纳米粒子医用合成方法

纳米医用材料 医用纳米材料的概述 纳米的概念 纳米 nanometer 纳米是一个长度计量单位 1纳米 10 9米 人的一根头发丝的直径相当于6万个纳米 人高 20亿纳米 100万纳米 针头 红血球 冠状病毒 DNA分子 氢原子 100纳米 1000纳米 1纳米 0 1纳米 Introduction 纳米一词源出于希腊 意指 侏儒 现作为微观世界里的长度单位 一纳米等大约是三 四个碳原子的宽度 美国物理学家 两次诺贝尔奖得主费恩曼教授 R Feynman 早在1950年代末就指出 人类若能控制物体微小规模上的排序 将可获得许多具有特殊性能的物质 这是对纳米技术最早的构想 纳米技术一词则始见于1974年 出自科学家谷口纪南 NorioTaniguchi 对精密机械加工的描述 花粉是纳米级的粒子 花粉是纳米级的粒子 病毒也是纳米级的 30 100nm 概述 纳米技术是一门新兴的学科领域 是20世纪80年代末 90年代初才逐步发展起来的 21世纪初 随着美国实施全国纳米科技计划 带动了全世界对该学科的研究开发 纳米科技属于前沿 交叉性的科技领域 近几年 科技界更加注意纳米技术与其他技术的结合 譬如 生物技术 信息科学 认知科学等方面的结合 其应用也是相当广泛 应用于医学 航天 军工产品 民用产品等领域 在广泛的领域中应用 使得纳米科技受到了科学界和产业界的重视 纳米在生物 医学中的应用更是使得现代医学有了较大的发展空间 使人们在对生命探索 治疗疾病 卫生保健等方面有了进一步的发展 国际社会纳米生物技术的研究范围注意涉及纳米生物材料 药物和基因运转纳米载体 纳米生物相容性人工器官 纳米生物传感器和成像技术 以及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 目前 国际上纳米生物技术在医药领域的研究已取得一定的进展 美国 日本 德国等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 纳米材料定义纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围 1 100nm 或由它们作为基本单元构成的材料 这大约相当于10 100个原子紧密排列在一起的尺度 美国国家卫生研究院 NIH 出资在美国建立了8个专门从事肿瘤纳米医学研究的纳米中心 宣布启动 肿瘤纳米技术 成立了 肿瘤纳米技术联合会 香山科学会议上对纳米医学的相关问题进行了讨论 纳米医用的发展 美国2004年 美国2005年 我国2008年 我们都知道 目前的医疗技术尚无法达到分子修复的水平 而纳米医学则是在分子水平上 利用分子工具和人体的分子知识 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等等 最终实现纳米医学 使人类拥有持续的健康 医用纳米材料的分类 在生物医学领域的应用 细胞分离用纳米材料细胞内部染色用纳米材料抗菌及创伤敷料用纳米材料组织工程中的纳米生物材料生物活性材料 12 37 13 37 纳米生物医学材料的分类 细胞分离用纳米材料病毒尺寸一般约80 100nm 细菌为数百纳米 而细胞则更大 因此利用纳米复合粒子性能稳定 不与胶体溶液反应且易实现与细胞分离等特点 可将纳米粒子应用于诊疗中进行细胞分离 该方法同传统方法相比 具有操作简便 费用低 快速 安全等特点 美国科学家用纳米粒子已成功地将孕妇血样中微量的胎儿细胞分离出来 从而简便 准确地判断出胎儿细胞中是否带有遗传缺陷 15 37 纳米生物医学材料的分类 细胞内部染色用纳米材料利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏感程度和亲和力的显著差异 选择抗体种类 将纳米金粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合 制备成多种纳米金 抗体复合物 借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物 在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色 如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色 从而给各种组合 贴上 了不同颜色的标签 因而为提高细胞内组织的分辨率提供了一种急需的染色技术 16 37 纳米生物医学材料的分类 抗菌及创伤敷料用纳米材料按抗菌机理 纳米抗菌材料分为三类一类是Ag 系抗菌材料 其利用Ag 可使细胞膜上的蛋白失活 从而杀死细菌 第二类是光触媒型纳米抗菌材料 利用该类材料的光催化作用 与H2O或OH 反应生成一种具有强氧化性的羟基以杀死病菌第三类是C 18A 纳米蒙脱土等无机材料 因其内部有特殊的结构而带有不饱和的负电荷 从而具有强烈的阳离子交换能力 对病菌 细菌有强的吸附固定作用 从而起到抗菌作用 17 37 纳米生物医学材料的分类 组织工程中的纳米生物材料材料支架在组织工程中起重要作用 因为贴壁依赖型细胞只有在材料上贴附后 才能生长和分化 模仿天然的细胞外基质2胶原的结构 制成的含纳米纤维的生物可降解材料已开始应用于组织工程的体外及动物实验 并将具有良好的应用前景 国内清华大学研究开发的纳米级羟基磷灰石 胶原复合物在组成上模仿了天然骨基质中无机和有机成分 其纳米级的微结构类似于天然骨基质 体外及动物实验表明 此种羟基磷灰石 胶原复合物是良好的骨修复纳米生物材料 18 37 纳米生物医学材料的分类 生物活性材料随着纳米技术的发展 生物活性杂化材料在保持柔韧性的同时 弹性模量已接近硅酸硼玻璃 而且便于加入活性物质 因此是一种开发生物材料的理想途径 JonesSM等用TEOS 正硅酸乙酯 甲基丙烯酰胺在偶氮类引发剂作用下 加入氯化钠制备出含钙盐的纳米SiO2聚合物复合材料 将其在人体液中放置1周后 可以观察到其表面有羟基磷灰石层形成 因而具有较好的生物活性 应用溶胶 凝胶技术制备纳米复合材料 同时在体系中引入胺基 醛基 羟基等有机官能团 使材料表面具有反应活性 可望在生化物质固定膜材料 生物膜反应器等方面获得较大应用 医用纳米材料的应用 一 在诊断方面的应用 1 遗传病诊断纳米技术有助诊断胎儿是否有遗传缺陷 妇女怀孕8个星期时 血液中开始出现少量胎儿细胞 利用具有纳米级大小孔洞的半透膜或特殊的合成纳米管等 可把胎儿细胞分离出来进行诊断 不需要进行羊水穿刺 目前美国已将此项技术应用于临床诊断中 2 病理学诊断肿瘤诊断最可靠的手段是建立在组织细胞水平上的病理学方法 但存在着良恶性及细胞来源判断不准确的问题 利用原子力显微镜 atomicforcemicroscope AFM 可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点 通过寻找特异性的异常纳米级结构改变 以解决肿瘤诊断的难题 目前 已有多种原子力显微镜问世 AFM克服了STM只适用于具导电性样品的不足之处 二 在治疗方面的应用 1 纳米化增加药物吸收度增大药物的表面积促进溶解 药物大分子就能穿透组织间隙 也可以通过人体最小的毛细血管 而且分布面极广 应用于中药制剂 药物的物理活性 靶向性比普通中药大大提高 2 纳米医用材料纳米氧化镐 目前广泛使用的人工心脏瓣膜 是由钛金属与不锈钢合金所构成 但在移植入人体后仍有损坏的可能性 结晶纳米氧化镐是一种具有高度抗生物损耗的替代材料 纳米银粉 银在纳米状态下的杀菌能力产生了质的飞跃 只需用极少量的纳米银即可产生强力的杀菌作用 纳米骨材料 把它植入体内填充各类型的骨缺损 其网状结构可生长出很多新生的骨细胞 所有填的纳米骨材料 最后会降解消失 骨缺损部能完全被新生骨取代 具有纳米级别的天然骨分级结构和天然骨的多孔结构 智能药物 美国正在设计一种纳米 智能炸弹 它可以识别出癌细胞的化学特征 这种 智能炸弹 很小 仅有20纳米左右 能够进入并摧毁单个的癌细胞 三 纳米技术在分子生物学中的应用工程 1 生物芯片技术生物芯片是基因生物学与纳米技术相结合的产物 它不同于半导体芯片 它是在很小的几何尺度的表面积上 装配一种或集成多种生物活性分子 仅用微量生理或生物采样 即可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 生物芯片可以粗略地分为细胞芯片 蛋白质芯片 生物分子芯片 和基因芯片 DNA芯片 等几类 都有集成 并行和快速检测的优点 已经成为21世纪生物医学工程的前沿科技 细胞芯片 利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面改性 选择和固定细胞及细胞面密度控制 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用作细胞分类和纯化等 2 纳米机器人纳米技术与分子生物学的结合将开创分子仿生学新领域 纳米机器人 是根据分子水平的生物学原理为设计原型 设计制造可对纳米空间进行操作的 功能分子器件 在血管中运动的纳米机器人 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 纳米机器人消灭癌细胞虚拟图 纳米机器人应用前景 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 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 检查体内疾病 四 纳米技术在相关领域的其他应用 1 生化检查伊利诺依大学迈尔 斯特拉诺 MichaelStrano 的研究组正研究用碳纳米管验血 原理 给纳米管涂上一层酶 它就能在有糖的环境下制造过氧化氢 然后激发电子流 当激发的电子流与红外线接触会发出光照 这是纳米管的一种独特反应 2 用量子点检测肿瘤细胞 由于量子点技术有其独特的标记特点 它必将成为今后生物分子检测的尖端技术 为DNA检测 DNA芯片 蛋白质检测 蛋白质芯片 和探索蛋白质 蛋白质之间 抗原 抗体 配体 受体 酶 底物 反应原理提供更先进的方法 同时也将极大的推动生物显像技术和生物制药技术的迅猛发展 给疾病的诊断和治疗带来巨大进步 3 跟踪生物体内活动 美国伯克利大学的纳米研究部门的崔先生指出 有的纳米颗粒具有发光功能 科学家们把这种纳米颗粒送进人的组织 器官内 然后从人体外部向内照射近红外线 纳米颗粒在体内会发光 可以跟踪了解人体细胞的变化情况 从而达到追踪病毒等效果 科学家们发现癌细胞特别喜欢吃纳米颗粒 这有助于跟踪癌细胞在人体内的活动 4 智能化的纳米药物传输系统 研究者制备的纳米粒子进入前列腺癌细胞中靶向传输化疗药物 把药物放入磁性纳米颗粒的内部 这些颗粒就可以自由地在血管和人体组织内运动加外磁场导向 使其向病变部位聚集 医用纳米材料的总结与展望 问题与展望 纳米技术与生物医学的结合 为医学界提供了全新的思路 纳米材料在医学领域的应用取得了显著效果 但纳米材料应用还很有限 尤其是在生物医学上面 目前大多数研究还处于动物实验阶段 还需大量临床试验予以证实 纳米材料应用的生物安全性有待进一步提高 这就要求生物医学研究者与纳米材料的研究人员合作需进一步加强 制造出更先进的生物医用纳米材料 现阶段问题 材料制备难度大 稳定性差 成本高 不利于产业化 技术指标和应用范围不明确 诊断与治疗 药物 器官与组织 生物安全 展望 生物医学检测诊断与治疗材料纳米生物材料将会使介入性诊断和治疗向微型 微量 微创甚至是无创 快速 功能性和智能化的方向发展 将来纳米机器人 它能通过人体内的氧气和葡萄糖获取能量 将可以代替医生的眼睛和耳朵 深入到患者的血液中 为医生的诊断带来最精确地数据 并且能够完成疏通血栓 吞噬病毒 杀死癌细胞等治疗功能 并且能对人体进行实时健康监控 但是 纳米机器人由于体积很小 同样可能对人体的健康产生负面的影响 纳米机器人还可以对器官进行修复手术 做整容手术 药物治疗上使用的材料纳米粒子不但具有能穿过组织间隙并被细胞吸收等特性 而且还具有靶向 缓释 高效 低毒且可实现口服 静脉注射及敷贴等多种给药途径等优点 因而在药物输送方面具有广阔的应用前景 纳米生物材料作为药物的控释系统具有光明的应用前景 纳米材料作为基因载体也将是今后很长时间的研究重点 以纳米颗粒作基因载体 即将DNA RNA等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附其表面 再在颗粒表面偶联特异性的靶向分子 如特异性配体 单克隆抗体等通过靶分子与细胞表面特异性受体结合 在细胞摄粒作用下 载体与药物的基因片段定向进入靶细胞 颗粒进入细胞后 在胞内溶酶体作用下 纳米颗粒被降解 基因治疗分子得以释放 从而实现安全 有效的靶向性治疗 功能性生物材料各种有着特定功能的材料将越来越多地应用到生物医学上去 未来几年生物材料中纳米陶瓷将在人造骨骼中发挥主导作用 有着各种特性的无机 有机复合纳米材料也必将在介入治疗 血液净化方面大展身手 纳米生物复合材料广泛存在于生物体 如竹 贝壳 骨和牙齿 中 但目前人工合成的纳米复合生物材料还较少 其发展潜力很大 模拟人体组织成分 结构与力学性能的纳米复合生物材