纳米技术在医学上的应用

1、纳米技术在医学上的应用 成员：刘春亮，戴慧平，曾俊 主讲人：刘春亮 前言 纳米医学是在分子水平上，利用分子工具和人体的 分子知识，所从事的诊断、医疗、预防疾病、防止外伤、 止痛、保健和改善健康状况等科学技术。换句话讲，人们 将从分子水平上认识自己，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。 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

2、， 使人类拥有持续的健康。 一、在诊断方面的应用一、在诊断方面的应用 1 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 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(atomic force microscope，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

3、，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(scanning tunneling microscope)只适用于 具导电性样品的不足之处 。 3 3、影像学诊断 （1 1）纳米粒子在影像学诊断中应用 将纳米氧化铁造影剂静脉注射以后，氧化铁颗粒被 血液带到身体的各部位，只是在肝脏和脾脏被网状内 皮细胞吸收。肝脏内的网状内皮细胞是由枯否细胞的 巨噬细胞构成，它可以吞噬氧化铁颗粒；而恶性肿瘤 细胞仅含有极少量的枯死细胞没有大量吸收氧化铁的 作用。 纳米氧化铁造影剂就是利用正常细胞和恶性 肿瘤细胞之间的这种功能差异别，显示出其对 这些病灶诊断的特异性纳米氧化铁在正

4、常 细胞和肿瘤细胞的数量不同，会造成信号强度 的差别，这种差别在核磁共振图像中，由于正 常组织吸收纳米氧化铁表现为暗的低信号，而 病灶不吸收纳米氧化铁表现为亮的高信号。这 样，病灶与正常组织在核磁共振图像上会有较 大的对比。 (2) (2) 光学相干层析术(oct)(oct) 一种新型的纳米影像学诊断工具 oct oct的分辨率可达1 1个微米级，较ctct和核磁共振的精密度高出 上千倍。它能每秒20002000次完成生物体内活细胞的动态成像，观 察活细胞的动态，发现单个细胞病变，且不会像x x光、ctct、磁共 振那样杀死活细胞。 4. 4. 激光单原子分子探测术 具有超高灵敏性激光单原子分

5、子探测术, ,可在含有10001000亿亿 (10(1019 19) )个原子或分子的1cm 1cm3 3气态物质中，在单个原子分子层次上 准确获取其中一个。它可通过人的唾液、血液、粪便以及呼出 的气体, ,及时发现人体中哪怕只有亿万分之一的各种致病或带病 游离分子。 5 5. .微小探针技术 利用纳米级微小探针技术, , 可向人体内植入传感器 ，根据 不同的诊断和监测目的，可定位于体内的不同部位，也可随血 液在体内运行，随时将体内的各种生物信息反馈于体外记录装 置。 6. 6. 癌症的早期诊断 中国医科大学第二临床学院把纳米级微粒应用于医学研究, , 完成了超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体的研究

6、。运用这项研究 成果, ,可以发现直径3 3毫米以下的肝肿瘤。这对肝癌的早期诊断、 早期治疗有着十分重要的意义。 二、在治疗方面的应用二、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 u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

7、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，所有填充的纳 米骨材料，最后会降解消失，骨缺损部能完全被新生 骨取代。 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 人工红血球人工红血球 纳米医学不仅具有消除体内坏因素的功能，而且还 有增强人体功能的能力。我们知道，脑细胞缺氧6至10分 钟即出现坏死，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。设想一种 装备超小型纳米泵的人造红血球，携氧量是天然红血球的 200倍以上。当人的心脏因意

8、外，突然停止跳动的时候， 医生可以马上将大量的人造红血球注入人体，随即提供生 命赖以生存的氧，以维持整个机体的正常生理活动。它可 以应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体 育运动需要的额外耗氧等。 随着转子的转动，气体分子与转子上的结合位点结合再 释放到血浆中。 纳米药物输运纳米药物输运 纳米微粒药物输送技术也是重要发展方向之一。目前，有半数 以上的新药存在溶解和吸收的问题。863计划项目“纳米药物制剂的 生物效应研究”，当药物颗粒缩小时，药物与胃肠道液体的有效接 触面积将增加，药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小而提高。利 用纳米晶体技术将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，提高溶解性和

9、难溶性药物的药效率。同时，纳米药物制剂的赋形剂在胃肠道中起 表面活性剂的作用，也提高了纳米药 物颗粒的溶解率。一旦，不溶性药 物转变成稳定的纳米颗粒，就适合 于口服或者注射了。 捕获病毒的纳米陷阱捕获病毒的纳米陷阱 密西根大学的donald tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病 毒的纳米陷阱。体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染细胞之前就 捕获它们，同样的方法期望用于捕获类似爱滋病病毒等更复杂的病毒。 此纳米陷阱使用的是超小分子，此分子能够在病毒进入细胞致病前即与 病毒结合，使病毒丧失致病的能力。通俗地讲，人体细胞表面装备着含 硅铝酸成分的锁，只准许持钥匙者进入。不幸的是，病毒竟

10、然有硅铝 酸受体钥匙。tomalia的方法是把能够与病毒结合的硅铝酸位点覆盖在 陷阱细胞表面。当病毒结合到陷阱细胞表面，就无法再感染人体细胞了。 陷阱细胞由外壳、内腔和核三部分组成。内腔可充填药物分子；将来有 可能装上化疗药物，直接送到肿瘤上。研究者希望发展针对各种致病病 毒的特殊陷阱细胞和用于医疗的陷阱细胞库。 识别血液异常的生物芯片识别血液异常的生物芯片 美国圣地亚国家实验室做 了一个雏形装置，发挥芯片实 验室的功能，它可以沿血流流 动并跟踪感染了爱滋病的细胞。 血液细胞被导入一个发射激光 的腔体表面， 从而改变激光 的形成。癌细胞会产生一种明 亮的闪光；而健康细胞只发射 一种标准波长的光

11、，以此鉴别 癌变。 三、纳米制药技术 1 1、纳米西药 纳米晶体技术可将药物颗粒转变成稳定的纳米粒 子，同时提高溶解性，以提高难溶性药物的药效率。 加工中，不溶的药物是被悬浮在含一般认为安全的稳定剂 和赋形剂的悬浮液中。 （1 1）将不易被人体吸收的药物（如雌二醇）或食品做 成纳米粉或悬浮液，就变得容易吸收，提高了药物的 生物利用度。 （2 2）把纳米药物做成膏药贴在患处，可通过皮肤直接 吸收而无须注射。 医药专家认为，利用纳米技术加工的细粒药物还 适用于口服控释片、颊含片、干粉吸入剂、鼻喷雾剂、 舌面速溶片以及植人式制剂和脂质体等多种剂型。 最近，美国科研人员利用“纳米药物制剂”的 新工艺，

12、将水溶性不佳或难溶药物的分子制成囊状 物或包在聚合物基质中加工成纳米颗粒，从而大大 提高某些药物的生物利用度。 胰岛素口服要解决胃内酸降解、胃肠内酶水解、 穿透胃肠粘膜及肝脏首过作用四个问题。胰岛素普 通制剂直接口服后，吸收只有1 1。而采用纳米技术 的胰岛素口服给药系统成功地解决了这一问题 2 2、纳米中药、纳米中药 科学证明，中药的药效取决于其所含有的有效活性成分，科学证明，中药的药效取决于其所含有的有效活性成分， 这样的有效成分主要存在于细胞内和细胞间质当中，植物细胞这样的有效成分主要存在于细胞内和细胞间质当中，植物细胞 的细胞壁和动物细胞的细胞膜成为这些有效成分的保护层。传的细胞壁和动

13、物细胞的细胞膜成为这些有效成分的保护层。传 统的加工方法无法破碎掉这些保护层，致使中药的药效不能充统的加工方法无法破碎掉这些保护层，致使中药的药效不能充 分发挥，造成原料的浪费。分发挥，造成原料的浪费。 纳米生物技术为中药的加工工艺提供了全新的技 术思路和解决方案。其指导思想是：用一种特殊的物 理制备技术，在常温条件下，将鲜活的中药原材料进 行纳米级（或亚微米级）的超微破碎，一方面将药材 本身的细胞壁（膜）完全击破，使得细胞中最为重要 的核酸物质和其它有效活性成分充分溢出；另一方面 将有效成分的大分子物质破碎成能被人体直接吸收的 小分子颗粒悬浮在原生母液中，再采用特殊的保鲜方 法将活性有效成分

14、完好地保持在其本然的鲜活状态。 该技术的应用可使中药加工呈现如下优势： 提高吸收率 降低毒副作用 增强功效 改善剂型品质 四、治疗肿瘤 一、可治疗癌症的纳米粒子 武汉理工大学李世谱教授经研究发现，某些纳米 材料可杀死癌细胞，有效抑制肿瘤生长，而对正常 细胞组织丝毫无损。李世普教授成功研制出羟基磷 灰石复合陶瓷。羟基磷灰石是骨骼中的一种成分， 与人体有良好的相容性，研究发现，羟基磷灰石的 纳米材料是对付癌细胞的有效武器。委托北京医科 大学等权威机构做的细胞生物学试验表明，纳米粒 子可以杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细 胞。年进行动物实验显示，向老鼠体内肿 瘤注射羟基磷灰石纳米粒子溶胶 ,

15、, 天后抑瘤率 . .，外观上肿块消失。 二、表面包复的磁性粒子在治疗肿瘤上的应用 1. 1. 利用磁性纳米粒子用于癌病的诊断和治疗 带有磁性的纳米fefe2 2o o3 3微粒是发展这种技术的 最重要的对象。例如10-50nm10-50nm的纳米fefe2 2o o3 3磁性粒 子表面包覆甲基丙烯酸，尺寸为200nm,200nm,这种超细 粒子携带蛋白、抗体和药物可以用于癌病的诊断 和治疗。这种局部治疗效果好，副作用少，成为 癌病的治疗方向。 （1 1）靶向性治疗癌症 将磁性纳米颗粒与药物结合, ,注入到人体内, ,在外 磁场作用下, ,药物向病变部位集中, ,从而达到定向治 疗的目的, ,

16、将大大提高肿瘤的药物治疗效果。 以张阳德教授为首的课题组，从19951995年开展了 “高性能磁性纳米粒dnadna阿霉素治疗肝癌”课题的研 究，他们将肝肿瘤移植到老鼠身上， 并将载带抗肿瘤药物阿霉素的纳米微囊注射到老鼠体 内，结果发现，磁性阿霉素白蛋白纳米粒聚集在老鼠 癌变位置。7 7天后，大部分癌细胞被抑制，外观上肿 块消失。此实验证明，纳米微囊对癌细胞具有高度的 靶向性，选择性杀死癌细胞，且不损伤正常细胞，对 移植性肿瘤疗效好，在人体上应能达到相应的效果。 ( (2 2) ) 原位“灼烧”或“爆炸” 治疗癌症 研究人员将极其细小的氧化铁纳米颗粒，注入患者的 癌瘤里，然后将患者置于可变的磁

17、场中，使患者癌瘤 里的氧化铁纳米颗粒升温到45454747摄氏度，这温度足 以烧毁癌瘤细胞，而周围健康组织不会受到伤害。有 科学家设计了一种“聪明”的炸弹，它通过认读癌细 胞的化学“签字”，把癌细胞做为靶细胞，该炮弹小 到约2020纳米，能进入单个细胞并把它炸得片甲不留。 2. 2. 利用磁性纳米粒子分离癌细胞 例如采用约50nm50nm的纳米fefe2 2o o3 3粒子，包覆聚苯乙 烯后，成功用于小鼠骨髓液中癌细胞的分离。首先 从羊身上取出抗小鼠fcfc抗体（免疫球蛋白），然后 与上述磁性粒子的包覆物相结合。将小鼠带有正常 细胞和癌细胞的骨髓液取出，加入小鼠杂种产生的 抗神经母细胞癌单克隆抗体，此抗体只与骨髓中的 癌细胞结合。最后将带抗体和包覆层的磁性粒子放 入骨髓液中，它只与携带抗体的癌细胞相结合。 利用磁分离装置很容易将细胞从骨髓中分离出来，分离率达 99.9%99.9%以上。 伦敦的儿科医院、挪威工业大学和美国喷气推进研究所 利用这种技术成功地进行了人体骨髓液细胞的分离来治疗癌 病患者。 五、生物兼容物质 生物兼容物质的开发，是纳米材料在医学领 域中的另一个重要应用。因植入物的不兼容性会 引起炎症反应或排斥反应，而纳米物质所