第八章-纳米材料在生物医学领域的应用-2

8.1纳米生物学和纳米医学概述8.2纳米生物材料8.3纳米给药体系和纳米药物载体8.4纳米医学的突破和应用8.5纳米生物工程，纳米材料在生物医学领域的应用，纳米医学，医学：研究人体疾病发生的内在原因，进行适当治疗的学科。 纳米技术给医学带来前所未有的技术革命。 “纳米”不仅意味着空间尺度，重要的是为医学提供新的认识方法和实践方法。 纳米技术与医学的结合，纳米医学大大提高了人类的健康和保健水平，使人们真正长寿。 纳米医学是指“利用分子器械和人体分子的知识，诊断、治疗、预防疾病和创伤，减轻疼痛，促进和维持健康的科学和技术”。 纳米医学的基础是分子纳米技术(molecularnANotechnology )和分子制备技术(molecularmANufacturing )。 应用分子仪器系统和纳米化药物处理医疗问题，应用分子知识在分子水平上维持人体健康。 成熟的纳米医学所构建的仪器和装置，必须达到原子的精度。 根据纳米理论和医学的特点和发展过程，纳米可以从三个方面与医学相结合：一是正确的探测技术，如疾病早期诊断的纳米传感器系统，二是治疗药物的纳米化。 西药的纳米化剂型，目前国外研究地特别深，但仍处于理论和实验室阶段，在我国，尤其是中医药领域，纳米中药仍是一个新课题，具有巨大的市场前景。 三、细致的治疗技术，如血管内纳米机械手术等，国外已经取得了一定的进展，但实际执行却有许多科研难题。 特别是电子技术、自动控制技术、机械加工、生物学技术等高度结合是必要的。 纳米医学在以下5个方面得到了突破：(l )分子水平认识和理解病变的机制(2)大大提高医学诊断和疾病检测的准确度(3)纳米医疗机器人和能够控制的体内微手术(4)克服癌细胞和病毒的特效药物(5)基因治疗、和8.4纳米医学的突破与应用、人类基因组计划(hummingnomeprofet，HGP)”“生命科学的阿波罗月球着陆计划”。 由于人类基因序列图的绘制，人类对人体的认识有望达到分子水平，在细胞分子结构和分子基因水平上真正认识和理解病变机制，为彻底根治疾病提供理论基础。 (l )在分子水平上认识和理解病变机制，(2)大幅提高医学诊断和疾病检查的精度，纳米级微传感器：直接插入活细胞内进行检查。 由于传感器尖端较小，插入活细胞内不会严重干扰细胞的正常生理过程，但能够在活细胞内充分获得反映其功能状态的动态信息，为临床疾病的诊断和治疗提供客观指标。 根据诊断和检查的目的，该传感器可移植到人体内不同部位，或与血液一起在体内流动，实时检查人体内细胞的健康状况和病变信息。 医学生物芯片：医学检查。 分析极少量血液中的蛋白质和DNA，可迅速诊断各种疾病。医学生物芯片、(3)能与纳米医用机器人完全控制的体内显微手术、显微手术-在血管中游走，捕捉并移动单一细胞，在血管壁上进一步去除心脏动脉上的脂肪堆积物，进入人体组织的缝隙去除病毒细菌和癌细胞，代替外科手术修复心脏、脑和其他器官等。 定位给药-纳米医用机器人能够在人体内自由穿梭的能力，将药物直接输送到损伤部位。 显微注射-将药物直接注射到病变细胞中，最快达到最好的疗效。 健康检查-纳米医用机器人对人体进行定期健康检查。绿色系统微手术机器人随着介入医疗、微创医学的发展，不断对人体内的医疗器械提出高要求，同时对表面性质的研究也有了新的认识。 无痛性微针指出： (4)特效药物攻击肿瘤癌细胞和病毒，人类基因组计划的成功解读了人类基因的遗传语言，揭示了基因结构和功能之间的内在关系以及生命的起源和演化过程，揭示了细胞的发育、生产和分化的分子机制，最终揭示了人类各种疾病的真正原因和机制在不断查明人类疾病病因的基础上，开发了各种特效药物。 直接杀死肿瘤癌细胞和病毒，修复受损人体细胞组织。 新的纳米药物也用于阻断肿瘤血管的生成，饿死癌细胞(图)。 (5)基因治疗，1基因治疗所需的“好”基因人工合成2人工合成的“好”基因，开发出将该基因运送到人体内的交通工具，在人体内寻找接受“好”基因的细胞。 三项关键技术的突破使基因治疗的疗效更好地提高了治愈率，更安全可靠。 基因治疗的三项关键技术是将正常基因导入特定细胞(癌细胞)，导入表达修复缺失基因或病原基因或治疗癌症功能的蛋白质基因，阻止体内病原基因的蛋白质合成，达到治疗目的。 是治疗学的一大进步。 可以将药物集中到疾病组织，用纳米药物隔断毛细血管，饿死癌细胞，大大提高药物治疗的效果。 纳米探针、美国科学家开发的纳米探针直径50纳米，外包银光纤，能够传导氦-镉激光。 在其前端粘贴有能够识别并结合BPT的单克隆抗体。 325nm波长的激光激发由抗体和BPT组成的分子复合体，产生荧光。 该荧光在进入探测光纤后被光电检测器接收。 这种高选择和高灵敏度的纳米传感器可以检测出许多细胞化学物质，监视活细胞的蛋白质和其他感兴趣的生物化学物质。 1 )以纳米尺度，应用生物学原理和新的纳米技术研究和解决生物学问题：了解生物大分子的微结构与功能的关系(这也是现代生物学发展的基础)。 2 )利用生物高分子制造分子器件，模仿生物高分子类似的分子机器进行制造。 纳米生物学(nanobiology )，关键词：纳米尺度、生物学问题、分子器件、8.5纳米生物工程、纳米技术与生物技术相结合的新领域。 为什么？生物技术与纳米技术的融合：生物分子具有自聚、自组织、自复制的功能，生物本身是纳米技术的最高模板。 另一方面，生物分子马达2、生物电子部件3、生物传感器和生物芯片4、纳米机器人和生物计算机是向细胞内释放药物的“分子马达”，分子马达是分子水平(纳米尺度)的复合体，是机械部件的最小实体即分子机械。 其驱动方式通过外部刺激(如化学、电化学、光化学等方法使环境发生变化)使分子结构、配置或结构象发生较大变化，这种变化可以控制和调制而不是随机的，所以系统在理论上有可能在对外机械工作。 美国康奈尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，开发了能够进入人体细胞的纳米机电子学“纳米直升机”。 该设备由两个金属推进器和一个金属棒组成，生物分子模块将人体生物“燃料”ATP转化为机械能，驱动金属推进器。 该技术还处于研究开发的初期，但将来有可能完成人体细胞内给药等医疗任务。另一方面，生物分子马达、纳米分子马达：腺苷三磷酸(ATP )聚合酶、ATP聚合酶由嵌入质膜的质子传导部分F0和推进部分F1构成，F1由膜外的3个-亚基和3个-亚基构成，F0和F1由-亚基构成ATP的合成和ATP水解推动质子跨膜旋转的过程是通过亚基的旋转来实现的。 图中，将游离的F1部分的子单元固定在玻璃板上，子单元上连接2.5um长的丝切蛋白灯丝，对灯丝进行荧光标记。 由于灯丝的长度约为F1直径的200倍，因此存在ATP时，显微镜观察到灯丝的旋转，对子单元的旋转进行说明。 另外，生物电子部件被大规模集成电路触发后，光器件也能够实现光/电子集成电路，若将电子电路的擅长的信息处理功能和光的擅长的大容量数据传送和记录功能组合，则能够期待实现超高性能的MPU和存储装置。 以因特网或便携式电话为代表的现代IT技术由半导体激光器或光调制器/光调制开关等为代表的光设备支撑，这些都是通过大规模集成电路技术的发展而实现的高性能化电子设备、大容量、高速信息交换等不可缺少的。 光学器件与电子器件的融合，三、生物传感器与生物芯片、标记肿瘤的纳米生物传感器，将荧光素(荧光蛋白)与靶因子结合，与肿瘤表面的靶标识符结合后，用体外测定仪显像，可确定肿瘤的大小和体位。 纳米磁性粒子与靶向因子相结合，与肿瘤表面的目标识别器相结合后，体外测量磁性粒子在体内的分布和位置，决定肿瘤的大小和体位。 纳米探针、美国科学家开发的纳米探针直径50纳米，外包银光纤，能够传导氦-镉激光。 在其前端粘贴有能够识别并结合BPT的单克隆抗体。 325nm波长的激光激发由抗体和BPT组成的分子复合体，产生荧光。 该荧光在进入探测光纤后被光电检测器接收。 这种高选择和高灵敏度的纳米传感器可以检测出许多细胞化学物质，监视活细胞的蛋白质和其他感兴趣的生物化学物质。 纳米机器人(nanorobot ) :这也是纳米技术中想取得划时代成果的部分，四是纳米机器人和生物计算机，第一代纳米机器人：生物系统和机械系统的有机结合体，如酶和纳米齿轮的结合体。 该纳米机器人可注入人体血管，进行全身健康检查，通过脑血管血栓，去除心动脉的脂肪堆积物，吞噬病毒，杀死癌细胞。 第二代机器人：由原子和分子直接组装具有特定功能的纳米级分子装置。 就像细胞核糖体一样，DNA和RNA可以根据传递的编码信息产生特定功能的蛋白质。 第三代纳米机器人：纳米计算机。 这是一个互动装置。 如果这个纳米机器人的开发成功的话，一秒内有可能完成数十亿次的操作，人类的劳动方式会产生彻底的变革。 画家写的纳米仿生机器人。 这种被称为徘徊者的纳米生物学可以向人体输送药物，进行细胞修复等工作。 纳米机器人正在清扫血管的有害堆积物。 纳米机器人可以在人的血管中自由游泳，对脑血栓、动脉硬化等病灶很容易清除，无需进行危险的开颅作业，由纳米DNA治疗装置和微机器人、瑞士苏黎世研究室的研究人员开发出来：将一般的DNA链固定在超固体(软件)上根据DNA链的互补原理，如果有与超固体上的DNA互补的，两链就形成双螺旋结构。根据这个原理，固定在某