒÔ×÷Ϊ»ùÒòµÄÔËÔØÌå使尼龙子弹高速射出使×é±í´ïЧÂʸߵÄÌص

35、27;³£½ò7采用经典的氧化还原法成功地将抗癌单克隆抗体(Ab)ÖƱ¸³É¾ßÓÐÃâÒß»îÐÔµÄÈýÔª½áºÏÎﰢùËØÃâÒß´&

36、#197;ÐÔºÁ΢Á£德烈亚对普通磁疗法进行了重大技术改进, 发在水中溶解后注入肿瘤部位肿瘤部位完全被磁场封闭肿瘤部位的温¶øÁÙ½üµÄ½¡¿µ×é֯˿ºÁ²»ÊÜÓ°Ï쾫ȷµ

37、;Ķ¨Ïò´ÅÁÆ·¨²»»á¶Ô²¡È˲úÉú¸±×÷ÓÃ度可以达到47Ñо¿Ð¡×éÀûÓÃеĴ

38、7;ÁÆ·¨¶Ô»¼ÓÐÈéÏÙÖ×ÁöµÄʵÑéÊó×öÁËÊÔÑé后完全消失预期对人体的临床治疗将首先用于成胶质细胞瘤疗其它肿瘤图3 包覆聚苯乙烯氧化铁纳米粒子分离小鼠骨髓液中癌细胞示意Fig.3 Scheme of separating cancer

39、cell in mouse marrow by nano-size Fe2O3 coating polystyrene6.5 杀菌光催化反应最理想的催化剂是半导体纳米粒子在水净化和空气净化领域获得应用下对大肠杆菌耐光腐蚀TiO2纳米微粒在光照条件且于80min后全部杀灭 化学通报 2002年 第65卷 w038播超细粉末(直径为20nm以下)利用纳米粒子的小尺寸效应Éñ¾-À඾ÆøµÈËáÐÔÆøÌå&

40、#181;ÄÎü¸½ÄÜÁ¦10%)包覆Fe2O3(Fe2O3 AP-CaO, Fe2O3 CP-CaO )后续处理更加简便的高活性吸附膏这些纳米级粉末和(固化形成)多孔小球的表面化学特性似环境修复等方面都颇具应用前景Koper小组4446合成了具有大表面积和表面化学吸附特性增强的的系列无机氧化物及部分包覆物²ÉÓÃÆøÄý½º·¨ÖƱ¸

41、1;ÄÄÉÃ×Á£×Ó(AP-CaOFe2O3CP-CaO)使CaO对SO2的吸附作用明显增强剂乎与特征纳米晶不同的多面体外形有关图4 钙氧化物样品消除paraoxon的速率比Fig.4 Rate of disappearance of paraoxon (4.5µl)on calcium oxide samples(0.1g)综上所述纳米技术生物学的结合虽任重而道远致谢相关商业领域的应用正待开发建立在多学科交叉基础上的发展时期及在成文过程中的多次讨论和细致修改 化学通报 2002年 第65卷

42、w03816 陈 霞, 靳 健 杨文胜 等. 高等学校化学学报,2000,21:11151117.17 Wang J Y, Uphaus R A, Ameenuddin S. Thin solid films, 1994, 242(1/2):127.18 Shenton W, Douglas T, Young M et al. Adv. Materials, 11:253256.19 李 彦, 施祖进, 周锡煌 等. 化学进展, 1999,2:148152.20 Alivisatos A P, Johnsson K P, Peng X et al., Nature, 1996, 382:609611.21 Mirkin C A, Letsinger R L, Mucic R C et al. Nature, 1996, 382:607609.22 Hameroff S. J. Vac. Sci. and Tech. A ,1990, 8:687691.23