纳米科技概论(7-1)20140409(纳米生物医学)课件

1、纳米科学技术概论主讲教师：杨辉、郭兴忠纳米生物医学一、纳米生物医学基础二、纳米生物医用材料三、纳米生物传感器四、纳米药物载体五、生物计算机和分子机械（自学，布置课堂作业）六、生物芯片技术（自学，布置课堂作业）一、纳米生物医学基础（1）1、序言2、生物技术与纳米生物学3、DNA技术与纳米医学一、纳米生物医学基础（2）1、序言1）、纳米生物医学的相关概念A、发展背景：纳米科技在医学领域的应用，出现了治疗疾病用纳米药物、修复组织器官与替换用的纳米生物材料，疾病检查与检测用的纳米诊断技术等，相关技术在医学领域产生了革命性的变化，催生了纳米生物医学的出现与发展。B、纳米医学概念：借助纳米科技开展疾病预防

2、、诊断、治疗以及康复等许多医（药）学研究和应用的学科。是运用纳米科技的理论和方法，在传统医学和现代医学的基础上，开展医学研究与实践的新兴边缘学科。广义地讲，是指在分子水平上，疾病预防、诊断、治疗、卫生保健和改善人体健康状况等的科学技术，都属于纳米医学的范畴。一、纳米生物医学基础（3）1、序言1）、纳米生物医学的相关概念C、纳米生物学概念：研究在纳米尺度上的生物结构与生物反应机理的学科，其中包括复制、修复和调控等许多方面的生物过程。研究对象是纳米尺度的生物大分子、细胞器等生物体的结构、功能以及动态生物过程。D、纳米医学与纳米生物学的关系：在纳米科技发展中，两者密不可分、彼此促进、协调发展。随着纳

3、米科技的渗透和发展，纳米医学与纳米生物学存在越来越大的共同区。一、纳米生物医学基础（5）1、序言2）、纳米生物医学的研究内容A、纳米尺度上获得生命信息：以生物大分子为研究对象：现代分子生物学以生物大分子为主体，并集中研究蛋白质和核酸分子这两类最重要的生物大分子的结构与功能物质上：是千差万别、多层次的生命现象中最本质的物质基础结构上：尺寸在纳米水平功能上：生命的能量代谢、物质代谢和其他生理过程的基本物质纳米研究手段的应用：传统研究：以SEM、TEM、XRD为基本手段；具有破坏性纳米研究：以STM、AFM、纳米传感器、荧光测量技术等为基本手段；不破坏被研究的对象，可在自然状态下进行利用STM技术：

4、获得细胞膜和细胞表面的结构信息，研究相关结构与环境变化、生物生理过程静态信息等利用AFM技术：全细胞的AFM成像利用纳米传感器：插入细胞中（不干扰细胞活动）获得动态化学信息一、纳米生物医学基础（6）1、序言2）、纳米生物医学的研究内容B、开发物质潜在的信息结构与计算能力：医学与生命信息的存储和处理能力的开发生物储存与处理技术：纳米科技将开发物质潜在的信息结构潜力，极大地提高单位体积物质储存和处理信息的能力生物计算机的开发：寻找或制造特定的生物分子，完成计算机的基本计算和储存功能纳米生物医学和纳米电子学结合起来开发生物大分子器件纳米生物医学与计算机芯片制造技术结合开发生物芯片技术一、纳米生物医学

5、基础（8）1、序言2）、纳米生物医学的研究内容C、开发纳米机器：人工合成的分子机器第一代：生物系统和机械系统的有机结合，如酶和纳米齿轮的结合体。可以注入人体血管内，进行全身健康检查、疏通血管中的血栓、清除血管脂肪沉淀物，吞噬病毒和杀死细胞等第二代：直接从原子、分子装配成有一定功能的纳米尺度的装配装置除了第一代的功能之外，可以从基因组中除掉有害的DNA，或者把正常的DNA“安装”到需要修补的基因中第三代：含有纳米计算机的、可以人机对话的、有自身修复能力的纳米机器人能够非常迅速地完成指定的任务自然界的生物分子“机器”在生命体中大量存在，如肌肉组织中的生物分子机器：将化学能/热能（无规则的热运动）转

6、化为动能（协调一致的肌肉运动）一、纳米生物医学基础（9）2、生物技术与纳米生物学1）分子生物学的研究现状和趋势A、随着蛋白质空间结构的X射线解析和DNA双螺旋的发现，开始了一个分 子生物学时代，分子生物学的诞生使传统生物学研究转变为现代实验科学。今天它仍然是生命科学的 主导力量。对遗传信息载体核酸和生命功能的执行者蛋白质的研究成了生命科学研究 的主要内容；B、分子生物学的飞速发展带动了生物学各分支学科向分子水平研究的深 入。一方面是在分子水平上对细胞活动、遗传、发育等各种生命现象进行解释。出现了分 子发育生物学、分子神经生物学等新兴学科。另一方面是把分子生物学研究手段推广到生 物学各分支学科，

7、尤其是一些宏观生物学学科如进化论、分类学、生态学，形成了分子进 化生物学、分子系统分类学和分子生态学等，用实验的方法研究传统的生物学问题，使微 观研究和宏观研究得到了紧密的结合。 一、纳米生物医学基础（10）2、生物技术与纳米生物学C、分子生物学的研究模式经典生物学研究以小型实验室和“单干”的研究模式为主。现在生物学界的研究模 式则出现了重要的变化。首先，是大规模的集约型研究的出现。随着人类基因组计划等“大 科学”的实施，世界各国建立了许多大型研究中心，如英国的Sanger中心，美国华盛顿大 学基因组测序中心、中国的国家人类基因组南方和北方研究中心。这些研究中心通常象一 个大企业，拥有大量的仪

8、器设备，如数十台甚至数百台DNA测序仪，针对一个特定的目标 进行研究。其次，由于研究内容的深入和研究范围的加大，多个实验室间的合作研究方式 已成为当前的主要潮流。在研究论文的署名中，共同第一作者、共同通讯作者等已越来越 常见。对于基因组研究和蛋白质组研究等“大科学”而言，大规模的跨单位、跨地区、跨 国家的联合研究已成为主要方式。甚至在细胞信号转导这类经典的“单干”领域，也出现 了由美国、加拿大和英国的52个实验室组成的“信号转导联军”（Alliance For Cellular Signaling），准备对G蛋白介导的和与其相关的细胞信号转导系统进行系统和全面的研 究。目前，这些新的研究模式已

9、成为推动生物学快速发展的主动力。D、自20世纪70年代开始生物技术在多个产业领域内得到快速应用一、纳米生物医学基础（12）3、DNA技术与纳米医学1）DNA分子结构与复制过程DNA的双螺旋结构的发现与观察：1953年，采用XRD等技术，生物化学家James Watson 和 Francis Crick首次发现了DNA（脱氧核糖核酸）的双螺旋结构，1962年获得诺贝尔奖。近年来，采用了STM和AFM直接观察DNA分子的双螺旋结构。直径为2纳米，螺距为3.4纳米，在纳米技术的尺度范围之内一、纳米生物医学基础（13）3、DNA技术与纳米医学1）DNA分子结构与复制过程DNA分子的结构模型与复制（P

10、.143 ，课堂自学）一、纳米生物医学基础（15）3、DNA分子与纳米医学2）人类基因组计划和应用计划完成简况2000年6月26日，美国总统克林顿和英国首相布莱尔宣布计划完成。人类基因概况：共有3.3万个左右基因，远小于预测的10万个左右的基因；比低等动物果蝇（1.36）仅多2万个左右的基因。意义：改变了人类对自身及生命现象的若干认识。疾病与基因并非“一一对应”，“蛋白质可能对生命特征起关键作用”计划成果的应用（P.145-P.146，课堂自学）促进了“蛋白质组学”的发展，2002年启动了“人类蛋白质组计划”，用15年时间完成人类约30万的蛋白质机能的解析任务。带动了相关基础学科和产业的飞速发

11、展。一、纳米生物医学基础（16）3、DNA分子与纳米医学3）纳米医学（P.146-P.150，课堂自学）A、纳米医学概念：借助纳米科技开展疾病预防、诊断、治疗以及康复等许多医（药）学研究和应用的学科。是运用纳米科技的理论和方法，在传统医学和现代医学的基础上，开展医学研究与实践的新兴边缘学科。广义地讲，是指在分子水平上，疾病预防、诊断、治疗、卫生保健和改善人体健康状况等的科学技术，都属于纳米医学的范畴。B、纳米医学可能突破的领域和意义P.147-P.150二、纳米生物医用材料（1）1、纳米生物医用材料的特征2、纳米生物医用材料的分类3、辅助性纳米医用材料4、功能性纳米医用材料二、纳米生物医用材料

12、（2）1、纳米生物医用材料的特征1）生物相容性：材料能够在生物体/人体中发挥其自身特性，并且与细胞、组织及生物体实现安全共存的性质。包括以下方面：对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变或者致癌作用；在体内不被排斥、无炎症、无慢性感染；不引起周围组织产生局部或者全身性反应；不引起细胞的反应，如无溶血、凝血反应等2）化学稳定性3）材料的生物活性二、纳米生物医用材料（3）醫療器材分類生物效應依與身體接觸性質依接觸時間A:短期(24h)B:長期(24h30天)A:永久(30天)細胞毒性致敏性刺激性或皮內反應全身性毒性(亞急性毒性)亞慢性毒性(亞急性毒性)基因毒性植入血液相容性分類接觸部位接觸體表之器

13、材 C C C 體外連通之器材非直接之血液路徑A B C 組織、骨頭、牙質A B C 循環血液A B C 植入器材組織、骨頭A B C 血液A B C 二、纳米生物医用材料（4）2、纳米生物医用材料的分类1）功能性的分类方法：辅助性材料功能性材料2）材料属性的分类方法：高分子材料有机分子材料无机金属材料无机非金属材料复合材料等3）材料用途的分类方法药物载体材料植入性生物材料检测检验材料等二、纳米生物医用材料（6）3、常用的辅助性纳米生物医用材料1）纳米高分子材料：介入性诊疗：纳米粒子比红血球（6-9微米）要小得多，可以在血液中自由运动注入各种对人体无害的纳米粒子，到达人体部位并进行病变检查和治

14、疗。应用举例：载有抗增生药物的乳酸共聚物纳米粒子经冠状动脉给药，可以有效地防止冠状动脉狭窄2）微乳液：材料特性：油、水、表面活性剂构成的透明液体，是一类含纳米粒子的匀质、热力学和动力学稳定的胶体分散体系应用领域：药物缓慢释放体系、生物工程上的细胞色素分离、生物酶催化有机合成等方面二、纳米生物医用材料（7）4、功能性纳米生物医用材料的分类1）细胞染色材料：作用原理：利用不同抗体对细胞或者组织的敏感程度和亲和立的不同材料体系：纳米粒子（纳米金）与预先精制的抗体或者单克隆抗体结合，构成多种纳米粒子/抗体复合物。与细胞/组织结合形成组合物，在光照下呈现颜色特征，相当于给细胞/组织贴上了“颜色标签”2）

15、细胞分离用纳米材料：作用原理：病毒尺寸在80-100纳米左右，细菌为数百纳米，细胞则更大，利用纳米复合粒子性能稳定、不与胶体溶液反应且容易实现与细胞分离的特点。三、纳米生物传感器（1）1、概述2、纳米技术在生物传感器中的应用3、纳米生物传感器举例三、纳米生物传感器（2）1、概论1）生物传感器简介：定义：由生物识别元件和一个移动的生物活性化合物（底物）连在一起，字适当的条件下反应，经信号转换器将反应过程或反应产物所产生的物理或化学信号转化为电信号，最后由电子放大设备输出。三、纳米生物传感器（3）1、概论2）生物传感器特点：多学科交叉：由生物、化学、物理 、医学、电子技术等多学科交叉的高新技术，技

16、术特点：选择性好，灵敏度高、分析速度快，成本低、可实现复杂体系中的在线连续检测应用领域：已经在生物工程、医疗和临床、环境检测等领域获得应用，前景十分广阔。3）发展简介：第一阶段：固定了生物成分的非活性基质膜（透析膜或反应膜）和电化学电极构成第二阶段：生物成分直接吸附或者共价结合到转换器的表面，不需要非活性的基质膜第三阶段：生物成分直接固定在电子元件上，可以直接感知和放大界面物质的变化，从而把生物识别和信号的转换处理结合在一起。三、纳米生物传感器（4）2、纳米技术在生物传感器中的应用1）纳米颗粒在生物传感器中的应用：固定化酶引入纳米颗粒后能够增强酶的催化活性，提高电极的响应电流胶体金可用于生物分

17、子的标记，实现信号的放大，广泛地应用TEM、SEM表征纳米颗粒也可以用来定位肿瘤纳米微管用于固定生物分子纳米多孔硅：表面固定抗体或者DNA等敏感分子，通过检测光干涉和折射率的变化，从而构建了一种新型的免疫标记生物传感器。2）分子自组装膜在生物传感器中的应用：自SAM作为贵金属表面和气-液之间的一种自组装界面膜以来，SAM表现出非常优良的识别特点，分为三种识别机制电化学传感器：电活性的SAM作为电子通道。等离子体共振生物传感器：检测金属表面覆盖的单分子膜厚度的变化，可用于检测大的生物分子石英晶体微天平：研究单分子层信息、酶的固定、小分子有机物的选择性响应等。三、纳米生物传感器（5）3、纳米生物传

18、感器举例1）光纤纳米生物传感器：A、作用原理：分子识别元件与底物（被检测物）特异结合后，能产生可以输出的特征光学信号（荧光，颜色变化等）B、特点：检测灵敏度高、抗干扰性强C、传感器分类：a)：光纤纳米荧光生物传感器利用一些蛋白质类生物物质自身可以发荧光，获得将那些本身不能发荧光的生物物质，通过标记或者修饰使其发荧光根据上述原理，设计出可将感受的生物物质的量转换成输出信号的荧光生物传感器。b)：光纤纳米免疫传感器将光学技术应用与免疫法，利用抗原抗体特异性结合的特性，将感受到的抗原量或者抗体量转换成光学输出信号的传感器。集中了传统的免疫测试法与光学、生物传感的技术优点，具有很高的特异性、敏感性和稳

19、定性。三、纳米生物传感器（6）3、纳米生物传感器举例1）光纤纳米生物传感器：C、传感器分类：c)：无转换器的细胞内生物传感器将能固定与微小载体上的纳米敏感材料注入细胞内，与待测生物标志物结合时发出荧光，并在细胞外精密测光的一类新型传感器。d)：分子信标生物传感器将一短的核苷酸序列端点标记可发荧光的试剂，当此结构与配对的短核苷酸序列结合时，能量转移而产生特征光学信号。DNA光纤生物传感器：通过光纤检测杂交分子中探针标记物经过生化反应产生的特征光学信号，确定杂交分子的基因量。特点：信号选择性强，易于排除杂交过程中非特异性吸附的干扰，测定准确；比采用放射性同位素标记要安全，可靠。不足：发光信号较弱，

20、检测灵敏度不高，需要进一步提高。三、纳米生物传感器（7）3、纳米生物传感器举例2）DNA生物传感器：A、作用原理：在换能器上固化一条单链DNA，通过DNA分子杂交，对另一条含有互补碱基序列的DNA进行识别，结合成双链DNA，通过声、光、电不同信号的转换，对目的基因进行检测。B、特点：简易、快速、价廉等特点。广泛应用于基因序列分子、基因突变、基因检测和诊断；DNA与药物、蛋白质分子间的相互作用。C、传感器分类：a)：电化学DNA生物传感器利用单链DNA作为敏感元件，通过共价键合或化学吸附固定在固体电极表面，加上识别杂交信息的电活性指示剂（称为杂交指示剂），共同构成的检测特定基因的一种装置。三、纳

21、米生物传感器（8）3、纳米生物传感器举例2）DNA生物传感器：C、传感器分类：b)：光学DNA生物传感器利用石英光纤为传感基体，由固定有已知的核苷酸序列的单链DNA探针的电极（探头）和换能器组成的一类传感器。检测步骤：光纤表面的功能化，通过化学反应使光纤表面适合于连接敏感膜材料；载体膜与DNA探针的固定；DNA探针活化与平衡；杂交与检测；敏感膜的再生：利用化学试剂或升高温度，使光纤表面已杂交的双链DNA分子变性解旋，恢复为单链重新使用。c)：压电DNA生物传感器基于石英晶体的压电效应，在石英晶体表面镀金膜，并选择性吸附DNA，通过杂交后石英晶体的频率变化测定杂交量。四、纳米药物载体（1）1、纳

22、米药物载体概述2、纳米药物载体举例四、纳米药物载体与给药系统（2）1、纳米药物载体概述1）纳米药物载体的性质：A)：尺寸和存在形态粒径在10-1000纳米的固态胶体颗粒，包括纳米粒子、纳米胶囊、纳米胶束、纳米乳剂等B)：材料种类和表面特性一般用天然或者人工合成的高分子材料纳米粒子表面的亲水性与亲脂性是影响纳米粒子与调理蛋白质吸附结合力的大小的重要参数。一般地：增加亲水性可以延长纳米粒子在体内的循环时间。C)：纳米药物载体的属性：具有较高的载药量，如大于30%具有较高的包封率，如大于80%载体材料可生物降解、基本没有毒性具有较长的体内循环时间具有适宜的制备技术和提纯技术，适当的颗粒形状和大小四、纳米药物载体与给药系统（3）1、纳米药物载体概述2）纳米药物载体的种类：A)：生物大分子物质如，免疫球蛋白、去唾液糖蛋白、白蛋白、纤维原、葡萄糖等B)：细胞类如，红细胞等各类细胞，细胞囊泡等C)：合成非生物降解大分子物质如，纤维素、半透膜胶囊、凝