纳米生物技术学概述

纳米生物技术学概述

概念纳米是尺寸或大小的度量单位：千米（103

）→米→厘米→毫米→微米→纳米（10-9）4倍原子大小万分之一头发粗细纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-7)到十亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工。纳米生物技术为研究工作方便，有人把尺寸0.1～1μm视为亚微米体系，尺寸1～100nm划分纳米体系。我国科学家在石墨表面“写”出“中国”和中科院的英文缩写“CAS”。字的尺寸为200nm×200nm。按照这个尺寸，可以在大头针针尖一样的面积上记录下一部《红楼梦》的全部内容。纳米生物技术

纳米技术在生物医学、药学、人类健康等领域有重大应用。纳米生物医用材料将解决临床对高性能组织修复、器官替换和诊疗的迫切需求，在人类康复工程中发挥重要作用。预期在未来30年内，与医学和健康领域相关的纳米技术的研究将影响产值达4800亿美元的生物医药制造业。纳米生物医用材料和医药技术研究既有现实的迫切需求，又有广阔的应用前景和巨大的社会效益。纳米生物技术

国内外现状纳米生物技术是目前国际生物技术领域的前沿和热点问题，在医药和现代农业领域有着广泛的应用和明确的产业化前景。美、日、德等先进国家均已将纳米生物技术作为21世纪的科研优先项目予以重点发展，一场新的国际纳米生物技术科技竞争已经开始。医药和农业领域纳米生物技术的研究尚处于起步阶段，但近几年在医药领域的研究已取得一定的进展。纳米生物技术

总预算为505.21亿欧元的欧盟第七研发框架计划（2007-2013）将“纳米科学、纳米技术、材料和新制造技术”列为十大主题研究领域合作计划之一。纳米生物技术2003年美国科学年会的报告,纳米医学技术已经被列入美国的优先科研计划。现任总统布什2003年12月签署的《21世纪纳米技术研究开发法案》,自2005财年开始的4年内，联邦政府将投入约37亿美元用于支持纳米技术研发工作。美国的优先研究领域包括：生物材料（材料-组织介面，生物相容性材料）仪器（生物传感器，研究工具）治疗（药物和基因载体），已有一种纳米药物载体通过了FDA批准并应用于临床。纳米生物技术2005年，全世界投入用于纳米技术研究和开发的资金便已超过50亿美元。据报道，迄今为止全美国至少已有60种以上的药物新制剂以及90种左右的医疗器械、诊断试剂等新产品使用了纳米材料。

国际上纳米生物技术的研究范围涉及纳米生物材料、药物和转基因纳米载体、纳米生物相容性人工器官、纳米生物传感器和成像技术、利用扫描探针显微镜分析蛋白质和DNA的结构与功能等重要领域，以疾病的早期诊断和提高疗效为目标。纳米生物技术纳米生物技术的研究进展多肽纳米管作为抗菌剂，可在细菌细胞膜上穿孔，导致细菌死亡。纳米生物技术纳米粒用作除污剂给士兵消毒纳米生物技术基因和药物纳米载体纳米药物载体（纳米微粒药物输送）技术是纳米生物技术的重要发展方向之一,将给恶性肿瘤、糖尿病和老年性痴呆等疾病的治疗带来变革。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。按目前的认识，有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题，纳米晶体技术可将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，同时提高溶解性，以提高难溶性药物的药效率。纳米生物技术

非生物材料药物载体，不会诱发病人的免疫反应，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前景广泛。同时，这些赋形剂在胃肠道中起表面活性剂的作用，也提高了纳米药物颗粒的溶解率。一旦不溶性药物转变成稳定的纳米颗粒，就适合于口服或者注射了。纳米生物技术生物芯片技术

生物芯片是不同于半导体电子芯片的另一类芯片。半导体电子芯片是集成具有特定电子学功能的微单元，所形成的电子集成电路；而生物芯片则是在很小几何尺度的表面积上，装配一种或集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样，即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性，以及它们之间的相互作用，获得生命微观活动的规律。纳米生物技术

近两年，采用微制作技术，制成了微米量级的机械手，能够在细胞溶液中捕捉到单个细胞，进行细胞结构，功能和通讯等特性研究。美国哈佛大学的研究人员发展了微电子工业普遍使用的光刻技术在生物学领域的应用，并研制出效果更好的软光刻方法。以此，制出了可以捕捉和固定单个细胞的生物芯片，通过调节细胞间距等，研究细胞分泌和胞间通讯。此类细胞芯片还可以作细胞分类和纯化，利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面改性，即可达到选择和固定细胞，及细胞面密度控制。纳米生物技术纳米管或纳米线多元纳米传感芯片纳米复合免疫磁性微珠

纳米复合免疫磁性微珠是当代疾病（尤其癌症）早期诊断的最重要的技术之一。实验室利用有机-无机纳米复合技术研制了系列疾病诊断试剂盒。纳米生物技术

诊断原理

每种疾病在血液中都存在与之对应的特征活性蛋白，因此疾病早期诊断决定于疾病特征蛋白的确定。诊断过程由三大技术组成：免疫反应技术抗原和抗体的反应，具有高度的特异性，从而保证了分析的精确性。磁性微珠技术磁性微珠即是反应场所，又是反应物分离的工具。首先在磁性微珠表面与抗体发生化学键耦联，使之成为与某种疾病特征蛋白实现抗原抗体反应的载体。然后在磁场作用下将反应物分离出来。示踪分析技术为精确定量分析必须对待测活性蛋白的抗体进行示踪剂的标记，以便将待测物转变为可测的信号(如放射信号、颜色信号、光信号)，从而对待测物进行精确分析。纳米生物技术

关键技术

(1)磁性微珠的制备技术

——纳米级Fe3O4粉末表面改性处理后，与有机高分子单体复合，经聚合形成微珠。

——微珠表层经化学修饰处理，并接种具有活性的化学基团纳米生物技术(2)磁性微珠表面与抗体（抗原）联结技术——

通过化学交联或化学吸附，将抗体（Antibody)或抗原（Antigen)

联结在微珠表面。(3)抗体或抗原与示踪剂的标记技术纳米生物技术

(4)在磁性微珠载体上进行免疫反应纳米生物技术（5）免疫反应产物的示踪和定量分析——

通过对反应产物比色或在一定时间内（一般为5秒）测定发出光光子强度，测定待测物质浓度。纳米生物技术

美国东北大学发明了一种新的DNA检测技术，是利用DNA-金纳米颗粒的选择性以及目标DNA序列的连接，导致纳米颗粒在电极之间排列，从而通过电子信号来表示对不同DNA序列的响应。这种检测比以往的低聚核苷酸检测在灵敏度上提高了10倍，在选择性上则更高出了许多。并采用低聚核苷酸和Raman-活化染料为标记的金纳米颗粒探头专门检测DNA和RNA。这种表面增强Raman散射技术有飞摩尔探测极限，并且能在一种溶液中同时探测多种成分，将来有可能替代以分子荧光为基础的生物探测技术。

目前已开发30多种检测疾病的试剂盒，其中包括7种癌细胞的早期诊断

AFP甲胎蛋白（肝癌早期普查）

CEA癌胚抗原

FERRITIN铁蛋白

PSA前列腺特异性抗原

CA199乳腺癌

CA125胃癌

CA153肠癌纳米生物技术

磁性微珠的其它应用细胞分离基因分离纳米生物技术医用植入体和人工器官200-300种几乎每一品种都可使用纳米技术予以改造，并将产生众多的新品种美国几种医用植入体的市场情况纳米生物技术美国部分生物材料年耗量（件/年）（美国企业约有200-300个品种）骨软骨炎14,500神经性肌肉障碍200,000肌腱修复 33,000皮肤（烧伤）2,150,000韧带修复90,000输血 18,000,000半月瓣修复250,000齿科 10,000,000关节炎（髋、膝）369,200输尿管 30,000指关节和小关节179,000尿道修复 51,900内固定骨板480,000疝修补 290,000颌面重建 30,000肝癌25,000软骨（髌）319,400胰（糖尿病）728,000脊柱 40,000肾（透析）600,000关节（髋）558,200介入导管 606,000骨片 275,000肝 250,000褥疮治疗 1,500,000人造血管 754,000静脉阻滞溃疡治疗500,000

糖尿病溃疡治疗600,000

纳米生物技术

我国几种生物材料的市场需求统计（我国企业仅有约50余种制品）患者病例数（万/年）材料和制品需求量（万例/年）实际用量来源备注心血管病>2000人工心瓣膜心脏起搏器血管支架10>1003-60.6-0.80.50.5国产<2000国产≈20%90%进口全球≈40万肾衰>12肾透析器6-12190%进口关节病≈1亿人工关节100≈10国产3万套全球髋关节替换100万套血内障500（年增长3-5%）人工晶体5010国产（中外合资）15骨损伤>1000骨修复材料和器械>300目前销售额仅10亿元美国患者：65万/年，销售额US$40多亿骨质疏松≈6500预防骨折和修复材料>200类风湿≈1000血液吸附，人工关节肝炎2-3亿药物控释，人工肝人口控制避孕器械，疫苗控释宫内节育器2000纳米生物技术功能和寿命不能满足临床要求名称

失效（寿命）

<35岁原因人工心脏瓣膜生物瓣膜10-15年，>50%；5年，≈100%钙化，非钙化退变，机械瓣膜12-14年，50±15%；6年，50-80%撕裂，钙化人造血管（Φ<6mm）无合成材料产品[年需140万件（美）]凝血人工髋关节（寿命）10-15年（老年组），3-5年（青年组）磨损碎松动骨修复材料陶瓷/金属/聚合物人造：13%，其中Ca-P:66%,胶原：13%自体骨/异体骨：二次手术/失血/传染脆/应力刺激/无活性常规生物医学材料的问题纳米生物技术医疗技术的发展:通用→个体化大创伤→微创伤围绕人体的微细组成与结构，及其生物与功能特性开展纳米生物材料与检测技术研究纳米生物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。美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备--"纳米直升机"。该设备共包括三个组件，两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件。其中的生物分子组件将人体的生物"燃料"ATP转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。纳米生物技术

美国杜克大学研究人员利用自行组装的ＤＮＡ分子作为分子建筑材料，建造了支撑蛋白质的″纳米级″脚手架和金属线，其直径只有数十亿分之一米。这是在纳米级合成方面取得的重要成就，可能由此开发可编程的分子级传感器或电路。

以色列和美国的研究人员在制造分子马达的联合研究方面获得新进展。他们通过光或者电的驱动，可以使分子按照控制模式围绕一个轴旋转，并且能够停止或者暂停。这一成果将使纳米级的分子机械能够在一些较大机械无法应用的场合，例如一些外科手术中大显身手。

一种探测单个活细胞的纳米传感器，当插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。TuanVo-Dinh认为此高选择和高灵敏的纳米传感器，可用于探测很多细胞化学物质，监控活细胞的蛋白质和其它所感兴趣的生化物质。纳米传感器纳米生物技术

此传感器还可以探测基因表达和靶细胞的蛋白生成，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。随着纳米技术的进步，纳米机器人可在血液系统中自由运动，评定单个细胞的健康状况，在体内出现几个癌细胞时即可发现。纳米生物技术

化学、物理学、生物学和计算机科学等多学科联合，在纳米级操作分子来调控生命系统：基因测序和基因表达检测等繁琐的劳动，通过应用纳米技术制造的表面装置和系统，工作效率将得到显著提高。纳米技术应用于新药的制造和作为药物载体，将极大地增加药物的治疗效果，一些以前不能应用于人体的化合物将成为新的药物。纳米生物技术纳米探针等新分析工具的研发成功，将进一步促进探明细胞的化学和机械特征，测定单个分子的特性。通过调节材料的纳米结构，可获得生物相容性和可高度控制、耐用的人体内植入物。人工无机物和有机物纳米级材料能进入细胞，发挥诊断作用。分子工程生产的可降解化学制剂可促进植物生长和抵抗病虫害。作为基因和药物的载体进入动物。纳米生物技术世界专利现状分析纳米生物技术

我国纳米材料研究始于80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目，国家“863”、“973”新材料专题也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。国内研究状况纳米生物技术

在过去的十年间，国家通过研究计划对纳米领域资助的总经费大约相当于700万美元，社会资金对纳米材料产业化亦有一定投入。但与发达国家相比投入经费相差很大。纳米生物技术

2000年11月在国家科技部主持下成立了国家纳米科技协调与指导委员会。随后，国家科技部、国家计委、教育部、国家自然科学基金委员会和中国科学院五部委联合对我国纳米科技的发展现状、优势领域和存在的问题、发展战略和布局等问题进行了研讨。

颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》也将纳米研究列入“重大科学研究计划”，成为未来15年我国引领未来发展、实现重点跨越的4个重中之重的领域之一，而其中纳米生物学和纳米医药研究占有很大比例。

中国通过“国家攻关计划”、“863计划”、“973计划”的实施，纳米材料和研发水平获得很大发展，技术的一大批技术含量高、极具成长性、拥有自主知识产权的科研成果相继问世，并引起了国际上的关注。纳米生物技术国内纳米各个领域的专利所占比例纳米生物技术中国纳米科技论文论文数量位居世界前列，论文排在美之后位居世界第二。纳米生物技术国家863计划概况

国家863计划,即高技术研究发展计划

1986年3月，邓小平同志根据四位科学家的建议，为了迎接全球新技术革命和高技术竞争的战争，加快我国高技术及其产业的发展，亲自批准启动了我国高技术研究发展计划，即863计划。纳米生物技术

国家“十五”863计划已开设了生物工程技术主题下的“纳米生物技术专题”、在新材料领域重大专项内设立了纳米生物技术重大课题，国家“十五”攻关也设立了纳米中药等项目，在恶性肿瘤治疗用纳米磁性材料与相关应用技术、纳米粒子靶向诊断与治疗技术、药物及治疗基因纳米粒制剂、纳米制剂的生物合成、纳米中药制剂等方面也开展了研究。

“十一五”863计划的发展战略承接国际产业转移，广泛利用华人资源和海外投资、海外市场，参与重大前沿技术和标准研发，引进、消化、吸收国外先进技术。提高自主创新、提升核心竞争力、建立相对独立技术体系、形成关键产业领域自主技术标准体系。抢占战略高技术制高点，突破重大产业发展、重大科技转化瓶颈性约束。整合发展资源、培育高技术中小创新企业。纳米生物技术“十一五”科技计划突出四个方面：从国家目标出发，树立全局观；从国民经济与社会发展、国家安全可持续发展对科技的重大需求入手，凝炼科技发展的重点；充分发扬民主、鼓励争鸣；充分利用已有的研究成果和宝贵经验。纳米生物技术“十一五”863计划的工作重点工作重点是在工作中突出产业化、信息化、国际化和自主创新。纳米生物技术“十一五”863计划

---------纳米研究重点研究纳米材料的可控制备、自组装和功能化，纳米材料的结构、优异特性及调控机制，纳加工与集成原理，概念性和原理性纳器件，纳电子学，纳米生物学和纳米医学，分子聚集体和生物的光、电、磁性性质及信息传递，单分子行为与操纵，分子机器的设计组装与调控，纳米尺度表征与度量学，纳米材料和纳米技术在能源、环境、信息、医学等领域的应用。纳米生物技术

纳米科学技术将满足现代科学技术创新更小、更轻、更强、更快、性能更高、更廉价的趋势，它对社会的冲击将远远超过20世纪70年代的微电子和信息技术，它的发展将影响医疗卫生的变革，孕育着巨大的商机。纳米生物技术

我们1990年开展了纳米生物材料羟基磷灰石（HA）、磷酸钙等研究，1994年起开展了磁性阿霉素纳米药物载体治疗肝癌的前期研究,主要内容包括：纳米药物载体制备、载体在大鼠体内的分布、磁靶向性、对大鼠移植性肝癌的治疗效果等，已发表相关论文11篇。纳米生物技术壳聚糖-碳纳米载体是一种新型高效的基因载体，该载体系统对外源质粒DNA可提供完全的保护作用，使DNA结构保持完好，从而确保其在体内可能得以正常表达。（目前国内外研究的主要是碳纳米管）纳米石墨碳粉的扫描电镜照片壳聚糖-碳纳米粒的扫描电镜照片

纳米石墨碳粉的粒径分析图壳聚糖-碳纳米粒的粒径分析图

已制成一批纳米颗粒，其中包括氧化铁磁性纳米颗粒、羟基磷灰石、碳酸钙、磷酸钙等无机纳米颗粒和聚乳酸、聚丙乙交酯等有机纳米粒。

已获发明专利3项（1991年申报第1个纳米生物材料工艺专利）。

卫生部纳米生物技术重点实验室采用国际上称为“绿色化学”技术来合成纳米生物活性材料。用于纳米生物医学材料合成的全部原料均为无毒并可被人体吸收的物质，包括反应溶剂。仿人体胶原纤维结构的纳米生物活性材料会更利于基因的携带、转染，也更利于被生物体吸收。同时携带基因的纳米生物材料较之普通的纳米生物材料会缩短修复时间，提高修复质量，增强骨组织功能，并能修复其他无基因材料所不能修复的损伤。组织相容性骨材料与美国伯克利高级生物材料公司联合研制的可生物降解的骨修复材料已在中国和美国同时进行临床试验。

骨修复材料临床试验使用的简要图示

制备的纳米颗粒无机纳米颗粒有机纳米颗粒纳米生物技术纳米颗粒纳米生物技术聚乳化工艺形成的磁性阿霉素纳米粒的电镜照片纳米生物技术磁性阿霉素纳米粒在磁场中的定向运动

纳米生物技术未加磁场情况下，经肝动脉注射磁性阿霉素纳米粒30分钟后，正常肝组织及血管中未发现纳米粒的聚集纳米生物技术施加磁场情况下，30分钟后正常肝组织的血管及肝窦中大量的纳米粒聚积纳米生物技术未加磁场的肿瘤组织:肿瘤中可见少量分散的阿霉素纳米粒存在纳米生物技术加磁场的肿瘤组织:肿瘤周围小动脉中可见大量纳米粒聚积纳米生物技术加磁场，经磁性阿霉素纳米粒治疗，60天后肿瘤组织被纤维组织和无结构的组织所代替，找不到癌细胞的存在

纳米生物技术

纳米载体转染DNA脂质体转染DNA（×200）纳米颗粒能有效地将DNA转移入细胞核内，其DNA转移阳性细胞较相同条件下脂质体高6倍。纳米生物技术十五期间，在国家主席江泽民的倡导下，规划了“国家纳米科技发展纲要”，国家自然科学基金委、“九五”863计划、“十五”863计划从基础研究和技术开发两方面进行引导和资助，并从去年开始加大了资助力度，“十一五”863计划在此基础上设立了“高靶向缓释纳米医药制剂研发”、“纳米生物材料研发”、“纳米生物器件研发”三个重点研究项目。纳米生物技术

研究目标

发展靶向药物缓释和定位治疗技术、疾病早期诊断和仿生组织修复材料与技术、生物制药产业的纳米化关键技术，以带动传统生物材料、医疗器械和制药产业的技术进步，提高我国生物医药产业的国际市场竞争力，促进相关研发中心、孵化器和基地建设。纳米生物技术

研究内容

1)靶向治疗及药物缓释用纳米材料与技术

2)治疗病变和损伤组织的纳米生物材料与技术

3)纳米生物传感器技术和生物纳米装置

4)用于高效生物分离、疾病（如癌症）早期诊断的纳米材料纳米生物技术

涉及的研究课题方向用于组织和器官修复的纳米材料生物活性纳米涂层、人工骨、骨板、骨钉、软骨、牙冠、皮肤、肌肉、肌腱、心血管及介入支架、血液净化（如纳米C，血清消毒膜）、透析材料及透析膜、抗血栓、凝血及防钙化涂层、防粘连材料、人工角膜、纳米人工器官、美容整形修复体等纳米生物技术

涉及的研究课题方向纳米生物医药生物导弹（药物的器官及细胞靶向化）、纳米磁性高分子微球、靶向治疗纳米载体药物与制剂、可降解纳米药物控释（如治疗动脉和冠状动脉再狭窄）及基因（DNA核苷酸）转染（细胞）载体、细胞/基因/酶/生长因子的组织工程载体、降低眼内压的纳米眼药水、疫苗（抗原）缓释纳米载体等纳米生物技术