纳米生物与医药技术基础

1、1、纳米科技 在纳米尺度内（1-100nm)控制物质,创造特定功能的材料、器件和系统在纳米尺度内（1-100nm)，探测物质的结构与性能在纳米尺度内（1-100nm)，认识物质的物理、化学和生物学性质变化的规律，加以利用纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米加工学、纳米测量学、纳米机械学、纳米电子学、纳米生物学、纳米医学 。2、名词解释：表面效应、纳米结构表面效应：微球的表面积增大和所包含的表面原数增多的现象。（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

2、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。）纳米结构：纳米结构：是尺寸介于分子和微米尺度间的物体的结构；有一，二，三维物质。如这些物质的线度都在0.1-100nm范围内，则称为纳米物体。这些物体的结构则称为纳米结构。3、 为什么要研究纳米材料？纳米材料有哪些特性？纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。零维的纳米粒子、 一维的纳米线、二维的纳米薄膜、纳米尺度为基本单元构成的多种类型的纳米材料（纳米粉体材料、纳米块体材料、纳米薄膜材料、纳米复合材料）。半导体量子点（荧光、电镜），贵金属纳米颗粒（SERS

3、、信号识别颗粒），金属氧化物纳米颗粒（超顺磁性），复合纳米颗粒（药物呈递、靶向），多功能纳米颗粒（成像、检测、治疗）。（1）表面与界面效应这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。（2）小尺寸效应当纳米微粒尺

4、寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，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、红外隐身技术等等。（3）量子尺寸效应当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效

5、应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。（4）宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。（5） 介电限域效应;介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象，主要来源于微粒表面和内部局域场强的增强。意义：首先，IT和BT持续发展的基础，社会和经济可持续发展要求：省材料、能源和空间，大的市场和高利润驱动。其次，创建新材料，发现独特的性质

6、、现象和过程，为人类健康和疾病诊断与治疗提供新的理论和方法。最后，纳米材料作为一种非病毒性载体，具有良好的生物相容性。4、纳米粒子的表面修饰有哪些方法？纳米粒子有强烈的聚集倾向，可以通过表面修饰降低纳米粒子的表面能，可得到具有可溶性或者可分散性的纳米粒子。同时，适当的表面修饰还可以调节磁性纳米粒子与其他材料的相容性和反应特性，从而赋予特殊功能。常见方法有：1. 采用有机小分子修饰粒子表面（通过修饰剂与稳定剂的相互作用或通过配体交换反应，实现一定的生物相容性及水溶性）；2. 采用有机高分子修饰粒子表面（用生物相容性高的高分子修饰)；3采用SiO2修饰粒子表面（屏蔽偶极相互作用，优良的生物相容性、

7、亲水性、稳定性）；4. 采用其他无机纳米材料修饰粒子表面。5、什么是EPR效应？它在肿瘤治疗方面有什么意义？EPR效应：实体瘤的增强渗透滞留效应。正常组织中的微血管内皮间隙致密，结构完整，纳米颗粒、大分子和脂质颗粒不易透过血管壁。而实体瘤组织中血管丰富、血管壁间隙较宽、结构完整性差，淋巴回流缺失，造成纳米颗粒、大分子物质和脂质颗粒具有选择性、高通透性和滞留性。意义：EPR效应促进了纳米颗粒及大分子类物质在肿瘤组织中的选择性分布，可以增加药效并减少系统副作用。6、纳米生物医学/技术：一方面，是利用纳米技术（包括纳米材料）研究生命体的特征，发现新的生命现象和规律，为人类健康和疾病诊断与治疗提供新的

8、理论和方法；另一方面，模拟生命体精细的调节机制，通过仿生研究制备新型纳米材料和建立新的纳米技术。7、 纳米结构表征技术（1）透射电子显微镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0.10.2nm，放大倍数为几万百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2微米、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。与光镜原理基本一致，用电子束作光源，用电磁场做透镜。电子束波长短，波长与电压的平方根成反比。样品制备：50nm超薄切片（机）、铜网（2） 扫描

9、式电子显微镜的电子束不穿过样品，仅在样品表面扫描激发出次级电子。放在样品旁的闪烁晶体接收这些次级电子，通过放大后调制显像管的电子束强度，从而改变显像管荧光屏上的亮度。显像管的偏转线圈与样品表面上的电子束保持同步扫描，这样显像管的荧光屏就显示出样品表面的形貌图像，这与工业电视机的工作原理相类似。 扫描式电子显微镜的分辨率主要决定于样品表面上电子束的直径。放大倍数是显像管上扫描幅度与样品上扫描幅度之比，可从几十倍连续地变化到几十万倍。扫描式电子显微镜不需要很薄的样品；图像有很强的立体感；能利用电子束与物质相互作用而产生的次级电子、吸收电子和 X射线等信息分析物质成分。 （1） 、（2）总结：利用电

10、镜的透射或散射电子进行其它功能的分析，可以得到材料的其它一些信息。主要有：成分分析、晶体结构分析、粒度分析、阴极发光观察样品制备：a. 生物样品制备：由于生物样品主要由碳、氢、氧、氮等元素组成，散射电子的能力很低，在电镜下反差小，所以在进行电镜的生物样品制备时通常还须采用重金属盐染色或金属盐喷镀等方法来增加样品的反差，提高观察效果。例如负染色法就是用电子密度高，本身不显示结构且与样品几乎不反应的物质（如磷钨酸钠或磷钨酸钾）来对样品进行“染色”。由于这些重金属盐不被样品万分所吸附而是沉积到样品四周，如果样品具有表面结构，这种物质还能穿透进表面上凹陷的部分，因而在样品四周有染液沉积的地方，散射电子

11、的能力强，表现为暗区，而在有样品的地方散射电子的能力弱，表现为亮区。这样便能把样品的外形与表面结构清楚地衬托出来。负染色法由于操作简单，目前在进行透射电镜生物样品制片时比较常用。有时为了保持生物体的原有形状，常用戊二醛、甲醛、锇酸蒸气等试剂进行固定后再进行染色。b. 核酸样品制备：核酸分子链一般较长，采用普通的滴液或喷雾法易使其结构受到破坏，因此目前多采用蛋白质分子膜技术来进行核酸分子样品的制备。其原理是：很多球状蛋白均能在水溶液或盐溶液的表面形成不溶的变性薄膜，在适当的条件下这一薄膜可以成为单分子层，由伸展的肽链构成一个分子网。当核酸分子与该蛋白质单分子膜作用时，会由于蛋白质的氨基酸碱性侧链

12、基团的作用，使得核酸从三维空间结构的溶液构型吸附于肽链网而转化为二维空间的构型，并从形态到结构均能保持一定程度的完整性。最后将吸附有核酸分子的蛋白质单分子膜转移到载膜上，用负染等方法增加样品的反差后置电镜观察。c. SEM生物样品制备：扫描电镜观察时要求样品必需干燥，并且表面能够导电。因此，在进行扫描电镜微生物样品制备时一般都需采用清洗、固定、脱水、干燥及表面镀金等处理步骤。 生物样品的制备中，干燥是最关键的步骤。干燥过程除引起样品收缩之外，水的表面张力会使样品表面形貌发生很大的变化，这对扫描电镜的表面形貌观察特别有害。目前常用的干燥方法主要有空气干燥法、临界点干燥法、冰冻干燥法、真空干燥法和

13、莰烯干燥法等。空气干燥法又称自然干燥法，就是将经过脱水的样品，让其暴露在空气中使脱水剂逐渐挥发干燥。此法的最大优点是简单易行和节省时间，它的致命缺点是在干燥过程中，组织会因脱水剂挥发时表面张力的作用而产生收缩变形。因此，此种方法一般只适用于外壳(表面)较为坚硬的样品。在采用空气干燥时，为了减少样品的收缩变形，除使用易挥发和表面张力小的脱水剂如乙醇、丙酮等外，还应使样品得到充分固定，特别是须经四氧化锇固定效果才较好。因为它会使组织变得较为坚硬，使收缩变形减少。临界点干燥法是一种消除了物相界面(液相气相)，也就是消除了表面张力来源的干燥方法。这种方法由于没有表面张力的影响，所以样品不易收缩和损伤，

14、此法所用的仪器结构不甚复杂，操作较为方便，所用的时间也不算长，一般约2h左右即可完成，所以，是最为常用的方法。所谓临界点，就是指使物质的气态和液态两相之间达到相同密度，成为均一流体状态时的温度和压力的总称。此时的温度称临界温度；此时的压力称临界压力。不同的物质都有其特定的临界点。冰冻干燥是将经冰冻的样品置于高真空中通过升华，除去样品中的水分或脱水剂的过程。冰冻干燥的基础是冰(或固态溶剂)从样品中升华，也就是使水分从固态直接转化为气态，不经过中间的液态,不存在气相和液相之间的表面张力对样品的作用，因此，能较好地避免或减少了在干燥过程中对样品的损伤。冰冻干燥方法有两种，即含水样品直接冰冻干燥和样品

15、脱水后从有机溶剂中冰冻干燥。茨烯干燥法，莰烯是一种樟脑类无色结晶体，能溶于醚、环乙烷、环己烯和氯仿中，室温下呈固体状，能在较低的温度下升华，从固态直接变成气态，表面张力小，故经它干燥的样品较松软，变形小，操作也较简便。d、样品的表面导电处理金属镀膜法是采用特殊装置将电阻率小的金属，如金、铂、钯、银及碳等蒸发后覆盖在样品表面的方法。样品镀以金属膜(或碳膜)后，不仅能为入射电子提供通路，消除电荷积累的荷电现象，而且能提高二次电子发射率，增加倍噪比，提高图像反差，以便能获得细节丰富和分辩率高的图像。其次，样品经镀膜后，还能提高样品表面的机械强度，增强耐受电子束轰击能力，避免起泡、龟裂、穿孔、分解和漂

16、移等不良现象的产生：此外，通过镀膜能把扫描电镜的信息来源限定于样品表面，即防止来自组织内部的信息参与成像。真空镀膜法是利用真空镀膜仪进行的。其原理是在高真空状态下(10-3Pa)，使某些金属物质加热到熔点以上时，蒸发成极细小的颗粒喷射到样品上，由于金属的沉积使样品表面形成一层薄金属膜。真空镀膜法所得的膜，金属颗粒较粗，膜不够均匀，操作较复杂并且费时，因此目前已经较少使用。真空蒸发仪主要用于制造碳膜、碳复型膜和金属投影。离子溅射镀膜法：在低真空中进行辉光放电时，由于离子冲击，阴极金属物质有飞溅现象称为溅射。利用离子溅射仪对样品进行金属镀膜的方法，称为溅射镀膜法。图10一4就是这种镀膜法的原理示意

17、图。这种装置很简单，主要由真空部分(真空泵)和溅射部分(真空罩)组成，在真空罩内装有阴极和阳极，阴极对着阳极的一面装有用于溅射用的金属靶(黄金靶、铂靶、白金靶或钯靶等)，样品放在阳极的样品座上面。当真空罩内的真空度抽到101Pa时，在阴极与阳极之间加上10003000V的直流电压，两极之间产生弧光放电的电场。在电场的作用下，罩内残余的气体分子被电离为正离子和电子，正离子被阴极吸引轰击金属靶，激发出金属颗粒和电子，并被阳极吸引附着在样品表面而形成金属导电膜。组织导电法是利用某些金属盐溶液对生物体中的蛋白质、脂肪类及淀粉等成分的结合作用，使样品表面离子化或产生导电性能好的金属化合物，从而提高样品耐

18、受电子束轰击的能力和导电率。这种方法近年来国内外均有不少报道。（3）冷冻电子显微镜快速冷冻使含水样品中的水处于玻璃态（浸入液氮、喷雾冷冻），将样品保持在液氦温度中（最小曝光技术），图像处理及三维重构（大量拍摄，统计平均）（4） 原子力显微镜一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米

19、级分辨率获得表面结构信息。它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。AFM测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。轻敲模式（tapping）、接触模式（contact）、液相模式可在日常环境下进行样品观察、样品无需导电、分辨率高、对样品损伤小、三维测量、多种力成像方式、可进行力曲线测量、扩展应用（5

20、） 紫外光谱：（表面激元共振当光线入射到由贵金属构成的纳米颗粒上时，如果入射光子频率与贵金属纳米颗粒或金属岛传导电子的整体振动频率相匹配时，纳米颗粒或金属岛会对光子能量产生很强的吸收作用，就会发生局域表面等离子体共振现象。）物质分子吸收一定波长的紫外光时,电子发生跃迁所产生的吸收光谱称为紫外光谱。电子跃迁前后两个能级的能量差值E越大,跃迁所需要的能量也越大,吸收光波的波长就越短。当我们把一束单色光(I0)照射溶液时,一部分光(I)通过溶液,而另一部分光被溶液吸收了.这种吸收是与溶液中物质的浓度和液层的厚度成正比,这就是朗勃特比尔定律。传统的紫外光谱用于检测具有共轭双键的化合物。这是因为通过键与

21、键相互作用（-共轭效应），可以生成大键。由于大键各能级间的距离较近，电子容易激发，所以吸收峰的波长就增加，生色作用大为加强。 （6） MRI核磁共振影像：特点：活体成像、无损、实时动态、空间分辨率高、组织对比度好、功能强。核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。核磁共振波谱学是光谱学的一个分支，其共振频率在射频波段，相应的跃迁是核自旋在核塞曼能级上的跃迁。 核磁共振是处于静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。通常人们所说的核磁共振指的是利用核磁共振现象获取分子结构、人体内部结构信息的技术。 并不是是所有原子核都能产

22、生这种现象，原子核能产生核磁共振现象是因为具有核自旋。原子核自旋产生磁矩，当核磁矩处于静止外磁场中时产生进动核和能级分裂。在交变磁场作用下，自旋核会吸收特定频率的电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。这种过程就是核磁共振。 8、 分子影像学分子影像学是医学影像技术和分子生物学相互交叉渗透而产生的新学科。分子影像技术是利用现有的医学影像技术(主要是PET、MRI 和光学CT) 对人体内部特定的分子进行无损伤的实时成像。（分子探针、有效的组织和细胞内靶向技术、有效的放大技术、具有高空间分辨率和高敏感性成像系统。）目前,分子影像常用的探测方法有核探测方法、核磁共振方法和光学方法等。要实现分子成像技术最

23、关键的是分子探针、信号放大和灵敏度探测仪器。分子影像技术是向人体输入一种分子(分子探针) 与细胞内分子(靶分子) 进行标记成像。由于分子探针的浓度只有纳克或皮克量级,因而体内成像信号放大和高灵敏度成像仪器的研制是分子影像技术发展的关键。（1） PET全称为：正电子发射型计算机断层显像（Positron Emission Computed Tomography），是核医学领域比较先进的临床检查影像技术。其大致方法是，将某种物质，一般是生物生命代谢中必须的物质，如：葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸，标记上短寿命的放射性核素（如18F，11C等），注入人体后，通过对于该物质在代谢中的聚集，来反映生命代谢

24、活动的情况，从而达到诊断的目的。最近各医院主要使用的物质是氟代脱氧葡萄糖，简称FDG。其机制是，人体不同组织的代谢状态不同，在高代谢的恶性肿瘤组织中葡萄糖代谢旺盛，聚集较多，这些特点能通过图像反映出来，从而可对病变进行诊断和分析。（2） CTCT即电子计算机断层扫描，它是利用精确准直的X线束、射线、超声波等，与灵敏度极高的探测器一同围绕人体的某一部位作一个接一个的断面扫描，具有扫描时间快，图像清晰等特点，可用于多种疾病的检查；根据所采用的射线不同可分为：X射线CT（X-CT）、超声CT（UCT）以及射线CT（-CT)等。CT血管造影（CTA，CT angiography）是将CT增强技术与薄层

25、、大范围、快速扫描技术相结合，通过合理的后处理，清晰显示全身各部位血管细节，具有无创和操作简便的特点，对于血管变异、血管疾病以及显示病变和血管关系有重要价值。血管造影是一种介入检测方法，显影剂被注入血管里，因为X光穿不透显影剂，血管造影正是利用这一特性，通过显影剂在X光下的所显示影像来诊断血管病变的。普遍使用的血管造影剂为碘试剂，在少见的有使用碘试剂禁忌症的病例中，会使用二氧化碳作为造影剂。（含碘的分子，Au，BiS等；碘油纳米乳-量子点可用于CT-光学检测）（3） MRI见7.（6）MNPs-荧光探针可用于MRI-光学成像（4） 光学单分子行为的直接、实时、动态观察荧光标记技术吲哚青绿(IC

26、G)又称靛青绿或福氏绿，是一种水溶性三碳吲哚染料，分子量775道尔顿，分子式是C43H47N2NaO6S2，最大吸收光谱795nm，最大激发波长为835nm。ICG 注入体内后既不从消化道吸收，也不进入肝循环，而是由肝实质细胞从血浆中摄取后以整分子形式排泄至胆管，随粪排出体外。近年来，ICG造影除用于研究眼部血管尤其是脉络膜血管外，还被用于烧伤深度的检测、胃肠道血管缺损、脑动脉急性梗塞患者灌注的减少检测、恶性肿瘤的诊断、微循环定量、脑部肿瘤边缘的确定和肿瘤前哨淋巴结检测等。（5） 微气泡超声造影与多功能研究超声成像是利用超声声束扫描人体，通过对反射信号的接收、处理，以获得体内器官的图象。近年来

27、，超声成象技术不断发展，如灰阶显示和彩色显示、实时成象、超声全息摄影、穿透式超声成像、超声计并机断层圾影、三维成象、体腔内超声成像等。超声成像方法常用来判断脏器的位置、大小、形态，确定病灶的范围和物理性质，提供一些腺体组织的解剖图，鉴别胎儿的正常与异常，在眼科、妇产科及心血管系统、消化系统、泌尿系统的应用十分广泛。近年来,超声造影剂微气泡直径的缩小及稳定性的提高,使其在诊断领域取得飞速发展的同时,在治疗方面的运用亦日益为众多学者所关注。作为一种无创、低成本、实时的成像技术, 超声成像是目前世界上应用最广的成像方式. 然而由于传统超声诊断技术的敏感性和图像分辨率都较低,限 制 了 超 声 诊 断

28、 的 进 一 步 应 用 . 超 声 造 影 剂和超声造影技术的引入开辟了超声成像的新时代, 使超声诊断具有更高的敏感性和更高质量的图像.微气泡超声造影剂一般是指采用声空化、冷冻干燥、喷雾、乳液、喷墨印迹等方法制备的直径在 110 µm 的包膜气泡. 在诊断超声频率下微气泡在血管或病灶部位聚集后发生共振, 产生比生物组织更强的回波信号, 从而明显提高超声诊断图像的分辨率、敏感度和特异性.随着包膜微气泡材料和制备技术的发展, 微气泡超声造影剂不仅用于超声成像诊断, 而且在分子成像、药物传输及靶向治疗等多个领域得到广泛的研究与应用. 实验制备了膜壳装载Fe3O4纳米颗粒、中心包裹氮气的聚

29、合物微气泡造影剂, 体外超声成像(US)显影实验发现该微气泡具有良好的超声图像增强作用. 利用包膜微气泡在超声场作用下的振动模型研究其动力学行为发现, 膜壳中包裹的 Fe3O4纳米颗粒在一定浓度范围内能增加微气泡的膜壳散射截面, 增强超声波的背向散射强度, 从而显著增强超声图像的显影效果; 当超过一定 Fe3O4纳米颗粒浓度则会导致微气泡膜壳散射截面减小, 从而降低超声图像增强效果. 另一方面体外磁共振成像(MRI)显影实验证明, 随着膜壳中 Fe3O4纳米颗粒含量的增加, MRI 增强效果亦增加. 因此为了制备 US 和 MRI 双重显影增强的微气泡造影剂, 控制磁性纳米颗粒在微气泡膜壳中的

30、包裹量十分重要.根据文献,在选用的声波频率、强度及照射时间下,单纯超声照射及微气泡造影剂未发现细胞形态及活性显著变化,超声照射与微气泡造影剂联合运用,显著增强了超声的空化效应,在细胞膜上形成微孔,从而在形态上为细胞膜通透性增强提供了依据。研究表明空化作用过强不仅增加细胞膜的通透性,还可导致微气泡周围的细胞失活。因此,寻找理想的空化条件十分重要。造影剂浓度增加后,细胞周围的微气泡密度增加,超声照射后虽然细胞膜的孔径增大,通透性增加,但细胞碎片增多,细胞活性也随之降低。因此,根据不同的目的,可调整造影剂微气泡的浓度,对于肿瘤性的灭活治疗,可增加造影剂的浓度,以提高肿瘤细胞的减灭及抑制作用。相反,对

31、一些需要保持细胞活性及功能的治疗,则要选择适当浓度的造影剂,既提高外源性基因及药物的转导,同时减少对细胞活性的影响。研究表明超声空化效应的强度受许多因素的影响,如超声波的设置参数、声波的照射时间、微气泡的浓度和气泡内气体的理化特性等,本实验只观察了在体外培养细胞中造影剂浓度的影响,将在今后的体内及体外实验中进一步研究不同因素及其综合影响,为造影剂在治疗中的运用奠定基础。9、 纳米药物纳米药物载体+药物；药物本身纳米化：纳米中药、维甲酸纳米颗粒；纳米颗粒本身成为药物：肿瘤热疗用磁性纳米颗粒、金纳米颗粒、富勒烯纳米颗粒。FDA批准药物：紫杉醇白蛋白纳米粒、阿霉素脂质体。纳米药物，指通过一定的微细加

32、工方式直接操纵原子、分子或原子团、分子团，形成新的具有纳米尺度的具有诊疗功能的药物。纳米药物系统从药物开始，经过药物的输送，最后药物在某一部位释放。这里面重要的两个过程是药物的输送与释放。研究药物输送系统可以提高药物输送效率、降低药物剂量和最大限度减少药物副反应。同时，通过对体内药物释放的研究，我们可以研制出由pH改变或光改变或温度改变导致释放的药物。（1） 纳米脂质体脂质体是近年研究较多的一种剂型，它制备简单，应用方便，可多用途给药，是一种具有同生物膜性质类似的磷脂双分子层结构载体。脂质体作为药物载体有其独特的优势，包括可保护药物免受降解 、达到靶向部位和减少毒副作用。但是它也存在许多缺陷，

33、如包封率低、脂质体膜易破裂、药物易渗漏 、重复性差、体内不稳定和释药快等。纳米脂质体的制备方法主要有超声分散法、逆相蒸发法等。（2）固体脂质纳米粒(solid lipid nanoparticles，SLN)SLN是以多种类脂材料如脂肪酸、脂肪醇及磷脂 等为载体，将药物包裹于类脂材料中制成固体颗粒。SLN具有一定的缓释作用，主要适合于难溶性药物的包裹，被用作静脉注射或局部给药达到靶向定位和控释作用的载体，能避免药物的降解和泄漏。SLN主要适用于亲脂性药物，用于亲水性药物时存在包封率较低的缺陷。SLN常用高压乳匀法和微乳法制备。杨时成等用高压乳匀法研制的喜树碱固体脂质纳米粒，其平均粒径

34、为1968nm，载药量为477，包封率 为9951。由于植物中提取的喜树碱脂溶性高，制备理想的制剂较困难，而且用乳匀法制备的SLN还普遍存在药物的突释现象，其产生的主要原因是现有高压乳匀法制备时的高温和使用高浓度的表面活性剂。张惠宏等用溶剂扩散法制备了丙酸倍氯米松固体脂质纳米粒，虽在最初3h台药物的突释现象但在随后4d药物的释放明显缓慢，每天释放约为药物总量的6。实现了药物的控释 。（3） 纳米囊和纳米球主要由聚乳酸、聚丙交酯一乙交酯、壳聚糖和明胶等能够生物降解的高分子材料制备，可用于包裹米水性或疏水性药物不同材料的性能适合于不同的给药途径，如静脉注射的靶向作用、肌内或皮下注射的缓控释作用，口

35、服给药的纳米囊和纳米球也可用非降解性材料如乙基纤维素、丙烯酸树脂等此类载体的制备方法主要有沉淀法 、乳化一溶剂挥发法等 Maria等一7以乳酸一羟基乙酸共聚物(PLA)为载体，用双乳化一溶剂挥发法制备了载有L一门冬酰胺酶的纳米球，在制备过程中采用超声乳化技术将纳米球粒径控制在 200nm左右，包封率达40。（4）聚合物胶束这是近几年正在发展的一类新型的纳米载体，它同时具有亲水性基团及疏水性基团，在水中溶解后自发形成高分子胶束，并完成对药物的增溶和包裹它具有亲水性外壳及疏水性内核，适合于携带不同性质的药物，且可使药物能逃避单核巨噬细胞的吞噬，即具有“隐形”性 。亲水链 段常用聚乙二醇(PEG)、

36、聚氧乙烯(PEO)、聚氧丙稀等，而疏水链段常用的有聚乳酸(P)、聚丙交酯一乙交酯、壳聚糖等目前研究较多的是PLA与PEG的嵌段共聚物PLAPEG，而壳聚糖及其衍生物因其优良的生物降解特性正在受到密切关注等8一采用双乳化法制备了粒径200nm左右的载牛血清白蛋 白纳米粒，所用材料为PLAPEG双亲性共聚物，包封率达486 。纳米药物的粒径使它具有特殊的表面效应和小尺寸效应等，与常规药物相比，它倾粒小、表面反应活性高 、活性中心多、催化效率高 、吸附能力强，因此它具有许多常规药物不具备的优点，它的应用主要在如下方面 ：作为生物大分子的载体 ，改善难溶性药物的口服吸收 

37、蛋白质 、多肽这类大分子药物，口服后易被胃酸破坏，且在肠道中很容易发生蛋白水解，故难以透过肠壁被机体吸收，现在多采用注射给药，但这常常使病人产生不适，且费用高昂，纳米技术的应用则更好地解决这个问题，如将VitB ，或叶酸修饰过的纳米粒再与药物结合，不仅能避免药物在肠道中发生蛋白水解，还能使药物在体内循环时增加，从而大大增加了药物的吸收度。纳米载体可携带各种大分子药物，可有口服、注射、吸入等多种给药途径，提高生物利用度，减少用药量，减轻或消除毒副作用 。当药物颗粒粒径达到纳米水平时，药物的总表面积大大增加，药物的溶出速率随之提高，与给药部位接触面积增大，提高了单位面积药物浓度

38、。同时由于载药纳米粒较好的黏附性及小粒径，药物与吸收部位的接触时间延长，增加了药物在吸收部位上皮组织黏液层中的浓度，并延长了药物的半衰期，因此提高了药物的生物利用度。载药纳米粒子还可以改变膜运转机制，增加药物对生物膜的通透性，药物有可能通过简单扩散或渗透形式进入生物膜，使溶解度增加。此外，可对药物进行靶向引导，目标攻击效率的提高会使用药量减少，有可能使得人体对药物的副反应减少到忽略不计的程度，从而在保证药效的条件下有效减少药物的毒副作用。10、分子组装与功能纳米结构制造（1）分子组装技术:将具有一定功能的分子(包括生物分子)在分子或超分子尺度范围内，通过物理或化学的方法聚集成稳定的有序体系的技

39、术。主要包括:LB膜(langmuir-blodgett)技术、分子自组装(molecular self-assembly)技术、分子束外延(molecular beam epitaxy)技术。LB膜技术：将双亲分子在水面上形成有序的紧密单分子层膜，再利用端基的水亲水、油亲油作用将单层膜转移到固体基片上。由于基片与分子之间的吸附作用，单分子层就沉积在固体基片上。如果固体基片反复地进出水面就可形成多层膜(多达500层)。成膜所需的能量小；LB膜具有高度的各向异性层状结构，分子具有规则的排列和取向；LB膜的单分子层的厚度基本等于一个分子的纵向长度(2030 )；在沉积过程中可通过改变疏水长链的碳氢

40、基团的数目或通过插入离子等手段，使膜厚可精确控制到数埃，实现十分精确的人工组装。 电子束刻蚀用的LB膜 、LB膜润滑层 、LB膜超薄绝缘层 、光电转换LB膜、气敏LB膜 、以LB膜为模板的纳米结构制备技术 。分子自组装:在平衡的条件下，通过化学键或非化学键相互作用，自发地缔合形成性能稳定的、结构完整的二维或三维超分子的过程。主要包括:基于化学吸附的自组装膜技术(SA)、基于物理吸附的离子自组装膜技术(ISAM)、基于分子识别的超分子合成技术。原位自发形成热力学性质稳定、无论基底形状如何，其表面均可形成均匀一致的覆盖层、高密度堆积和低缺陷浓度、分子有序排列、可人为设计分子结构和表面结构来获得预期

41、的界面物理和化学性质、有机合成和制膜有很大的灵活性。基于化学吸附的自组装膜技术：将有某种表面物质的基片浸入到待组装分子的溶液或气氛中，待组装分子一端的反应基(头基)与基片表面发生自动连续的化学反应，在基片表面形成化学键连接的二维有序单层膜(同层内分子间的作用力仍为范德华力)如单层膜表面也有具有某种反应活性的活性基，则又可以和别的物质反应，如此重复，就构建成同质或异质的多层膜。基于物理吸附的离子自组装膜技术：是将表面带负电荷的基片浸入阳离子聚电解质溶液中，由于静电吸引，阳离子聚电解质吸附到基片表面，使基片表面带正电，然后将表面带正电荷的基片再浸入阴离子聚电解质溶液中，如此重复，即成多层聚电解质自

42、组装膜。沉积过程或膜结构进行分子级控制、可以仿真生物膜的形成、层与层之间强烈的静电作用力，使膜的稳定性极好，试验重复性好、实现膜的光、电、磁、非线性光学性能的功能化。自组装程序的发生通常会将系统从一个无序(disordered)的状态转化成一个有序(ordered)的状态，其可以发生在不同的尺度，例如分子首先聚集成纳米尺寸的超分子单元(supramolecular unit；如界面活性剂分子自组装成微胞)，这些超分子单元间的作用力进而促使其在空间上做规则的排列(如微胞排列成体心立方之晶格)，而使系统具有一种阶级性结构(hierarchical structure)。自组装普遍存在于自然界中，如

43、生物体的细胞即是由各种生物分子自组装而成；而运用各种分子之自组装亦是建构纳米材料非常重要的方法，这种所谓由下而上（bottom-up）的方法目前被广泛应用来制备具光、电、磁、感测、与催化功能的纳米材料。研究内容1、分子间相互作用的协同效应与自组装原理：通过多识别位点单体的组装，阐明分子间相互作用的加合性、协同性和方向性，建立二维及三维空间分层次组装的有效原理和方法。2、多层次、多组分的界面分子组装与功能：致力建立多级界面分子组装方法，研究溶液中的有序组装体在界面转化的规律及其动态形成过程和解组装过程，实现多组分、多层次的功能组装体构筑。3、超分子复合物体系组装及组装过程：基于各种弱相互作用组装

44、形态和性质各异的超分子复合物，实现由超分子复合制备功能超分子材料。4、分子聚集体中的电子转移、能量传递和化学转换：研究分子聚集体中的电子转移和能量传递，为太阳能光催化制氢提供依据；研究分子聚集体中的化学转化，为提高化学反应的选择性提供新的途径。5、分子组装体的手性及功能性手性组装体：研究分子组装体中的手性问题，并创造具有手性放大、手性传递、手性记忆等功能的手性组装体。6、生物膜模拟与人工酶：以聚合物囊泡作为模型体系，分别从形态、结构和功能三个层面来模拟生物膜；构筑新型高效超分子人工酶体系。（2）功能纳米结构制造诊断、成像、治疗一体化（3）纳米机器人“纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴，它根

45、据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。合成生物学对细胞信号传导与基因调控网络重新设计，开发“在体”（in vivo）或“湿”的生物计算机或细胞机器人，从而产生了另种方式的纳米机器人技术。纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下3个方面：在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息

46、等。纳米机器人的研制。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。纳米尺度调整杀死变异的癌变细胞，通过外部激光器指引，精确计算找到出辐射超标的癌变细胞，利用先进的生物细胞溶解技术将可能病变的细胞溶解成化学分子元素，并通过特定传感器系统精

47、确的核查后，将细胞组分成功进入健康细胞中，完成坏死细胞与成功健康细胞的转换。a.纳米机器人的动力分子马达分子马达（molecular motor），是美国康奈尔大学研究人员在活细胞内的能源机制启发下，制造出的一种马达。这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础，依靠为细胞内化学反应提供能量的高能分子三磷酸腺苷（ATP）为能源。生命系统中由纳米尺度上分子的行为所控制的F1-ATPase(F1-三磷酸腺苷酶)是细胞中精巧的分子马达之一。它位于线粒体内是一种用于合成ATP(三磷酸腺苷可以用于推动许多生物合成反应，在能量循环中起关键作用，还充作特殊生理活动中作功分泌吸收和传导等的初级能源)的大型嵌膜复合体。b.

48、“纳米蜘蛛”微型机器人最近，美国科学家就研制出一种可以进入人体的纳米机器人，有望用于维护人体健康。发明这些纳米机器人的科学家是美国哥伦比亚大学生物工程学研究人员米兰·斯托诺维克等人，组成机器人的原料是DNA分子，它们的外形很像蜘蛛，因此又称为“纳米蜘蛛”微型机器人。它们能够跟随DNA的运行轨迹自由地行走、移动、转向以及停止。虽然以前研制出的DNA分子机器人也具有行走功能，但不会超过3步，而新的机器人却能行走50步。科学家希望不断改进纳米蜘蛛，以提高它们的行进距离，让它们最好能够在人体内自由穿梭。纳米蜘蛛的体长只有4纳米，需要高倍电子显微镜才能看见，因为10万个这样的纳米蜘蛛排成一串也

49、比人类头发直径还小。正因为纳米蜘蛛如此微小，它可以穿越人体任何组织和器官，包括最细小的毛细血管和神经末梢，而不会导致这些细小管道的阻塞。纳米蜘蛛可以在人体内的“大街小巷”内随意穿梭，及时发现人体内出现的异常情况，因此堪称人体内的“微型警察”。“纳米蜘蛛”机器人有望成为治疗多种疾病的重要工具，比如，它们可以区分健康细胞和癌细胞，及时发现癌细胞后发出警报。成千上万只纳米蜘蛛就源源不断地向癌细胞聚集，一起合力杀死癌细胞。它们还可以成为清理人体血管的“管道工”，人体血管其实也像城市的下水道一样，时间长了就会出现垃圾，如果不及时清理就会发生各种心血管疾病，纳米蜘蛛发现这些垃圾后，能合力把这些垃圾击碎并运

50、到人体的肠道内。纳米机器人甚至可以用于外科手术，切割或缝合所需做手术的部位，由于它们可以直接利用人体活性物质到手术部位，手术之后可以达到没有疤痕的效果。c.我国在纳米机器人研究上的进展一台能够在纳米尺度上操作的机器人系统样机由中国科学院沈阳自动化所研制成功，并通过了国家“863”自动化领域智能机器人专家组的验收。 在一个演示中，沈阳自动化所的研究人员操纵“纳米微操作机器人”，在一块硅基片上10×10的区域上清晰刻出“CHINA 863”，代表我国“863计划”；另一个演示显示，在一个×的硅基片上，操作者将一个长、100（纳米）粗细的碳纳米管准确移动到一个刻好的沟槽里。 据介

51、绍，由重庆科研人员开发的这种名为“OMOM胶囊内镜系统”的纳米机器人医生已经是第二次被列入国家“863计划”，前一次获得了该计划500万元基金支持，并于2004年获得“863计划”专家组验收，但这种机器人目前还只能钻进人的肚子里通过传输图像“瞧病”，还没有治病的本事。11、 纳米安全性与标准（1）标准物质、样品（2）纳米技术标准（3）纳米安全性标准：A.纳米生物安全性纳米安全性问题是阻滞纳米技术发展的一个主要因素。这一问题得不到解决，纳米生物医药与技术永远占领不了医疗市场。两个途径解决这一问题：从询证医学角度证明纳米颗粒在体内浓度低于某一阈值时，对人体的危害程度是很小的；尝试消除残留在体内的纳

52、米颗粒，降解或重新聚集成大尺度物质后被清除。B.纳米环境安全性橙色制剂二噁英白色污染塑料人类似乎总是这样仓促地进步，然后带来无穷无尽的恶果！纳米污染纳米安全性研究的同时，关注对进入环境中的纳米材料进行污染治理，给纳米一个合理的归宿，有始有终。“纳米技术成为人类第一个在其可能产生负面效应之前就已经过认真研究，引起广泛重视，并最终能安全造福人类的新技术。12、 分子探针设计磁共振分子影像技术主要可分为两类：以非水分子为成像对象的分子影像技术：主要是指化学位移成像. 可选择核磁共振可见的生物体内固有的或外源性的、与体内某一特定分子过程有关的化合物或代谢物作为分子探针, 直接通过化学位移成像的方法来测

53、定其在体内的分布。以水分子为成像对象的分子影像技术：主要指MRI，是用常规的以水分子中质子为成像对象的成像方法来间接地表征体内某一特定的分子过程。一般需要一种生物体内固有的或外源性的分子探针。分子探针双重作用第一, 它要作为一种分子探针, 与生物体内某一特定的分子过程相联系; 第二, 它要能作为一种核磁共振成像的造影剂, 通过某种机理改变水分子像的对比度(contrast) , 并且由分子探针造成的水分子像对比度的改变要与其相关联的生物体内的分子过程有关. 分子/纳米探针设计思路：生物相容性；到达生物体内目标器官的途径：血脑屏障、细胞膜；在体内的代谢过程：活性、半衰期；对特定生物过程的特异性；

54、检测灵敏度；本底信号。13、 金纳米颗粒优势金纳米颗粒尺寸小，有独特的光学特性，易于表面修饰，有良好的表面性能，有良好的生物相容性，同时可以有足够的量穿过细胞。14、香山科学会议第293次学术讨论会综述 为了进一步探索纳米科学技术与生物学和医学的结合，使研究人员们在纳米生物学和纳米医学刚刚起步时就能找到好的切入点，香山科学会议于日前召开了主题为“纳米医药和纳米生物学前沿”的第293次学术讨论会。会议由科技部基础司张先恩研究员、中国科学院白春礼研究员、JohnsHopkinsUniversity的魏启明教授和东南大学顾宁教授担任执行主席，有关高校、研究所、医院等30多个单位的40多位中

55、外专家参加了此次研讨会。 张先恩研究员作了题为纳米生物机器的主题评述报告。他以ATP酶分子马达、核糖体合成蛋白质时的运动和细菌鞭毛的运动为例，向与会者展示了自然界生物机器的精妙，提出生物纳米机器的一系列特点，包括：有机组成、自组装、自指导、化学耗能、高精度、高效率、柔性等。研究生物纳米机器有三个意义：探索生物体奥秘，开发生物纳米机器和推进仿生学。然而，任何一种生物纳米机器的研制都需要有长期的思想准备，更需要理论、材料、物理、化学、电子、生物、医药、临床医学等各领域的研究人员协作。他还就Nanomedicine的翻译提出建议，他认为应该翻译成“纳米医学”，而不是“纳米医药”。中科院力学

56、所靳刚研究员在发言中讨论了分子组装在实用化生物技术中的功能和作用，以及达到改善技术性能和技术提升的作用。有效的分子组装技术不仅可以用来构建纳米生物机器，而且能够达到提升传统生物技术性能的作用，使之获得应用。 魏启明教授作了题为纳米医学新技术与临床应用的主题评述报告，介绍了国际上，特别是美国在纳米生物医学研究方面的新进展，主要分以下几个方面，细胞和分子水平的基础纳米医学，临床的治疗纳米医学，细胞、组织、器官水平的诊断纳米医学，细胞和动物水平的实验纳米医学，工程纳米医学，纳米毒性和安全性的环境纳米医学，基因检测和基因传递的基因纳米医学，纳米医学中的肿瘤学早期诊断(early diagno

57、sis)(early diagnosis)和治疗，药物输送的药物纳米医学，纳米医学的商品化和政策等方面。由于美国成立了由8个大学组成的纳米医学研发中心合作网络，充分发挥了现有研究机构各自的研究基础和研究设施优势，推动了纳米医学的发展。美国还成立了纳米医学科学院，并创办了纳米医学杂志（theJournalofNanomedicine）以推动纳米医学快速而稳定的发展。 会议围绕纳米医学前沿及关键问题、纳米药物及其药理学、生物传感与医学示踪、纳米技术的生物效应及安全性四个中心议题展开交流与讨论。 纳米医学前沿及关键问题 纳米医学涉及基础的纳米技术、分子生物学、临床医学等

58、很多领域，目前对疾病诊断、预防和治疗的实际需求对于纳米技术提出了要求，纳米技术经过十几年的发展已经有了很好的基础，对获得更先进的药物传输系统和早期检测与诊断技术至关重要，而纳米技术能否在生物医学领域发挥更大的作用，需要来自生物学和临床医学领域的具体目标的牵引，以及各领域的深入合作，从而互相促进。 关于“纳米医学发展的NIH路线图”的报告介绍说，NIH路线图的目标是在活体和纳米尺度控制和操纵生物学，可以分为以下三步：定量地表征细胞中的纳米机器和生物分子的物理和化学性质；理解活体细胞的工程原理来创造分子、细胞和组织等；利用这种性质和设计原理开发新的技术、器件和复合结构，从而进行组织修复，疾病的控制和治疗。美国针对威胁人类健康的肿瘤疾病成立了肿瘤研究的纳米技术联盟，其纳米技术表征实验室作为一个平台对联盟的成员开放，针对肿瘤的早期诊断(early diagnosis)(early diagnosis)、实时有效评估、多渠道治疗方法、分子改变监测、症候管理和靶向治疗等方面展开合作研究。 纳米技术对医学发展具有重要的推动作用，疾病诊断、预防和治疗的实际需求对纳米技术提出了获得更先进的药物传输系统和早期检测与诊断技术的期望，如早期诊断(early diagnosis)(early diagnosis)和预警、代谢产物中的生物标志物的发现