纳米在生物医学上应用课件

1、纳米技术在生物和医学上的应用 姚 忠 祥组胚教研室科学意义纳米计算电路被Science列为2001年全球科学十大进展之首。分子电子学的发展取得了重大的跃进，这要归功于将微小的晶体管、导线和开关连接在一起，首次构成了能够执行基本计算操作的电路。这项技术为将来能实现即时翻译、破解气候变化之谜、以及“能引发未来几十年中科学突破”的微型计算机铺平了道路。纳米是什么？ “纳米”是英文namometer的译名，是一种度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即1毫微米(micromillimeter )，约相当于45个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。纳米技术（纳米科技nanote

2、chnology） 纳米技术是指在0.1100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项新技术。在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。纳米技术的三种概念 1986年美国科学家德雷克斯勒博士在创造的机器一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以任意组合所有种

3、类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术未取得重大进展。 把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。（现有技术发展下去，从理论上讲终将会达到限度。）从生物的角度提出。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。 纳米材料(nano material)纳米材料是指其晶粒大小介于1100nm 范围之间。其尺寸已接近光的波长，加上具有大表面的特殊效应，因此所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。纳米材料由纳米粒子组成。纳米材料可划分为三大类： 一是一维的纳米粒子 二是二维的

4、纳米固体（包括薄膜和涂层、管、线）三是三维的纳米体材（包括介孔材料）纳米粒子(nano particle)纳米粒子是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 纳米材料的奇异特性当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为。纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子以吸附键结合，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 表面效应 ：随着颗粒直径

5、变小，比表面积将会显著增大 。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。（1） 特殊的光学性质 当金属被细分到小于光波波长的尺寸时，将与入射光产生复杂的交互作用。 金属在适当的蒸发沉积条件下，可得

6、到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑，即失去了原有的光泽而呈黑色。 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l，大约几微米的厚度就能完全消光。这与金属在真空镀膜时形成高反射率光泽面强烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。（2） 特殊的热学性质 就熔点来说，大尺寸的固态物质，其熔点是固定的， 纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，

7、当小于10纳米级时尤为显著。同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。（3） 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。（4）特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为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，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。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。其它特性宏观量子隧道效应 ：当热能、电

8、场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，这就是量子尺寸效应的宏观表现。电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子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。 其它：纳米材料具有与传统材料明显不同的一些特征。例如，纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍；气体通过纳米材料的扩散速度比通过一般材料的扩散速度快几千倍等；纳米相的铜比普通的铜坚固5倍，而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大；纳米陶瓷材料具有塑性或称为超塑性等。几种典型的纳米材料 纳米固

9、体材料(nanometer sized materials)：任何金属颗粒，当其尺寸在纳米量级时都呈黑色。效应颜料精细陶瓷材料 磁性材料 传感材料 材料的烧结 能源与环保 微器件 光电材料与光学材料增强材料 催化剂 ：表面积大、表面活性中心多印刷油墨医学与生物工程中的纳米粒子防护材料，透明性好和具有优异的紫外线屏蔽作用 ，被广泛用于护肤产品等方面 如构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体。其粒度在1520nm之间生物体内的多种病毒也是纳米粒子用纳米Si02微粒可进行细胞分离用纳米金粒子进行病变定位治疗，减少副作用研究纳米生物学可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信

10、息，特别是细胞内的各种信息，纳米机器人，注入人体血管内，对人体进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物。甚至还能吞噬病毒、杀死癌细胞等。纳米医学 纳米医学是在分子水平上，利用分子工具和人体的分子知识，所从事的诊断、医疗、预防疾病、防止外伤、止痛、保健和改善健康状况等科学技术，广义地讲都属于纳米医学的范畴。换句话讲，人们将从分子水平上认识自己，创造并利用纳米装置和纳米结构来防病治病，改善人类的整个生命系统。例如：修复畸变的基因、扼杀刚刚萌芽的癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒，并在它们致病前就消灭它们；探测机体内化学或生物化学成分的变化，适时地释放药物和人体所需的微量物质，及时

11、改善人的健康状况。 智能药物 这是纳米医学中的一个非常活跃的领域，适时准确地释放药物是它的基本功能之一。科学家正在为糖尿病人研制超小型的、模仿健康人体内的葡萄糖检测系统。它能够被植入皮下，监测血糖水平，在必要的时候释放出胰岛素，使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。微型药房 ：微型芯片 +“智能化”的传感器，使它可以适时和适量地释放药物。 纳米“智能炸弹”，它可以识别出癌细胞的化学特征 ，能够进入并摧毁单个的癌细胞。 纳米药物输运 ：有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题。纳米技术可将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，同时不溶的药物被悬浮在含稳定剂和赋形剂的悬浮液中，这些赋形剂在胃肠道中起表

12、面活性剂的作用，也提高了纳米药物颗粒的溶解率，提高难溶性药物的药效 。 利用纳米技术能够把新型基因材料输送到已经存在的DNA里，而不会引起任何免疫反应。树形聚合物(dendrimers) 就是提供此类输送的良好候选材料。它是非生物材料，不会诱发病人的免疫反应，没有形成排异反应的危险，可以作为药物的纳米载体，携带药物分子进入人体的血液循环，使药物在无免疫排斥的条件下，发挥治病的效果。这种技术用于糖尿病和癌症治疗是很有希望的。 捕获病毒的纳米陷阱 ：人体细胞表面装备着含硅铝酸成分的“锁”，只准许持“钥匙”者进入。不幸的是，病毒竟然有硅铝酸受体“钥匙”。 Tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕

13、获病毒的纳米陷阱。把能够与病毒结合的硅铝酸位点覆盖在陷阱细胞(glycodendrimers)表面。当病毒结合到陷阱细胞表面，就无法再感染人体细胞了。陷阱细胞由外壳、内腔和核三部分组成。内腔可充填药物分子；将来有可能装上化疗药物，直接送到肿瘤上。陷阱细胞能够繁殖，生成不同的后代，个子较大的后代可能携带更多的药物。 纳米陷阱使用的是超小分子，能在病毒进入细胞前即与之结合，使病毒丧失致病的能力，如流感病毒、爱滋病病毒等。人工红血球 ：设想一种装备超小型纳米泵的人造红血球，携氧量是天然红血球的200倍以上。当人的心脏因意外突然停止跳动的时候，医生可以马上将大量的人造红血球注入人体，随即提供生命赖以生

14、存的氧，以维持整个机体的正常生理活动 。它可以应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等。 识别血液异常的生物芯片和生物芯片技术分子马达 ：分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。 分子马达包括线性和旋转式推进两大类。线性分子马达是将化学能转化为机械能，并沿着一条线性轨道运动的生物分子，主要包括肌球蛋白（myosin）、驱动蛋白（kinesin）、DNA解旋酶（DNA helicase）和RNA聚合酶(RNA p

15、olymerase)等。其中肌肉肌球蛋白是研究得较为深入的一种，它们以肌动蛋白（actin）为线性轨道，其运动过程与ATP水解相偶联。而驱动蛋白则以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。纳米探针 ：一种探测单个活细胞的纳米传感器，探头尺寸仅为纳米量级，当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。 纳米探针是一支直径50纳米，外面包银的光纤，并传导一束氦-镉激光。它的尖部贴有可识别和结合BPT的单克隆抗体。325纳米波长的激光将激发抗体和BPT所形成的分子复合物产生荧光。此荧光进入探针光纤后，由光探测器接收。 纳米生物材料：可分为两类，一种是适合于生物体

16、内应用的纳米材料，它本身即可以是具有生物活性的，也可以不具有生物活性，而仅仅易于被生物体接受，不引起不良反应。另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料，它们可能不再被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。 (1) 活的电线 :DNA几乎是构筑纳米尺度结构的理想材料 （2） 组织工程中的纳米生物材料 :羟基磷灰石/胶原复合物是良好的骨修复纳米生物材料 细胞分离 :胎儿细胞 ,癌症的早期诊断 -纳米SiO2微粒实现细胞分离的新技术 。优点：易形成密度梯度 ，易实现纳米粒子与细胞的分离 。细胞内部染色 :金纳米粒子抗体的复合体 ,分别与各种器官和骨骼系统相结合，就相当于给各种组织贴上了标签

17、。金纳米粒子抗体复合体在白光或单色光照射下就会呈现某种特定的颜色。 表面包敷的磁性纳米粒子在药物上的应用:载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子作为药物的载体，在外加磁场下通过纳米微粒的磁性导航，使其移向病变部位，达到定向治疗的目的。磁性纳米粒子在分离癌细胞和正常细胞方面经动物临床试验已获成功 纳米材料的制备方法 纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法 1物理方法1.1真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。1.2物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品

18、纯度低，颗粒分布不均匀。1.3机械球磨法 采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。 2化学方法2.1气相沉积法 利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。2.2沉淀法 把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。2.3 水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得到纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。2.4 溶胶凝胶法 金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其

19、特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和族化合物的制备。 2.5微乳液法 两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点：粒子的单分散和界面性好，族半导体纳米粒子多用此法制备。纳米科技前景的展望1材料和制备 2微电子和计算机技术 3环境和能源 4医学与健康 5生物技术 6航天和航空 7国家安全 医学与健康：纳米技术将给医学带来变革。纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米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，在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应，研究耐用的与人体友好的人工

20、组织、器官，疾病早期诊断的纳米传感器系统。生物技术：在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等，在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其他功能，生物仿生化学药品和生物可降解材料，动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等。 专抓癌变细胞的纳米摩托车斯图加特Max-Planck研究中心Abt.Gao博士正在研究的一种叫“纳米摩托车”的微型细胞，它可以像孙悟空一样，在人体细胞内自由活动，逮住有害或癌变细胞就可将其杀死。这种“纳米摩托车”其实是运用纳米技术制成的一种微小的细胞。“纳米摩托车”既要有汽油又要有发动机，这些都从哪来的？ “汽油就是ATP酶。发动机

21、就是细胞体。我们就要让它跑起来，去抓住有害或癌变细胞” 现在医生进行化疗时，一周之后病人便出现许多不良症状，比如头发掉光等。纳米技术可以克服这些副作用。肿瘤组织之间的间隙随温度增加而变大，这样就可以利用局部加温使得肿瘤间隙变大，药物轻松进入肿瘤细胞内部，摧毁肿瘤组织，而不伤害其他正常细胞。日本将利用纳米技术与生物技术结合开发人工红血球红血球直径仅为纳米，人工制造红血球，除了生物技术之外，还需要纳米微细加工技术。利用纳米技术与生物技术相结合的方法开发人工红血球，这对于弥补血液库存不足，防止输血感染有很大帮助。如果这一技术用于临床，将具有很好的市场前景。目前人们献出的血液有因超过周的保存期而作废，

22、而人工红血球保存期是天然红血球的倍以上，而且由于没有病毒也不存在血型匹配问题，不会出现输血病毒感染等问题。 中国纳米研究和应用亟待走出认知误区纳米是一个度量单位。纳米科学的内涵就是在纳米尺度下来认识世界、认识自然，进行知识创新、技术创新乃至于产品创新。一段时间以来，一些媒体和企业对纳米技术的宣传是片面的。尺度当然很重要，但更重要的是性能突变，是量变到质变。判断一个产品、一种材料关键是看性能的升级。如果用纳米技术提高了产品性能，那就体现了纳米技术的作用，如果性能没升级、没被市场接受，贴上再多纳米的标签也没有价值。现在传统产业应用纳米技术，应该在新产品中说清楚在什么地方采用了纳米技术，什么性能得到

23、了提高。 对“纳米”不正确的宣传危害性相当大，这涉及到人们对高科技发展的认知取向问题。片面的宣传容易造成人们对纳米技术的创新难度认识不足。前段时间国内有些媒体把纳米炒得很香，现在有的媒体又180度大转弯，说纳米都是假的，这种现象都表明认知上的不成熟。目前是纳米技术使生产方式变革的关键时期。微米技术发展很快接近极限了，纳米技术要全面取代微电子技术成为21世纪的主导技术，这是普遍的看法。任何主导技术都要经过孕育期、成熟期和衰落期。纳米技术正处于孕育期，作为主导技术还需要一个过程。纳米技术“无所不能” 走出“纳米热”的误区最近几年纳米技术不断取得新的突破，在一些国家出现了“纳米热”，但同时也产生了不

24、少误区。专家认为，只有走出“纳米热”的误区，才能使纳米技术健康发展，更好地推动社会进步和经济发展。 误区一：纳米标签到处贴 “纳米水”、“纳米冰箱”、“纳米鞋垫”、“纳米油”等等。纳米技术自世纪年代出现到现在仍处于初级研发阶段，距大规模应用还有较长的时间。误区二：纳米技术“无所不能” 尽管纳米技术在新材料技术、信息技术和生物技术等领域应用广泛，但它毕竟是科技的一个小分支，并不是无所不能的。“仅靠纳米技术不能解决所有问题，比如在材料应用领域，传统的材料象木材、石头、合金、钢材等等都是非常关键的。” 误区三：纳米技术纯属“炒作” 在由中国科学院院士和中国工程院院士评选的年世界十大科技进展中，纳米技

25、术就占了两项。在美国科学杂志评选出的年十大科技突破中，纳米技术的突破压倒风头正劲的人类基因组研究，荣登榜首。 收录的关于纳米研究论文的统计和分析，我国科学家在这一领域发表的论文数量仅次于美国和日本，居世界第三，论文数占总论文数的，其中在从事纳米技术研究与开发的个国家或地区的万千多个机构中，中国有个机构进入世界发表论文数量前名，其中中国科技大学居世界第二，以篇之差排在美国加利福尼亚大学伯克利分校之后。 美研究用纳米粒子直接净化水源随着全球工业化进程的加快，环境污染特别是有毒化学物质对水源地和地下水的污染已经开始影响到了人们的生活。美国宾夕法尼亚州伯利恒大学的环境工程师们选择了一片受污染的地区进行

26、试验，目的是用纳米技术直接净化受化学污染的地下水。研究人员将纳米粒子通过一根铁管直接灌到地下，这里面的纳米粒子比头发直径还要小1000倍，在地下纳米粒子一分钟内就会迅速渗入水和土壤中，中和其中有毒的氯元素和工业溶剂，使有毒的化学品转为无害的氯化物。目前传统的净化水源方法一般都是将地下水用水泵吸出来后再进行净化处理，然后再把干净的水输入民用管道，这样做不仅成本高，而且还有可能产生二次污染。而这种纳米粒子直接净化水源的方法一旦被证明是有效的，那么它所需的净化费用只是传统方法的1/4。研究人员同时表示，纳米粒子的净化作用还能用于预防生物化学恐怖袭击，例如纳米粒子可以抑制氰氧化物的活性科学家预言纳米技

27、术对人类的影响有可能超过电脑 把装有飞机驾驶程序的纳米芯片植入人体体内，通过细胞接受信息，不用培训你就能驾驶飞机。人类文明发展有三大发现：信息、能源和材料，而不管有多少信息和能源，材料都是必需品。 纳米技术在信息材料、生物材料、能源材料三个领域都能有所作为。纳米管是一个真空管，10纳米左右(1纳米为1亿分之一米)，它可用于连接超导体，使其在低温下工作时电阻为0,还可用作获取、加工和储存信息的材料；在生命科学上，可以设法用纳米管代替体内的管状器官，细胞坏死可以用新的人造替代细胞，同时，纳米技术也是解决能源危机的一条途径。 不怕子弹、可以“隐形” 美军打算研制超级装备美军决定投资5000万美元在麻

28、省理工学院建立一个名叫“军事纳米技术研究所”的机构，以便为其提供更先进的作战装备，让美国兵具有轻松跨越高墙、迅速自我疗伤、不怕普通子弹、甚至在敌人面前“隐形”的能力。此外，这种军服不但可以抵挡子弹袭击，甚至还可用作进攻武器，而配有内部动力的鞋则更能让士兵“登高爬低，如履平地”。 军事纳米技术研究所所长托马斯教授介绍，根据美军研究计划，这些新装备为士兵提供了有效的保护措施。美军因此在未来战场上有可能象机器人一样“刀枪不入”。他说，这些似乎无法战胜的军人对敌方产生了巨大的心理压力，有可能达到“不战而屈人之兵”的效果。 法、丹设计出纳米“模具”分子法国与丹麦合作，联合设计出一种能在铜表面自动聚集原子

29、线功能的纳米“模具”分子，科学家认为，这个研究结果为未来单分子电路分子元器件的电子相互连接打开了一条通道。该结果已发表在美国科学杂志上。 该分子由法国科学家设计，类似一个具有4条腿的桌子，其“桌面”（平台）是距铜表面036纳米、由这4条腿支撑的一条分子线。将该分子放置到铜晶体表面后，丹麦科学家用既能提供分子表面图像、又能进行单个分子移动的隧道效应显微镜观察该分子行为，发现每个分子就像一个纳米“模具”，其侧面受4条腿限制不能扩展。在分子平台和铜表面形成的纳米分子穴会抓住铜表面位于平台下面的原子，当分子在铜表面移动时，身后就形成一条原子线。法国科学家从理论上详细描述了这些分子线形成的过程，有利于更好地理解原子线聚集