纳米技术在医学中的应用

1 纳米材料和技术在医学中的应用纳米材料和技术在医学中的应用 引言引言 纳米材料和技术是 20 世纪 90 年代成熟起来的一个学科领域 这是继互联网 基 因之后世界各国竞相逐鹿的又一个焦点 被认为是 2 1 世纪的又一次产业革命 纳米技术 信息技术及生物技术将成为世纪社会经济发展的三大支柱 纳米科技的兴 起 对我国提出了严峻的挑战 同时也为我国实现跨越式发展提供了难得的机遇 纳 米材料是纳米科技的基础 功能纳米材料是纳米材料科学中最富有活力的领域 它对 信息 生物 能源 环境 宇航等高科技领域 将产生深远的影响并具有广阔的应用 前景 纳米技术与医学的结合形成了新兴边缘学科 纳米医学 即在分子水平上利用 分子工具和人体相关的知识 从事疾病的诊断 治疗 预防和保健等 纳米技术与医 学相结合 促进了基础医学技术的完善 临床诊断技术的革新及治疗水平的提高 兴 起了纳米医学诊断技术 组织修复和再生医学中的纳米材料 纳米药物载体 纳米药 物 纳米中药 及纳米医学材料安全性等一系列技术 1 纳米材料纳米材料 1 1 纳米材料的定义及结构分类 纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级 9 10 nm 的超细材料 它的微粒尺寸大于原子 簇 小于通常的微粒 一般为 2 10 1 nm 它包括体积分数近似相等的两个部分 一是直 径为几个或几十个纳米的粒子 二是粒子间的界面前者具有长程序的晶状结构 后者是 既没有长程序也没有短程序的无序结构 1 2 纳米材料的分类 零维 一维 二维和三维纳米材料 1 零维纳米材料 类似于点状结构 立体空间的三个方向均在纳米尺度 如纳米粒子 原子团簇等 2 一维纳米材料 类似于线状结构 立体空间的三个方向中的两个在纳米尺 度 如纳米线 纳米棒 纳米管等 3 二维纳米材料 类似于面状结构 立体空间的三个方向中的一个在纳米尺 度 如纳米薄膜 纳米多层膜 超晶格薄膜等 4 三维纳米材料 在三维空间中有上述纳米材料的块体 如纳米陶瓷等 1 2 纳米材料的性质 1 纳米材料的体积效应 当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波相当或更小时 周期性的边界条件将 被破坏 磁性 内压 光吸收 热阻 化学活性 催化性及熔点等都较普通粒子发生 了很大的变化 这就是纳米粒子的体积效应 2 纳米材料的表面效应 2 表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随着粒径的变小而急剧增大后所 引起的性质上的变化 3 纳料材料的量子尺寸效应 粒子尺寸下降到一定值时 费米能级接近的电子能级由准连续能级变为分立能级 的现象称为量子尺寸效应 在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带 来了纳米粒子一系列特性 如高的光学非线性 特异的催化和光催化性质等 4 纳米材料的宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应 近年来 人们发现一些宏观量 例 如微颗粒的磁化强度 量子相干器件的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应它们可以穿 越宏观系统的势垒产生变化 故称为宏观的量子隧道效应 用此概念可定性解释超细 镍微粒在低温下保持超顺磁性等 2 2 纳米技术纳米技术 纳米技术是指在 0 1 100 nm 空间尺度上操纵原子和分子对材料进行加工 制造 具有特定功能的产品或对物质及其结构进行研究的一门综合性的高新技术学科 纳米技术所涉及的领域纳米技术几乎涉及到各个科技领域 纳米材料与纳米生物 学 纳米电子学 纳米加工学 纳米摩擦学 纳米测量学 纳米化学和纳米物理学共 同构成了纳米科学技术的内涵 3 3 纳米材料技术在医学上的应用纳米材料技术在医学上的应用 3 1 纳米检测技术 1 细胞分离 细胞分离技术解决了医学界乃至生物界细胞标本快速获取的难题 20 世纪 80 年代初 用纳米 SiO2微粒实现了细胞分离的新技术 3 将 15 20nm 的 SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮溶液中 通过离心技术 利用梯度原理 快速分离所需要的细胞 这种技术在临床医学上得到了很好的应用 利用此技术可以讲孕妇腹中胎儿细胞分离出来 通过对染色体的分析 判断胎儿是否 有遗传缺陷 目前 磁性纳米粒子的发发现与研究在生物分子分析与细胞分离中的得到应用 国内周晓荣等 4 采用免疫磁珠法从人外周血单个核细胞中分离和纯化了 CD4 T 细胞 分离后的 CD4 T 细胞对植物血凝素的刺激保持了良好的增殖能力 杜英等 5 用磁性微 珠标记的 CD133 单抗与脑组织的细胞悬液孵育 通过磁性分选器分离出 CD133 的细胞 并经体外培养扩增和诱导分化 唐岩等 6 用其来分离人外周血树突状细胞 应用纳米 免疫磁珠检测早期肺癌患者循环血液中肿瘤细胞 可以监测肺癌的转移情况 2 细胞染色 3 纳米微粒的出现 为建立新的细胞染色技术提供了新的途径 用自行合成和纯化 的一种新颖的树枝状大分子 PAMAM 介导制备出粒子分散均匀 稳定性强 偶 联性良好的水溶性纳米 PAMAM Au 复合物 该纳米复合物具有长时间稳定的蓝紫色 荧光效应和紫红色光学效应 可广泛用于革蓝氏阴性细菌 真菌 蓝细菌 藻类等微 生物细胞以及其它真核细胞 系 的非特异性染色 显著地提高了普通光学显微镜对 细胞观察的分辨力 操作极为简单 同时该纳米复合物具有特别易于修饰的外部端基 功能团 方便改性和制成生物特异性靶向制剂 携带抗体或基因 进行体内靶向示踪 科学实验 应用前景十分可观 3 2 纳米治疗技术 1 纳米药物和基因载体 目前 纳米粒子介导的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术 就是利用纳米 粒子药物载体将药物输送到所需要治疗的细胞 纳米粒子上带有高分子和蛋白质 这 样容易被细胞上的识别蛋白识别 与细胞分子作用 发挥药效 1987 年 Felgner 等 9 首次将等量的氯化三甲基 2 3 二油烯氧基丙基铵 DOTMA 和二油酰基磷脂酰乙醇胺 DOPE 制成小单层脂质体 即转染试剂 Lipofectin 实验结果表明此转染试剂可有效地用于 DNA 转染 1989 年将该转染试 剂用于 RNA 的转染 发现其可高效转移 RNA 到人 鼠等多种动物细胞内 这一发现大 大促进了阳离子脂质体作为一类新型高效基因载体的广泛应用研究 现在 纳米脂质 体介导研究已经取得了更大的进展 龚连生等专家发现 磁性阿霉素蛋白纳米粒具有高效磁靶向性 对移植性肿瘤有 很好的疗效 另外 碳纳米管也是一种很好的纳米载体 将药物储存在纳米管中 通 过一定的机制来激发药物的释放 2 纳米药物 纳米抗菌药物的研制是疾病的治疗更加方便有效 3 纳米人工细胞 组织和器官 由肿瘤 炎症及各类创伤而导致的骨组织坏死 病变 缺火及骨折是临床多发病 症 这些疾病给患者带来极大的痛占有些还威胁到患者的生命安全 尽管现在临床上 采用自体骨移植或异体骨甚至异种骨移植的方法 但这些方法有许多不足之处 近年来国内外人工骨修复材料研究发展成为一种趋势 就是通过对天然骨本身的 成分 结构 特性及矿化过程模仿 即以仿生的理念 应用先进材料制备技术 特别 是纳米技术 对材料的组成 结构进行设计与调控 获得新型仿生骨修复材料或者对 传统材料进行仿生功能化修饰 2005 年 Ang strom Medica 公司研发的 NanOss 骨 填料获得 FDA 的批准 它是通过水溶液中沉积的磷酸钙纳米颗粒经过热处理后形成 的透明纳米磷酸钙陶瓷 具有一定的强度和较的骨传导性 并具有可降解的特性 10 现在有许多实验已经证明了已经显示出仿生材料的特殊结构特征 如纳米结构 特 4 性 可以使仿生纳米人工骨功能的发挥更为高效 特别是随着组织工程和再生医学以 及干细胞研的不断深入 这类高度模仿天然骨成分 结构与功能的新型仿生材料被视 为生物材料发展的主要趋势之一 据专家介绍纳米材料还可以仿制人体的红细胞 牙齿等细胞组织 结构 解决了 生物医学上的许多疑难问题 促进了临床医学的再一次发展 11 4 4 纳米技术在医学上的展望纳米技术在医学上的展望 虽然 现在的纳米材料与纳米技术是一颗小星星 但它是一颗冉冉升起的新星 在不久的将来它将发出夺目的光辉 在生物医学方面 利用先进的纳米技术 在不久的将来 利用纳米技术还可制成 各种分子传感器和探测器 利用纳米羟基磷酸钙为原料 可制作人的牙齿 关节等仿 生纳米材料 将药物储存在碳纳米管中 并通过一定的机制来激发药剂的释放 则 可控药剂有希望变为现实 另外 大胆的想象一下 我觉得可以制造一种纳米监测器 这种监测器可以与电 脑或手机等无线连接 植入人体里 可以像分子传感器一样与细胞结合 并且可以长 期存在 可以一生存在体内 随时监测身体状况 将监测结果反馈到电脑或手机上 让人们随时了解自己的身体情况 还可以控制治疗一些疾病 比如清理病变细胞 调 节激素分泌 或许到时候也没有了背后陷害 没有那么多人死于非命了 因为这种 纳米监测器可以感知到危险 并且也可以及时救助 听着非常可怕 更不可能 不过 我觉得人类的智慧是无限的 随着技术的发展 在将来会实现的 总结总结 纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点 正如钱学森院士所预言的那样 纳 米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点 会是一次技术革命 从而 将是 2 1 世纪的又一次产业革命 我们期待着这次产业革命的大爆发 并且急切地想 享受这一革命带来的巨大成果 参考文献参考文献 1 方德声 中国纳米功能材料研究的七大成果 1999 2 李 彦 万景华 顾镇南 六方液晶模板合成 CdS 纳米线 1999 01 3 曹献英 杜晶晶 纳米技术在医学中的应用 医学综述 2009 15 7 969 971 4 周晓荣 等免疫磁珠法纯化人外周血 CD4 T 细胞 交通医学 2003 17 6 625 5 杜英 等免疫磁珠法分离和纯化人胚胎神经干细胞 郑州大学学报 医学版 2003 38 1 13 5 6 唐岩 等免疫磁珠法在分离人外周血树突状细胞中的应用 解剖学报 2003 26 3 298 7 洪国斌 周经兴 苑仁旭 李新春 小粒径磁共振成像超敏感纳米对比剂的研 制及初步动物实验 中华生物医学工程杂志 2011年第17卷第1期 39 42 8 李苏宜 纳米技术与