生物医药材料

纳米生物医药材料 纳米生物医用材料药物的纳米化技术 纳米药物把不容易被人体吸收的药物或食品 如维生素等作成纳米粉或纳米粉的悬浮液极易被吸收 如果把纳米药物做成膏药贴在患处 药物可以通过皮肤直接被吸收 而无须注射 省去了注射的感染 中药饮片往往是用传统的煎煮方法 而目前虽进行中药制剂改良 但只是提取中药所含的小部分成分 约占总成分的10 至30 药效大受影响 使用纳米技术可充分提取中药成分 既节省中药原材料 用量少 又具有吸收快 疗效快及使用方便等优点 用纳米技术发展中药 是中药未来发展的方向 运送药物的 导弹 把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性纳米颗粒的内部 这些颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动 如果在人体外部加以导向 使药物集中到患病的组织中 那么药物治疗的效果会大大提高 Fe3O4磁性纳米粒子 靶向药物 生物导弹 近来发现C60的结构能够迅速地与爱滋病毒结合 而将爱滋病毒的毒性减低 故可发展C60的衍生药物来阻止病毒的扩散 亦有报导指出 C60球内可填充金属元素 未来可利用其中空构造来携带药物 当这些纳米药物导弹进入人体到达患病处时 释放其内部的药物以破坏病毒体内的基因蛋白机制 达到准确歼灭目标的作用 仿生材料与生物分子纳米器件 仿生 biomimetics 1960年 T Stelle 指模仿或利用生物体结构 生化功能和生化过程的技术 目的 获得接近或超过生物天然材料优异性能的新材料 或用天然生物合成的方法获得所需材料 纤维 具有蜘蛛牵引丝强度陶瓷 具有海洋贝类韧性等 制备仿生的硬组织材料 目的 替换 修复损伤的天然硬组织 无机 高分子复合材料最受关注 生物分子与纳米器件 生物纳米材料纳米 10 9m细胞 10 6m生物大分子 纳米量级亚细胞结构 几十 几百纳米核酸 蛋白质 病毒 细胞器 1 100nm 2 DNA纳米材料 金属DNA 新一代生物传感器和半导体导线DNA易将金属离子并入双螺旋的中心遗传畸变探测生物传感器鉴别混合物筛选结合于DNA的看肿瘤药物用作微细半导体线路的导线 生物芯片在很小几何尺度的表面上 装配一种或集成多种生物活性 仅用微量生理或生物采样 既可以检测不同的生物细胞 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 优点 集成 并行和快速检测 细胞芯片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 蛋白质芯片 生物分子芯片 将生物分子作为配基 固定在固体芯片表面或表面微单位上 利用生物分子间的特异结合的自然属性 待测分子与配基分子在芯片表面会形成生物分子复合物 然后 检测此复合物的存在与否 达到对蛋白质的探测 识别和纯化的目的 基因芯片 DNA芯片 DNA芯片又称为寡核苷酸阵列或杂交阵列分析 根据DNA双螺旋原理而发展的核酸链间分子杂交的技术 它的基本结构类似于面阵型蛋白质芯片 在芯片表面能够制备成千上万的基因单元作为配基 对待测基因进行筛选 可以快速分析大量的基因信息 使人们可以研究并收集基因表达和变异信息 3 分子马达 定义 由大分子构成 利用化学能进行机械做功的纳米系统 天然分子马达 驱动蛋白 RNA聚合酶 肌球蛋白等 在生物体内参与了胞质运输 DNA复制 细胞分裂 肌肉收缩等一系列重要生物活动 分子马达不但能够为未来的分子机械提供动力 还可使我们更深入地了解一些具有相似结构的生命有机体 例如肌肉纤维及推动细菌运动的纺织锥形鞭毛 在纳米技术的萌芽阶段 科学家已经制造了很多微型器件 但是缺乏驱动它们的马达 分子马达的研究成果将使纳米技术研究提高到一个新水平 世界上最小的马达 由78个原子构成 4年的时间 美国康纳尔大学 纳米直升机利用ATP酶为分子马达的一种可以进入人体细胞的纳米机电设备 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 有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务 4 纳米智能药物 适时准确地释放药物 微型药房 硬币大小 智能化传感器 具有上千个药库的微型芯片 每个小药库里可容纳25nl不同药物 纳米智能炸弹可识别癌细胞的化学特征 仅20nm左右 能够进入并摧毁单个癌细胞 c 人造红血球一微米大小的金刚石氧气容器 内部有1000个大气压 泵浦动力来自血清葡萄糖 它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的236倍 并维持生物碳活性 贫血症的局部治疗 人工呼吸 肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等 d 纳米微粒药物输送技术缩小药物颗粒尺寸 提高药物溶解速率 提高难溶性药物的药效 不溶的药物被悬浮在安全的稳定剂和赋形剂的悬浮液中 就适合口服或注射了 e 纳米陷阱 捕获病毒使用超小分子 在病毒进入细胞致病前即与病毒结合 是病毒丧失致病的能力 已捕获病毒 流感病毒利用纳米微粒进行细胞分离 疾病诊断 制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等 5 细胞视紫红质 紫膜 生长在极端嗜盐菌原生质膜上的一种物质 细菌视紫红质 在嗜盐菌紫膜中含有与视觉中的视紫红质相类似的蛋白质 并且紫膜中只有这种唯一的蛋白质 可利用光能合成腺苷三磷酸ATP 类似光合作用 也可在无光情况下进行氧化磷酸化 进行细菌的生长繁殖 应用 光能转换机理研究 作为纳米生物材料 每公斤近1亿美元 相当于黄金的1万倍 6 细胞器 纳米微型机器 尺寸小于10纳米的超细微粒可以在血管中自由移动 微型医用机器人 多层聚合物 黄金外型类似人的手臂 希望能在血液 尿液和细胞介质中工作 可捕捉和移动单个细胞 机器人进行全身健康检查和治疗 包括疏通脑血管中的血栓 清除心脏动脉脂肪沉积物等 还可以吞噬病毒 杀死癌细胞 7 生物分子纳米技术与器件 纳米颗粒的稳定性受外界环境影响很大 因此利用反胶束 单分子膜 自组装等方法制备纳米颗粒 以表面活性剂等使颗粒稳定 活的半导体 能嗅出生物站所用的毒气 纳米传感器 探测单个活细胞 尺寸小于10纳米的超细微粒可以在血管中自由移动 在目前的微型机器人世界里 最小的可以注入人的血管 它一步行走的距离仅为5纳米 机器人进行全身健康检查和治疗 包括疏通脑血管中的血栓 清除心脏动脉脂肪沉积物等 还可以吞噬病毒 杀死癌细胞 4 3药物的纳米化技术 1 纳米药物控释系统 药物的控制释放 指通过适当的药物传输方式 将药物适时 适量地应用到给定目标 并且在传输过程中避免药物的分解及不必要的预期外效应 通常药物的控制释放是将药物与某种基质结合在一起 使药物通过扩散等方式在一定的时间内 以某种速率释放到环境中 纳米药物控释系统的应用 在恶性肿瘤治疗中的应用靶向血脑屏障的药物 理想的药物缓释系统 血管中 2 纳米药物与制剂 纳粒具有最大的溶解度 控制纳粒的大小及粒度分布可以达到控制药物释放速率提高功效和药物有效利用率 如 具有生物活性的各类肽类药物 如治疗Paget和血钙过多病的降钙素 防止手术接枝排斥提高免疫性的CyclosporinA 治疗胰岛素依赖性糖尿病的胰岛素等 非水溶性的药物稳定的水悬浊液 皮下注射 随血液循环颗粒纳米化 不会滞塞或阻塞血液循环系统 气溶胶喷雾类药剂如治疗哮喘病的药物 其颗粒大小是决定功效的关键因素 目前颗粒只达到微米级 药物纳米化的主要优势 1 减小粒径 控制粒径分布等可提高药物的溶解性 使药物易于吸收 2 可生物降解 3 靶向输运 4 可控释放 5 根据具体用药的情况而具有如易于透皮吸收 易于穿过血脑屏障等优点 纳米药物的应用 抗肿瘤药物的载体抗生素和抗寄生虫药物的载体口服药物的载体眼用药物的载体靶向脑部给药的载体靶向骨髓给药的载体基因药物或蛋白质药物的载体 纳米技术与中药现代化 目前中药的主要剂型 传统剂型 汤剂 丸剂 冲剂 现代剂型 滴丸 粉针剂和缓释剂 1 纳米中药的发展历史 1998年 华中科技大学徐碧辉等研究发现 当把中药牛黄加工至纳米级水平时 其理化性质发生了明显变化 疗效提高并获得了一定的靶向作用 徐碧辉据此提出了 纳米中药 的概念 并申请了纳米中药技术的第一个专利 定义 指运用纳米级数制造的 粒径小于100nm的中药有效成分 有效部位 原药及复方制剂 2 纳米中药的特点 使中药制剂标准化 国际化 纳米中药的量子尺寸效应和表面效应将使传统中药的理化性质 生物学活性和药理学性质发生变化 从而赋予传统中药一些新的药效 拓展了中药的应用范围 改善传统中药药物的溶出度 提高生物利用度 增强治疗效果 减少用药量 减少中药的毒副作用 节约中药资源 延长一些药性剧烈而药效时间较短中药的作用时间 如一些辛香走窜的药物 如 麝香 樟脑 冰片等 可使某些中药更好地通过血脑屏障 改变重要的传统给药途径和剂型 对传统中药进行纳米化处理 有可能使某些重要原有的缺陷得到纠正 疗效增加 但也可能适得其反 还可能产生新的药理效应或毒副作用 这种纳米化后中药有效成分和药效学的不确定性 将给药物质量的稳定可控留下隐患 也开辟了重要药理新的研究方向 3 纳米中药的研究进展 纳米粒 纳米球 纳米囊 纳米脂质体和纳米靶向控释系统 新工艺 新辅料 新设备 大 黑 粗 将矿物药和某些难溶性药物制成纳米级颗粒 以提高药物有效成分的溶出率和生物利用度 如纳米钙 雄黄纳米粒等 华中科大纳米药物有限公司 人参 鹿茸 珍珠 芦荟 淮山 千层塔 何首乌 海参 大都 胡萝卜 重质碳酸钙等 平均粒径 20 60nm 深圳安信纳米生物科技有限公司 首创新型抗感染原料药 广谱速效纳米抗菌颗粒 25nm 具有广谱 亲水 环保等多种性能 采用纯天然矿物质 不会使细菌产生耐药性 以此为原料药 开发出创可贴 溃疡贴等 西安量微生物纳米科技股份有限公司 对植物生理活性成分和有效部位进行提取 用超音速干燥技术制成纳米级包囊 3 生物检测 医学诊断与治疗用纳米材料 新型荧光检测技术 纳米晶量子点铁氧体纳米磁性材料及相关应用技术磁性微球在生物分离等方面的应用纳米磁性材料在肿瘤磁过热疗法中的应用纳米生物传感器 局部过热疗法通过物理 化学的作用 在肿瘤病灶区产生43 47 过热 是肿瘤治疗的有效方法之一 如射频治疗 超声聚焦治疗或将热探针直接插入肿瘤部位进行加热等 但这些治疗方案一般都存在热效率低 热场分布不易匹配肿瘤的立体结构等问题 肿瘤细胞吸收纳米铁颗粒的能力是正常细胞的8 400倍 含纳米微粒的肿瘤细胞在分裂时仍然含有磁粒 含纳米铁微粒肿瘤细胞极易受到MFH的杀伤 细胞内热疗 将含有磁性纳米颗粒的流体 纳米磁流体 注入肿瘤部位 被肿瘤细胞摄入并富集 外加交变磁场使肿瘤部位升温死亡 但周围的正常组织不受影响 4 纳米医学造影材料 磁共振成像MRI 优势 1 颗粒具有纳米尺度 磁化率等磁学性质更好 2 纳米微粒可在身体的一些特定部分内富集 达到被动靶向的目的 3 纳米材料可相对容易的进入细胞 并可能特异性地与一些细胞器相作用或相结合 为今后开展更高分辨率的成像研究奠定基础 缺点 1 价格昂贵 2 大部分纳米材料作为医学造影剂的长期安全性 5 分子生物芯片 能对生物成分或生物分子进行快速并行处理和分析的厘米见方的固体薄型器件 生物电子芯片凝胶元件微阵列芯片药物控释芯片毛细管电泳芯片PCR扩增芯片集成DNA分析芯片生物传感芯片毛细管电层析芯片 6 口腔医学纳米材料 牙釉质 天然的具有纳米结构的材料构成的硬组织器官 天然牙体中纳米级的羟基磷灰石颗粒与胶原蛋白等活性物质的复合物赋予了牙组织的特异的高强 耐磨等生理功能 纳米化陶瓷与牙科陶瓷材料 全瓷冠桥修复系统与纳米氧化铝牙科陶瓷纳米碳与牙釉质修复材料复合纳米牙科充填材料纳米复合黏结剂与防龋材料 纳米材料与口腔疾病治疗 纳米材料与口腔颌面骨缺损治疗纳米HAp 比表面大 陶瓷韧性极佳纳米HAp与聚酰胺 纳米磷酸钙 胶原复合人工骨材料 2 纳米材料及技术与口腔颌面恶性肿瘤治疗恶性肿瘤磁性纳米粒子磁导靶向化疗与热疗恶性肿瘤颈淋巴结转移灶靶向纳米治疗 3 牙科麻醉剂投药和牙本质过敏的治疗无痛麻醉 永久治疗过敏 纳米生物医药材料的发展方向 纳米生物医用材料 部件 与纳米医用无机材料及晶体结构 部件 相结合 由纳米微电子控制的纳米机器人 尺寸比人体红细胞小 药物可以制成纳米尺寸 直接注射到病变部位 大大提高医疗效果 减少副作用 而药物的器官靶向化 药物的细胞内靶向化将会成为最热门的课题 3 纳米生物医药材料将会使介入个性诊断和治疗向微型 微量 微创或无创 快速 功能性和智能化的方向发展 4 纳米生物医药材料作为药物的控释系统具有光明的应用前景 在基因工程迅速发展的今天 纳米材料作为基因载体将是今后很长时间的研究重点 5 模拟人体组织成分 结构与力学性能的纳米生物活性仿生医用复合材料是一个非常重要的研究方向 纳米材料可能对人体有害 纳米材料纳米材料体积非常小 同样质量下纳米颗粒将比微米颗粒的数量多得多 与细胞发生反应的机会更大 更易引起病变 纳米材料很小 可以几乎不受阻碍地进入细胞 从而有可能进入人的神经系统 影响人的大脑 导致一些更严重的疾病和后果 潜在危险 易爆炸 纳米材料具有反常特性