生物纳米材料研究报告进展与应用前景

1、个人资料整理 仅限学习使用*课程名称：生物纳M材料的研究进程与应用前景 姓名：杨红梅学号：2018013班级：材料1004班个人资料整理 仅限学习使用生物纳M材料的研究进程与应用前景摘要：21世纪，随着纳M技术的逐渐成熟，越来越多的纳M材料也渐渐出现在人们的生活中。纳 M技术结合生物技术研发生物纳M材料，目前已涉及到多种不同的领域，并得到较大发展，如：医用领域、仿生领域等。对于这样一种带有 生物与纳M特征的材料的研究，还具有更大的应用空间。本文就生物纳 M材料 近年的研究、开发及应用做了一定的阐述，同时结合时代的发展探讨了生物纳M材料的应用前景。Abstract:In twenty-first

2、 Century,with the development of nanotechnology maturing gradually, more and more nanometer materials has gradually appeared in peoples life. Nanotechnology that combined biological technology researched the bios-nanometer materials, which has been involved in many different fieldsand have achieved

3、great development, such as medical field ,bionic fieldand so on.For the research of material with characteristicof biology andnanometer,it has much wider applications. The article expounds the research, development and application of bios-nanometer materials that arose in recent years, and probes in

4、to the application prospect of bios-nanometer materialswith the development of the times.关键词：生物纳M材料、研究进展、应用前景Key words:bios-nanometer materials research progress application prospect前言：随着人们对生命领域的认识不断加深，可以发现很多生物现象其实都发生在 纳M水平，很多分子生物系统本身就是一些相对完美的纳M机器。在自然界，天然生物纳M材料其实早就存在，自然界的蛋白质就有许多纳M微孔，人类及兽类的牙齿也是由纳M级有机

5、物质所构成，其中核酸与蛋白质是执行生命功能的 重要纳M成分，这些成分相互作用编制了一个复杂而完美的生物世界。对于现在 这样一个生物工程发展的时代，生物纳 M技术的发展已经迫在眉睫。模仿生物系 统的能力来转化和传输能量、合成专用有机化学品、生物生物质、储存信息、识 别、感觉、信号发送、运动、自组装和复制代表着未来的巨大挑战，将纳 M技术 和生物技术相结合的生物纳 M技术不仅对探索生命本质具有重大科学意义，而且 在很多领域具有重要的应用价值。1这就需要人们对生物纳 M技术不断研究与开 发，提高对生物纳M材料的认识，让其在人们生活中发挥更大的作用。正文：一、生物纳M材料概述生物纳M材料的起源生物纳M

6、材料很大程度是受到生物矿化的启发。生物矿化，从理论上来说是指 在生物体内形成矿物质的过程。它通过有机大分子和无机物离子在界面处的相互个人资料整理 仅限学习使用作用，从分子水平控制无机物的析出，从而使生物矿化具有特殊的多级结构和组 装方式。在此之中，由细胞分泌的自组装的有机物对无机物的形成起模板作用， 使无机矿物具有一定的形状、尺寸、取向和结构。1正是因为生物矿化的这些特性，才成为了人类研究生物纳 M材料的有效手段。生物纳M材料的定义生物纳M材料是指用于对生物材料进行诊断、治疗、修复或替换其病损组 织、器官或增进其功能的新型高技术纳M材料，是具有纳M量级的超微粒构成的固体物质，它具有稳定的物理化

7、学性质，较高的物理强度，较好扩散和渗透能 力、吸附能力和化学活性，以及良好生物降解性等特点。2生物纳M材料的分类生物纳M材料有很多种，对此可进行不同的分类。过去人们按材料组成的不 同可分为高分子纳 M生物材料、无机纳 M生物材料、金属纳 M生物材料和纳M 生物复合材料。若按用途来分，可分为两类：一类是利用生物分子的特性而发展 的新型纳M材料，它们可能不再被用于生物体、而被用于其他纳M技术或微制造；一类则是适合于生物体内应用的纳 M材料，它本身既可以具有生物活性，也 可以不具有生物活性，而仅仅易于被生物体接受，且不引起不良反应，对于这类 纳M材料主要有高分子纳 M微粒、无机纳M微粒及具有特异识别

8、、定向诱导功 能的组织工程纳M结构生物材料等等。1而在现在的21世纪，人们已重新从功能上对生物纳 M材料进行了分类，其 中有组织工程与再生医学材料、高性能生物诊断纳M材料、生物相容性界面材料，以及智能纳M药物基因传递材料，这些对于 21世纪来说将会是核心材料。3 1.4生物纳M技术国内外现状近年来，材料科学与生物学之间的交叉领域已成为新的研究前沿。目前，生 物纳M技术是国际生物技术领域的最前沿的研发热点，并且有美国、日本、德国 等发达国家已将生物纳M技术列入其国家重点发展领域。尤其在生物医用领域， 生物纳M技术迅速发展，国际上的生物纳 M技术以研究疾病的早期诊断和提高 疗效为目标，主要涉及生物

9、纳 M材料、药物和转基因纳 M载体、纳M生物相容 性人工器官、生物纳 M传感器和成像技术、利用扫描探针显微镜分析蛋白质和 DNA的结构和功能等重要领域。对于这些技术的发展，不仅得到科研机构的支 持，政府也从战略上高度重视，并投入大量资金，关注着生物纳M技术的发展。目前，美国在纳 M结构组装体系、高比表面积纳 M颗粒制备与合成，以及 纳M生物学方面处于领先地位。他们将生物医药列为突破重点，如疾病早期检测 和治疗、纳M药物运输、纳M仿生、人机通讯中的纳 M技术等。此外，他们还 用碳纳M管做成人工耳蜗式的听诊器、应用于组织工程的多肽分子自发组装形成 的三维网状纳M纤维、单DNA分子马达、羟基磷石灰人

10、工骨表面合成肽等。个人资料整理 仅限学习使用事实上，日本世界上比较早就制定纳 M科技计划的国家，是利用纳 M技术 发展微型机电系统的最大投资国，他们所实施的纳M科技综合支援计划”，就希望通过最大限度地发挥各科研机关的潜在能力，促进纳M技术的研究发展，在医学领域得到更大的发展。对于中国在生物纳 M技术这块的研究，在时间上可以说几乎是与国外同步 的。在1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出中国”两个字，这两个字还出现在了学生的课本上。它的成功标志着中国开始在在国际 纳M科技领域的一大进步。近几年，中国在生物纳 M技术方面发展的重点内容 为：用于治疗恶性月中瘤的纳 M靶向药物

11、载体、医用生物纳 M材料、纳M肥料和 农药等。4各国不管做着什么样的生物纳 M研究，总之都是为了人类未来幸福生活而做 着不懈的努力，由此可见对于生物纳 M材料进行研究的重要性。二、生物纳M材料的研究进展生物纳M材料在医用领域的研究近年来，经过人们不懈的努力，终于在生物纳 M材料研究方面取得了一定的进 展，在各个领域都得到了重视，尤其在医用领域，生物纳 M材料对医学的影响具 有深远的意义。纳M载体1）纳M药物载体在医学上，医生们不免会用到纳 M载体来运输药物，这给患者带来了很多的福 音。它可以解决口服易水解药物给药途径中存在的问题，是原本只能注射的药物 可以直接口服而不破坏疗效，大大简化用药途径

12、，而且，它还可以延长药物的体 内半衰期，解决因药物半衰期短而需每天重复给药多次的麻烦，并可解决需长期 乃至终生用药治疗的高血压、冠心病等的用药问题，同时减少药物不良反应。纳M粒作为药物载体主要有以下一些优点：载药纳M粒作为异物可被巨噬细胞吞噬，到达网状内皮系统分布集中的肝、脾、肺、骨髓、淋巴等靶部位，以 及连接有配基、抗体、酶底物所在的靶部位。到达靶部位的载药纳M粒，可对载体材料的种类或配进行调整，控制释药速度。由于纳M组装体的小尺寸易于跨越各层次的生物屏障，高表面积易于通过各种物理、化学和组装的方式制备生 物缔合的纳M微粒，提高了药物口服吸收的生物利用度，实现了细胞和亚细胞层 次的给药和治疗

13、。防止药物在胃呈酸性条件下水解，并能大大降低药物与胃蛋 白酶等消化酶接触的机会，从而提高药物在胃肠道中的稳定性。改变膜运转机 制，增加药物对生物膜的透过性，有利于药物透皮吸收与细胞内药效发挥。载体 分子对环境敏感因素的引入则可以为实现人为或生物环境控释的材料提供可能。5个人资料整理 仅限学习使用对于近年出现的纳 M智能药物载体，它用数层纳 M粒子包裹的智能药物进 入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。这对于纳M药物载体来说又是一大进步，使其在癌症治疗、疫苗辅剂、细胞内靶向给药、口服用药、眼科用 药等方面具有更大的应用价值。(2)纳M基因载体目前，世界上的多数人群都患有基因遗传病，对于他

14、们来说，遗传病能得到有 效治疗是理想的。而此时在医学上的基因疗法对遗传病、月中瘤等多种疾病的治疗 作用已取得很大进展。其中，基因载体成了关键因素。理想的基因载体应具有高 效、稳定、无毒、靶向性好、容易控制等特点。基因导入载体分为病毒型和非病 毒型两种，其中纳M基因载体则属于非病毒型基因导入载体的一类，它无具有免 疫原性、低毒、装在容量大、且制备容易等特点。曾经中南大学医学遗传学国家 重点实验室薛志刚等研究设计和使用了一定浓度的硅纳M颗粒，并通过用NaI、NCl修饰后与绿色荧光蛋白基因GFP)质粒DNA复合，在保持 DNA完整的情 况下，制成DNA硅纳M颗粒复合体转染细胞，复合体吸附在细胞膜上并

15、进入细 胞内，从而增加了进入细胞内DNA的量，提高了基因转染的效率 转染率达50%),同时转染的 GFP基因能有效地表达。近年来用纳 M颗粒作为反义寡核 甘酸载体的研究也相当多。反义寡核甘酸与纳M颗粒结合后，可以不受酶的破坏，增加对细胞的通透性，并明显改变体内的分布特征，是在肝脏和肺的分布增 力口。6在基因载体发展的近几年，高分子聚合物与 DNA形成的纳M基因导入载体 系统，由于具有安全、低毒、制备容易等优点而引起越来越多的关注，同时在改 善其低转导效率和体内稳定性等问题方面也取得了重大进展。在以后的未来，相 信人们对非病毒型纳M载体的认识和研究会更加深入，结合病毒型载体，研发出 更优异的基因

16、载体。纳M生物器件1)纳M生物传感器目前，对于疾病的检测大都采用纳 M生物传感器，它是一种探测单个活细胞 的传感器，探头尺寸仅为纳 M量级，当它插入活细胞时，可探知会导致月中瘤的早 期DNA损伤。在这个传感器上装配所要探测的特制DNA序列，在此，DNA链是可以导电的，杂交的 DNA所引起的删除或变化，均起阻碍电流的作用，通过 测量电导的变化可以识别 DNA的异常状态。除此之外，纳 M生物传感器还可以 探测基因表达和靶细胞的蛋白质生成用于筛选微量药物，以确定哪种药物能够最 有效地阻止细胞内致病蛋白的活动。对于生物传感器来说，就是使待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分 子识别发生生物学反应，产

17、生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定个人资料整理 仅限学习使用量和可处理的电信号，在经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。在生物 传感器飞速发展的时代，各种各样的传感器也相应的出现，包括通过细胞色素c和荧光标记的细胞色素c的荧光检测来检验氮氧化合物的纳 M生物传感器，还有 以酶为基础的用到谷氨酸的纳 M生物传感器，当谷氨酸结合在脱氢酶上，DNA还原为NADH ,而NADH的荧光可以被测量。这样的生物传感器为神经生物学 研究提供了一种有力的工具，因为谷氨酰胺是中枢神经系统的一种重要的神经递 质，通过检测单个细胞产生谷氨酰胺的浓度就有可能使人们更好地理解人体内感 觉传递的机制。相对来

18、说，纳M传感器比用荧光染料预处理再检测的常规方法在测定亚细胞 水平的化学物质方面更加可靠，而且在细胞中利用纳M传感器不需任何细胞用指示染料便可以测定任意特定区域。它的发展在传统检测技术中有着不可比拟的优 越性。72）纳M生物计算机计算机在人们生活中必不可少，具有重要的地位，将计算机与纳M生物结合起来，人们研究出了纳 M生物计算机，目前已是纳 M生物学的一个重要的研究领 域，它的主要目标就是要寻找或创造一些特定的生物分子，并期待这些生物分子 能够更加快速地完成计算机的基本运算和存储功能，以代替目前的半导体计算中 央处理器CPU）和存储器。目前，大多数纳 M生物计算机都是以蛋白质分子为 材料，不仅

19、体积小、质量轻、能耗小，环境适应性强，而且运算速度和信息储存 能力比现有的计算机要高出数亿倍，同时还具有和人脑一样非常优越的分析、判 断、联想、记忆等智能。很多国家都已经纳M生物计算机的研究有了很大的进展，而且很多科学家也在利用遗传物质 DNA研制具有全新概念的DNA生物计算 机，这都是人们未来大力发展的领域，成为人工智能的重大突破。2纳M中药中国人传统的治病，就是寻求中医，常常会用到中药，而随着纳M技术的发展，也渐渐出现了纳 M中药，同传统中药相比，它具有以下一些特点 ：生物 利用度将提高；靶向性增强；具有缓释功能；不仅可以增强原有的功效， 还可以增加新的功效；提升了传统给药途径；提高了与人

20、体蛋白的相互作用 性；对于纳M中药的研究，还有很多问题需要去解决，应致力于纳 M药物基础 理论及纳M中药制备技术的研究，不断发现其新的功能和药效，为人类的治病之 路多出一条通道。9生物纳M仿生智能材料近年来，随着智能材料体系的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽，仿生技术与纳 M技术渐渐紧密结合。生物纳 M仿生智能材料的出现，将认识自然、模仿自然、 超越自然有机结合，将结构及功能的协同互补有机结合，对于它的研究主要集中个人资料整理 仅限学习使用在力学形变、微结构与功能方面，阐明了生物纳M材料的生化过程、力学形变与运动规律有助于生物仿生材料的设计与制造。7对于这方面的研究早已有了很大的进展。在2004年6

21、月，研究人员就用硅材料模仿奥秘亚棕蝇的耳膜，制造出了 适用于超声波频段的耳膜原型，并研发了一种能辨别方向的新型助听器，它大大 改善了助听器的使用效果。这里介绍几种生物纳M仿生材料研究出的结果：1、壁虎：研究人员发现壁虎的脚具有特殊的粘附力，是因为壁虎的脚底有大量的细毛与物体表面分子之间产生的 范德华力”累积而成的，而且它的脚还具有 抗灰尘能力的自清洁性。研究人员发现，模仿它 们的微观结构，就有可能研制出黏合力超强的新 型胶纸，具有异域被揭下、不对物体表面造成损 伤、可反复使用等优点。最近，研究小组还利用 模板覆盖法制备了阵列聚苯乙烯 PS）纳M管 膜，水滴在这种膜表面具有很大的黏附力，即使 倒

22、置或翻转表面水滴也不会滚落。2、荷叶效应：荷叶表面的自清洁特征是由粗 图1）壁虎的脚糙表面上微M结构的乳突以及表面疏水的蜡状物的存在共同引起的。研究人员根据荷叶的这种特性制备了具有类荷叶结构及单纯具有纳M结构的阵列碳纳M管胃2的！滞时涿物际3磷MBACNT）薄膜，同时也有研究人员利用类似的方法复制荷叶表面得到了具有超疏 水性的聚二甲基硅氧烷PDMS）表面，这对人类研究仿生材料有了更大的进展。对于生物纳M仿生材料，不仅仅只有这些，还有更多模仿生物特异性能而做 出来的材料，实现了微观与宏观的统一，这对人类研究自然具有重大的意义。10三、生物纳M材料的应用前景随着生物纳M材料在人们生活中逐渐出现，生

23、物纳 M技术也出现了新一波个人资料整理 仅限学习使用的浪潮，美国、日本、中国等国家也相应在国家实验室、大学和公司设立了大量 的纳M技术研究机构，虽然生物纳 M技术的发展仍然集中在基础研究方面，但 显示出了其巨大的产业化潜力，具有相当大的市场潜力。人们还可以从事更多生 物纳M材料的研究，在单分子器件和纳 M线路、功能化基因筛选及分析等方面 取得更新的进展。在生物医学方面，虽然现在社会的医疗条件有所提高，但还有很多病症人类 无法解决，虽然有了生物纳 M材料的加入，但在人体内，它始终是异物，在体内 必定会产生某种应答或出现排异现象。对于这方面的研究，人们要想取得成功， 至少要使发生的反应被人体所接受

24、，不产生有害作用，并对人类的疾病起到治疗 的作用，这就需要人们对所研究的生物纳 M材料进行一定的安全评估。止匕外，对 于如何利用DNA来构建分子线路和分子器件以及找出快速、准确地对长片段 DNA上的突变进行检测的手段、如何获得很好的生物相容性来说仍是一个大的挑 战。在充分安全、有效进入临床应用前，如何得到更可靠的纳M载体，更准确的靶向物质，更有效的治疗药物，更灵敏、操作更方便的传感器，以及体内载体作 用机制的动态测试与分析方法等一系列问题仍有待于进一步得到解决。生物纳M技术的迅猛发展，与人类生活和健康息息相关，使人们对生物纳M材料的安全性进行评价的深入研究已经成为了当务之急。在仿生材料方面，2

25、006年2月，我国就公布了国家中长期科学与技术发展 规划纲要，其中 智能材料与结构技术”就被列为了新材料技术中的芍药发展方 向，可见，仿生材料在人类发展过程中的重要性，尤其是生物纳M仿生智能材料的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业以及 改造传统产业等方面产生深远影响。结合大自然的力量，充分利用自然生物的特 征，结合 七元协同纳M界面材料”，创造出更多的对人类有利的材料，如自愈、 生物活性剂、腐蚀抑制等材料，尽管目前已有了许多仿生材料，但相信经过研究 者对微阵列的精心设计，努力研究，扩大研究范围，终会研究出更多新型的生物 纳M仿生智能材料，给人类创造出一个丰富多彩的功能材料世界。11结语：生物纳M技术的快速发展，印证了一个国家科学与技术的发展，印证了人类对 完美的追求。人们都陶醉在生物纳 M材料的许多新奇功能以及它将给人类带来美 好的这样一种状态中，但科技工作者的特殊职业敏感性促使他们冷静思考材料对 人类健康潜在的影响，面对一个一个来临的挑战，研究者们也始终没有放弃，他 们还在继续努力着。他们知道纳 M技术的最终目的还在于生物本身，用纳 M技 术制造功能性生物材料。