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纳米生物材料 1 一 纳米材料的概述 纳米技术简介纳米技术在世界各国的情况纳米技术在当代中国的发展 2 1 1纳米及纳米技术 1纳米 nm 1毫米 mm 的百万分之一1nm 10 6mm 10 9m 10 大约等于十个氢原子并列一直线的长度 人类头发的直径大约有6万至8万纳米 3 4 1 1纳米及纳米技术 所谓纳米技术 是指在0 1 100纳米的尺度里 研究电子 原子和分子运动规律和特性以及对物质和材料进行处理的技术被称为纳米技术 纳米生物医用材料是指用于对生物医用材料进行诊断 治疗 修复或替代其病损组织 器官或增进其功能的新型高科技纳米材料 5 纳米技术在世界各国的情况 1981年科学家发明研究纳米的重要工具 扫描隧道显微镜 原子 分子世界从此可见 1990年首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办 纳米技术形式诞生 1991年碳纳米管被人类发现 它的质量是相同体积钢的六分之一 强度却是铁的10倍 成为纳米技术研究的热点 6 2 1国外纳米技术进展 朗讯公司和牛津大学 纳米镊子碳纳米管 秤 称量一个病毒的重量称量单个原子重量的 纳米秤 7 2 1国外纳米技术进展 1990年 IBM公司用原子排出 IBM 镍基底上用35个氙原子排列成英文 IBM 纳米存贮器及DNA开关 8 纳米技术在当代中国的发展 1993年 中科院操纵原子写字 国家纳米科技发展纲要 2001 2010 和 国家纳米科技发展指南框架 9 1 2纳米材料的基本效应 界面效应尺寸效应量子效应费米能级附件的电子能级由准连续变为离散能级的现象 10 1 界面效应 纳米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构不同于大块晶体材料 使纳米材料的自由能增加 纳米材料处于不稳定状态 表面效应是指微粉的粒径越小 其总表面积越大 表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大 如当粒径为10nm 总原子数为3 104 时 表面原子数 总原子数 0 20 而当粒度减小到lnm 总原子数为30 时 这一比值急剧上升到0 991表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同 具有很大的活性 晶粒的微粒化随着这种活性的表面原子增多 使其表面能也大大增加 11 1 界面效应 2 体积效应主要表现在两个方面 一是物质体积的缩小虽不会引起物质物性基本参量的变化 但会使那些与体积有关的物性发生变化 如磁体的磁畴变小 半导体中电子的自由路程变短 等等 二是物质一般具有由无限个原子组成的物质属性 而纳米粒子则表现出有限个原子集合体的特性 12 1 尺寸效应 晶体周期性的边界条件遭破坏 颗粒表面层附近原子密度减小 从而导致声 光 电磁 热力学等特性呈现新的小尺寸效应 可以分为特殊的光学性质 热学性质 磁学性质 力学性质 电学性质 13 四大特点 尺寸小 比表面积大 表面能高 表面原子比例大 四个方面应用 1 纳米电子学 拥有崭新功能的电子仪器 有高速度及低能量消耗的优点 2 纳米材料科学 3 纳米生物学 包括去氧核糖核酸 DNA 和核糖核酸 RNA 的基因图谱 4 纳米医学 发明 设计及生产纳米级的新药物 1 3特点及应用 14 15 纳米颗粒的应用 1力学性能的应用纳米颗粒具有大的比表面积 活性大并具有高的扩散速率 因而用纳米粉体进行烧结 致密化速度快 可降低烧结温度并提高力学性能 近年来 用纳米颗粒强化为目的的纳米陶瓷材料得到较大进展 为陶瓷材料的发展提供了生机 大量以纳米颗粒为原料或添加料的超硬 高强 高韧 超塑性材料相继问世 16 2磁学性能的应用 纳米微粒尺寸进入一定临界值时就转入超顺磁性状态 例如 Fe Fe304和 Fe203粒径分别为5nm 16nm 20nm时转变为超顾磁性 另外纳米颗粒材料还可能具有高的矫顽力 巨磁电阻 magnetocaloric效应等性能 因此可用于制备磁致冷材料 水磁材料 磁性液体 磁记录器件 磁光元件 磁存储元件及磁探测器等磁元件 17 3电学性能的应用 纳米颗敞在电学性能方面也出现了一些独特性 例如纳米金属颗粒在低温下呈现绝线性 纳米钦酸铅 铁酸钡和钦酸钓等颗粒由典型的铁电体变成了顺电体 可以利用纳米颗粒来制做导电浆料 绝缘浆科 电极 超导体 量子器件 静电屏蔽材料 压敏和非线形电阻及鹊绾徒榈绮牧系取 18 4光学性能的应用 纳米颗粒可表现出与同质的大块物体不同的光学特性 例如宽频带强吸收 蓝移现象及新的发光现象 从而可用于光反射材料 光通讯 光存储 光开关 光过滤材料 光导体发光材料 光折变材料 光学非线性元件 吸波隐身材料和红外传感器等领域 19 5敏感性能的应用 纳米颗粒表面积巨大 表面活性高 对周围环境 温度 气氛 光 湿度等 敏感 因此可用来制作敏感度高曲超小型 低能耗 多功能传感器 以氧化锡为基体材料 并掺入适当的催化剂或填加剂 可制得对酒精 氢气 硫化氢 一氧化碳和甲烷等气体具有选择性敏感性能的气敏元件 氧化锡对气体灵敏度高低与材料的比表面积有关 通常比表面积越大 气体灵敏度越高 纳米氧化锡颗粒具有明显优越性能 具有更高的气体灵敏度 目前用纳米SnO2颗粒膜制成的传感器已经实用化 可用作气体泄漏报警器和湿度传感器 并且可以随着温度的变化有选择地检测多种气体 TiO2陶瓷材料不仅对O2 CO H2等气体有较强的敏感性 而且还可作为环境湿度传感器 20 纳米生物材料学的制备方法 1 物理方法 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离子体 然后骤冷 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 但产品纯子 3 机械球磨法采用球磨方法 控制适当的条件得到纯元素纳米粒子 合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子 21 纳米生物材料学的制备方法 2 化学方法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 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 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纳米粒子 其特点纯度高 分散性好 粒度易控制 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 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 22 2纳米材料在生物医学上的应用 纳米载体纳米生物器件纳米生物组织工程纳米医药 23 纳米载体 纳米药物载体纳米基因载体 24 纳米药物载体 1普通载药纳米微粒这种剂型的出现背景是基于将一些药物通过药剂学和纳米技术的高度结合 使原本因理化性质不稳定而降解破坏或因不良反应较大而影响其使用的药物经特殊的方法高度分散于药物载体中 制成载药纳米微粒 用液体载体的流动形式给药 从而避免了所提到的缺点 25 2控释载药纳米微粒 纳米控释系统包括纳米粒子和纳米胶囊 它们是粒子在10一500nm间的固体胶态粒子 它与以往的控释制剂不同 载药纳米微粒的控释过程具有其特定的规定 囊壁溶解和微生物的作用 均可使囊心物质向外扩散 将药物制成纳米制剂后 不但达到缓控释效果 而且改变其药物动力学的特性 使一些免疫系统的慢性病能得到更好的治疗 26 3靶向定位载药纳米微粒 靶向药物能完成从靶器官 靶细胞到最为先进的细胞内结构的三级靶向治疗 从而达到病灶部位缓慢释放药物 维持长期局部有效的药物浓度 此类微粒是根据临床需要 通过选用对机体各种组织或病变部位亲和力不同的载体制作载药微粒或将单克隆抗体与载体结合 以使药物能够输送到治疗期望达到的特定部位 因而称之为靶向定位给药 27 4载药磁性纳米微粒 物理靶向 载药磁性微粒是在微囊基础上发展起来的新型药物运载系统 这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子作为药物载体静脉注射到动物体 小鼠 白兔 内后 在外加磁场下 通过纳米微粒的磁性导航 使药物移向病变部位 达到定向治疗的目的 国内有实验研究出阿霉素免疫磁性造微粒 在进行了免疫活性检测和体外抑瘤实验后证实其具有抗体导向功能 并具有较高的磁响应性 具有较强的靶向定位功能 为靶向治疗肿瘤奠定了结实的基础 28 纳米基因载体 5纳米微粒的基因治疗作用一些特殊的纳米粒子可以进入细胞内结构达到基因治疗目的 如 国外有人利用纳米技术可使DNA通过主动靶向作用定位于细胞 将质子DNA浓缩至50 200nm大小且带上负电荷 有助于其对细胞核的有效入侵 而最后反粒DNA插入细胞核DNA的准确点则取决于纳米粒子的大小和结构 还有人研究了一种树突状物的多聚物 由于它有着精确的纳米结构和表面与内部都可以携带分子的特性使之成为一个很好的DNA导入细胞的载体 29 纳米生物器件 一 纳米机器人 的研制纳米机器人是纳米生物学中最具诱感力的内容 动脉粥样硬化的治疗机器人能够从动脉壁上清除粥样沉积物 这不仅会提高动脉壁的弹性 还会使通过动脉的血液流动状况得到改善 30 在血管中运动的纳米机器人 它正在使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物 31 纳米机器人在清理血管中的有害堆积物 中国科学院合肥研究院的研究中国科学院沈阳自动化所研制研制的纳米微操作机器人在10 10微米的基片上刻出的字样 32 肾结石 胆结石的治疗将纳米机器人以插入导管的方式引入到尿道或胆道里内 直接到达结石所在的部位 并且直接把结石击碎 33 2 纳米生物传感器 检查体内疾病重庆科研人员开发的 OMOM胶囊内镜系统 估计三年内可以上市 该医生长得像一颗胶囊 把它吞进肚里 消化道内的情景就可以像放电影一样在电脑屏幕上一目了然 34 纳米生物芯片 基因芯片蛋白质芯片 35 基因芯片 基因芯片 genechip 的原型是80年代中期提出的 基因芯片的测序原理是杂交测序方法 即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法 可以用图11 5 1来说明 在一块基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针 当溶液中带有荧光标记的核酸序列TATGCAATCTAG 与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时 通过确定荧光强度最强的探针位置 获得一组序列完全互补的探针序列 据此可重组出靶核酸的序列 36 基因芯片的测序原理图 37 生物芯片的应用 在实际应用方面 生物芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗 药物筛选 农作物的优育优选 司法鉴定 食品卫生监督 环境检测 国防 航天等许多领域 它将为人类认识生命的起源 遗传 发育与进化 为人类疾病的诊断 治疗和防治开辟全新的途径 为生物大分子的全新设计和药物开发中先导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提供技术支撑平台 38 蛋白质芯片 蛋白质芯片是一种高通量的蛋白功能分析技术 可用于蛋白质表达谱分析 研究蛋白质与蛋白质的相互作用 甚至DNA 蛋白质 RNA 蛋白质的相互作用 筛选药物作用的蛋白靶点等 39 未来发展方向 1 建立快速 廉价 高通量的蛋白质表达和纯化方法 高通量制备抗体并定义每种抗体的亲和特异性 第一代蛋白检测芯片将主要依赖于抗体和其他大分子 显然 用这些材料制备复杂的芯片 尤其是规模生产会存在很多实际问题 理想的解决办法是采用化学合成的方法大规模制备抗体 2 改进基质材料的表面处理技术以减少蛋白质的非特异性结合 3 提高芯片制作的点阵速度 提供合适的温度和湿度以保持芯片表面蛋白质的稳定性及生物活性 4 研究通用的高灵敏度 高分辨率检测方法 实现成像与数据分析一体化 40 纳米中药 纳米中药是指运用纳米技术制造的粒径小于100nm的中药有效成分 有效部位 当物质的颗粒小到1 100nm时 由于其量子效应 物质的局域性 巨大的表面及界面效应 会使物质的很多性能发生质变 呈现出许多既不同于宏观物体 也不同于单个孤立原子的奇异现象 药物的物理活性 靶向性比普通中药大大提高 41 特点 原药及其复方制剂 在初步的筛选试验中 对某些矿物药进行纳米化处理 再进行药效学验研究 结果表明 药物经纳米化处理后出现了某些新的药效学特性 因此 纳米中药与微米中药相比 最大的特点是能改变中药的药学特性 这对于采用高新技术提升传统中药的质量和水平以及研制开发具有新药效的中药制剂具有重要的意义 42 纳米中药面临的问题 但是 到目前为止 纳米中药从理论走向实际 还有许多问题需要进一步解决 首先 要考虑中药纳米化的必要性及其适用范围 其次 要考虑纳米中