《纳米技术及其应用》公选课课程考察论文.docx

纳米技术及其应用公选课考察论文 学院：材料与化学化工学院 专业：生 物 工 程 姓名：王 斌 学号：201002010117 选课序号：130纳米材料在生物工程中的应用 摘要纳米材料在生物传感器、人造器官、疾病分析与治疗、组织修复移植和药物控释载体等方面均有突出的贡献，纳米材料在生物工程方面的研究是当前材料领域研究的热点。主要介绍了纳米材料在生物传感器、人造器官和疾病的诊断方面的应用，概述了纳米材料在生物工程研究和应用实例。关键词】纳米材料：生物工程；生物传感器；控释载体纳米材料因具有特殊的结构效应，如小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应及介电限域效应等，使其在许多领域展示了广阔的应用前景1-3，尤其在生物工程中显示出潜在应用价值。其中纳米材料在生物传感器、人造器官、疾病分析与治疗、组织修复、药物载体等方面应用较为广泛。1 生物传感器生物传感器是由生物分子识别元件以及物理、化学换能器组成，可用于分析和检测多种生命和化学物质。其特点：体积小、分辨率高、响应时间短、所需样品少、对活细胞损伤小。近年来，采用纳米材料构建的生物传感器是当前的研究热点。纳米材料应用于生物传感器领域后，不但提高了生物传感器的检测性能，而且促发了新型的生物传感器，使生物传感器的化学和物理性质以及它对生物分子或者细胞的检测灵敏度大幅提高，检测时间也得以缩短，并且可实现高通量的实时分析检测。应用于生物传感器的纳米材料有纳米金属、纳米碳材料和纳米硅材料。II 纳米金属材料生物传感器目前有很多将纳米金属材料用作生物传感器的报道。对纳米金属材料尺寸、形状、吸附等特性的研究应用使得这项技术成为生物纳米技术最令人兴奋的部分。在众多纳米金属材料中，纳米金粒子是最常用的。由于纳米金具有较大的比表面积、较高的催化活性以及较好的表面控制性，使基于纳米金粒子构建的生物传感器具有非同寻常的特性。Jena等 用L-乳酸脱氢酶、羟胺和金纳米粒子制作了对L_乳酸盐敏感的生物传感器，该传感器具有灵敏度高、性能稳定、重现性好等特点。中科院上海应用物理所研制出一种新型的电化学DNA纳米生物传感器，其特色是通过对电极界面纳米尺度的精细调控，同时引入金纳米粒子进行电化学信号放大，从而显著提高了DNA检测的灵敏度IS。贺秀兰等将乙肝表面抗体(HBsAb)吸附在纳米金粒子上，利用聚乙烯醇缩丁醛(PvB)薄膜的笼效应把形成的复合物固定在玻碳电极表面，形成免疫传感器，对乙肝表面抗原响应。i2 纳米碳材料碳纳米材料中的碳纳米管有极好的抗拉强度、极高的化学稳定性、优良的导电性、极高的纵横比以及催化活性的表面，使得基于碳纳米管制作的生物传感器具有灵敏度高、反应速度快、性能稳定等特点，是制作生物传感器的理想材料。用碳纳米管制作的生物传感器除对单独存在的生物分子有极好的检测性能外，在混合体系测定中也显示了广泛的应用前景，能够对共存的生物分子选择性地检测其中某一物质，而不受其他共存物质的干扰。王存嫦等将葡萄糖氧化酶固定在由碳纳米管(CNT)、壳聚糖(CHIT)、甲苯胺蓝(TB)组成的复合膜(T CNTcHIT)电极上，该修饰电极对葡萄糖响应的线性范围为00510 mmolL，检测限为l0 molL。Valentini等8研究了在抗坏血酸存在下功能化的单壁碳纳米管修饰电极对肾上腺素的选择性测定，功能化的单壁碳纳米管修饰电极能显著提高肾上腺素的电化学检测灵敏度和选择性，而抗坏血酸和尿酸则观察不到电化学信号。为了研究该传感器对肾上腺素的选择性响应，Valentini等还用普通的碳纳米管进行了对比实验。结果表明，普通的碳纳米管修饰电极对肾上腺素没有选择性响应。13 纳米硅材料 对单晶硅进行电化学腐蚀可以得到具有纳米孔径的多孔硅，这种材料具有室温可见发光特性，同时还具有高比表面积和与现有硅加工技术相容的优点，因此吸引了很多研究者开拓其在生物传感器领域的应用。Lin等在多孔硅的表面固定抗体和DNA等敏感分子，通过检测光干涉和折射率的变化，构建了一种新型的免标记生物传感器，灵敏度可达1942i013 molL。美国耶鲁大学用传统方法研制出一种简易而敏感的硅材料纳米生物传感器，在抗体或者其他生物分子上覆盖了一层直径为30 rlm的纳米线，使其能够捕获特定种类的蛋白质。2 人造器官21 纳米陶瓷材料陶瓷材料在生物领域可制成具有生物活性的人造器官。纳米陶瓷材料的问世，克服了传统陶瓷材料气孔和微小裂纹，以及因这种结构缺陷所导致的可塑性差、脆性高等缺点，并使陶瓷材料的强度、硬度、韧性和超塑性都大为提高。它所具有的高生物相容性和低细胞黏附性使之在人工骨、人工关节、人工齿以及牙种植体、耳听骨修复体等人工器官制造方面，有更广泛的应用和极大的发展前景。常用的纳米陶瓷材料有羟基磷灰石、磷酸钙和氧化铝。羟基磷灰石分子式为Ca 。(P04)。(OH)，是脊椎动物的骨和牙齿的主要成分，与生物陶瓷中的其他生物材料相比，其对机体的亲和性最为优良，现在已经用它制成了人造牙根、骨填充材料及人工骨等生物材料。目前，采用各种方法在金属上涂上骨亲和性高的陶瓷，特别是能和骨发生化学结合的磷灰石，已经制造出更加先进的人工关节93。22 纳米复合材料从材料学观点来讲，生物体内多数组织均可视为由各种基质材料构成的复合材料，如骨骼、牙齿等就是由羟基磷灰石纳米晶体和有机高分子基质等构成的纳米生物复合材料。纳米复合材料可以模拟出与人体组织相似的细胞基质微环境，因而也应用于人工器官的制造。美国Arizona材料实验室和Princeton大学的研究人员用聚二甲基丙烯酸酯、聚偏氟乙烯和钛盐作原料，应用溶胶凝胶工艺合成的纳米TiOJ聚合物复合材料，用其作人工骨，其强度和韧性等力学性能与人体骨相当。Luo等用TEOS(正硅酸乙酯)在氢氟酸催化下，经溶胶凝胶法制得纳米孔结构的SiO ，再聚合制得SiO：PTEGDMA(聚四乙二醇一二甲基乙酰胺)纳米复合材料，比传统的牙科用复合材料具有更优异的耐磨性及韧性10。华东理工大学技术化学物理研究所开发成功的磷酸钙骨水泥(CPC)，采用的是纳米颗粒进行复合，CPC与机体亲和性好，植入人体后不引起异物反应，轻度的炎症反应很快消失，并且材料具有可降解性，能被新生骨逐步取代，具有十分良好的市场前景和经济效益。XuR等用聚氨酯和有柳蒙脱土经溶液插层、溶胶凝胶制得的纳米复合材料，在改善聚氨酯材料力学性能的同时，显著地降低了水蒸气及空气的透过率，更好地满足全人工心脏等植入人工器官的应用要求 。23 纳米碳材料碳是构成人体的重要元素。碳材料已在人工心脏瓣膜、人工齿根、人工骨与人工关节、人工血管、人工韧带和肌腱等诸方面获得应用。纳米碳材料中的纳米碳纤维除了具有微米级碳纤维的低密度、高比模量、高比强度、高导电性之外，还具有缺陷数量极少、比表面积大、结构致密等特点，利用这些超常特性和它的良好生物相容性，使碳质人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱的强度、硬度、韧性等方面获得应用并性能显著提高。纳米碳材料是目前碳领域中崭新的高功性能、高性能材料，也是一个新的研究生长点。对它的应用开发正处于起步阶段、预期在生物工程领域中将有重要的应用潜能和更广阔的应用前景12。3 疾病分析与治疗纳米材料不仅应用于生物传感器与人造器官，也适用于疾病分析与治疗。其中纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料、纳米碳材料在疾病分析与治疗上已有一定的应用。31 纳米金属材料纳米金属材料在生物工程中可以运用于各种疾病的治疗，如Kogan等 司开发出一种复合纳米部件来治疗蛋白淀粉样沉淀疾病，如早老性痴呆、帕金森病等。研究者将纳米金颗粒连接到一段短肽链上，这段肽链可选择性的结合到引起淀粉样沉淀的蛋白上。结合后的复合体在受到12 GHz微波照射时，其中的纳米金颗粒吸收辐射而放热淀粉样沉淀就会溶解。照射用的微波辐射强度很小，十分安全。32 纳米陶瓷材料生物功能陶瓷能够模仿人体某些特殊生理行为，不仅可以用来构成牙齿和骨骼等某些人体部位，甚至可以部分或整体地修复或替换人体的某种组织器官，或者增加其功能。科学家开发出放射疗法用的陶瓷微粒，把化学元素掺入纳米微粒内，制成放射线源材料，把它植入肿瘤附近，就可直接照射癌细胞又不损伤周围正常组织。目前，一种生物陶瓷材料硅酸铝钇(YAS)可以满足这些要求。初步临床表明，用这种材料治疗可以大大延长病人的寿命n劬。33 纳米高分子材料纳米高分子粒子用于某些疑难病的介入性诊断和治疗。纳米粒子的直径比红血球(69 u m)小得多，可以在血液中自由运动，因此可以注入各种对机体无害的纳米粒子到人体的各部位，检查病变和进行治疗。目前已有的动物实验结果表明，将载有抗增生药物的乳酸一乙醇酸共聚物纳米粒子，经冠状动脉给药，可以用于冠心病的治疗蚓。34 纳米碳材料由于碳纳米管(cNT)特殊的结构与性能，在免疫分析中也显示了较强的优势。Okuno等16制作了基于单壁碳纳米管的免标记的电化学免疫传感器，采用微分脉冲伏安法对癌症标记物前列腺特异抗原进行电化学检测，检测限025 ngmL。Elkin等将病原体的特异性抗体固定在单壁碳纳米管上制成免疫传感器，对0157型的大肠杆菌的病原体有特异性识别作用。Panchapakesa等将单克隆抗体吸附在单壁碳纳米管上，单克隆抗体对类胰岛素生长因子受体(IGF1R)具有特异性，而这种受体在癌细胞中的水平较高，通过抗体与受体(IGFlR)之间的相互作用可对癌细胞进行检测。4 组织修复与移植纳米复合材料和纳米高分子材料具有良好的生物相容性，对细胞和生物体无毒副作用；具有生物可降解性，且降解速度应与新组织形成速度