纳米技术在生物领域中的应用(精)

1、化学通报 2002 年 第 65 卷 w038纳米技术在生物领域中的应用 洪元佳洪广言*牛春吉（中国科学院长春应用化学研究所稀土化学与物理开放实验室长春130022）摘要对纳米技术在生物及相关领域应用的纵深发展作以介绍装系统生物芯片关键词 纳米生物 应用模板自组 Applications of Nanotechnology in Biochemistry Hong Yuanjia, Hong Guangyan, Niu Chunji（Key Laboratory of Rare Earth Chemistry and Physics, Changchun Institute of Applie

2、d Chemistry, Changchun 130022）Abstract Developments in nano-biology and nano-chemistry have been introduced in this article, including nano-devices, template self-assembly system, tissue engineering, nano-probe, nanosensors,integrated systems nanotechnologies and nano-technologies for drug delivery.

3、Key words Nano, Biology, Application纳米技术涉及面十分广泛化学医学和材料等有关的领域对许多科技领域产生了巨大的影响可以认为生物世 界是由纳米级单元构成例如3 0 0 0 n m体内的RNA蛋白质复合体寸比生物体内的大多数器官小相应地细胞行为更好调控而且具有重要的应用价值近年已取得长足发展本文对纳米生物 学及相关领域近期的新发展作以介绍F1-ATPase（F1三磷酸月M甘酶）是细胞中精巧鬻镯迪嗣的之一在能量循环中起关键作用初级能源）的大型嵌膜复合体26岁现从事纳米材料研究9 0 0 0 n mBBS.蛋白质的尺寸为1生物纳米粒子的尺即在纳米水平上有助于对2 0

4、 n m之间因此是一种用于合成ATP（三磷酸腺甘作功吸收和传导等的2001-12-31 修回化学通报 2002 年 第 65 卷 w038Boyer3曾提出F1-ATPase分子模型马达Noji5突破常规并通过在膜的F0部分作为巨型探针以提供旋转马达负载然后将整个分子固定于Ni-NTA （Ni氨三乙酸配合物）涂敷的玻璃基底上他们直观观察到F1-ATPase分子的单个旋转F1-ATPase系缚的肌动肮细丝才能旋并符合X射线晶体结构预测的方向说明尺寸只有10nm的F1-ATPase酶是一种新的马达蛋白肘4黑朝而且链霉抗生素蛋白Ni-NTA盖玻片图1 F1-ATPase蛋白分子马达Fig.1 Exp

5、erimental system for the observation of the rotation of the g subunit in F1- ATPase自然界中有一些细菌可以靠摆动其鞭毛而运动是一个由蛋白质构成的转子有ATP酶的活性制造出了一种分子马达把金属锲制成的螺旋桨嫁接到三磷酸腺甘酶分子中轴上浸于ATP溶液后达只在显微镜下才能被观察到但另5个则转动起来达到750nm它的中心每个蛋白质分子都具带动鞭毛摆动这种马聒熊卿?D? e?1?2 ip?d?3?0 a 孩6 ?6切Dy 刈p?YDy ? ?Ue?o?|3? p?e? 8e e? ? a ?o ? ? o ? ? i?X

6、a?o ? eu?y 3母? ?谩？ e e? u? o 1a ? u?U e? e? p?D? ?eD i? ? o ? a ? o ?X6?e ? p?D? ? al? i?N 3oie?D?e ?X?UD p?+?t解渊渊ay e?e ?2a6 DO? ?a? ?D?+ ?u /? i? i e?a ? 0 i ?3? e? p? e e?一?a髓谶济o f?D?+ X3e?-3e?-?t?e p?e ?X?D?一 化学通报 2002 年 第 65 卷 w038利用小型和浓度图纳米机械还可以利用DNA基本元件碱基的配对机制研究人员设计出三条DNA链A的另一半与C的一半结合开合的银子银子合

7、上配对的部分结合子反复开合这种 银子的10同时绘制出它的分布燃料A枢钮nm长毓腮盛D仍留出一部分未配对的碱基即能使银子重新张开银子保持这样就构成了 一个可以的状态使使它与链D上碱基未可使银故将DNA称为利用碱基配对机制使它分别与B和C上碱基未配对的部分结合a 炊6 QxexM3妨u ? o ?31? ?阑黜II&?(?.&6?XeX?。? ?e?坨。6 ?o ?a 炊6 ?X /。o D1i?O扉藤曲o D?Q ? X o06a ?u ay? ?-e?嘉期出e (33? e? a ? o ? e?Xa 孩6? o?ob?q?这些分离效率合成的纳米结构材料有许多特殊的性质储存特性和从运输行为胶体

8、中释放的动力学特性等12,13Q y e?o?-Xo D?3e o 2一核类似分子马达的生物组有利用生物分子作为模板合成无机纳米粒子酸可以根据双螺旋结构进行自组装装可用作输运作用等可能实现不同纳米粒子间的组装形状和结构等CdS粒子利用蛋白质作为模板合成 CdS纳米粒子15利用哺乳动物眼睛晶状体管蛋白作为模板合成纳米尺寸的17郭中满等14利用含有正硅酸乙酯借助产荟叶外表皮细胞壁模板生物矿化合成了针状纳米结构SiO2晶体这些针状结构中含有高水平硅而对照株叶片的扫描电镜切片上晶体数量极少DNA分子或其片断也可用作纳米粒子组装的模板不是通过模板与纳米粒子的识别 对金纳米颗粒的组装19? ?X+6 ?

9、N ?o ? u ? a ?Xo ?o?幽& X6 ?f1y?e & 奴6 o ? u件堀席事组装过程或者将两份金纳米粒子分别包敷上含有互补碱基序列的低聚核音化学通报2002年 第65卷w038酸则可得到二维或三维的金 纳米粒子组装体系21在 p?XX 1y3 ? o D?e p?D?6 e o u?XX ?飞？ 6 tl ?Xa Xo a?Xo f? 7X6 9坨?a?Ci ?土？eaD?e oio ?o p?e ?x?+?t 演? o D?口 p?o |o ?p ?6 e?e? .?IlfflHIHl? X(? 6 eo u? einmaH?e?Xa e?E?ud Qi? ? i?使尼龙子

10、弹高速射出使xef?D ?e?p? i? n?3分67采用经典的氧化还原法成功地将抗癌单克隆抗体(Ab)? 土？3e? o D?a6 笈?3?仙?ey?a? a(?001?a 6 ?D?o a ?0a 德烈亚对普通磁疗法进行了重大技术改进，发在水中溶解后注入月中瘤部位月中瘤部 位完全被磁场封闭月中瘤部位的温?a u ? ip? ? pX 包-?oa ?eu o ? ? e p? ?6? a ? 2?帝？2? e?2ue t?X+6 ?Xa?u 1.5h治疗逐步推广到治明了新的抗癌疗法度可以达到47?D? D?Xed?o ?D?仙？& ? ?6 De 6u ?Xa? Re p?eeo a ? e

11、? e 后完 全消失预期对人体的临床治疗将首先用于成胶质细胞瘤疗其它月中瘤图3包覆聚苯乙烯氧化铁纳米粒子分离小鼠骨髓液中癌细胞示意Fig.3 Scheme of separating cancer cell in mouse marrow by nano-size Fe2O3 coating polystyrene6.5杀菌光催化反应最理想的催化剂是半导体纳米粒子在水净化和空气净化领域获得应用下对大肠杆菌耐光腐蚀TiO2纳米微粒在光照条件且于80min后全部杀灭 化学通报2002年 第65卷w038播超细粉末(直径为20nm以利用纳米粒子的小尺寸效应 e?- a ?卜e?(D? ?p?U?U

12、a |10%)包覆 Fe2O3(Fe2O3 AP-CaO, Fe2O3 CP-CaO )后续处理更加简便的高活性吸附膏这些纳米级粉末和(固化形成)多孔小球的表面化学特性似环境修复等方面都颇具应用前景Koper小组4446合成了具有大表面积和表面化学吸附特性增强的的系列无机氧化物及部分包覆物2eo ? ?y ?o ? ?幽？ e ?x & 炊6 (AP-CaOFe2O3CP-CaOg CaO对 SO2脚蝇的吸附作用明显增强剂乎与特征纳米品不同的多面体外形有关图4钙氧化物样品消除paraoxon的速率比Fig.4 Rate of disappearance of paraoxon (4.5l)on

13、 calciumxide samples(0.1g铢上所 述纳米技术生物学的结合虽任重而道远癌便致谢相关商业领域的应用正待开发建立在多学科交叉基础上的发展时期及在成文过程中的多次讨论和细致修改 化学通报 2002 年 第 65 卷 w03816陈霞，靳健杨文胜等.高等学校化学学报,2000,21:11151117.17 Wang J Y, Uphaus R A, Ameenuddin S. Thin solid films, 1994, 242(1/2):127.18 Shenton W, Douglas T, Young M et al. Adv. Materials, 11:253256.

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15、6448):721727.24 Shi H Q, Tsai W B, Garrisa M D et al. Nature, 1999, 398(6728):593597.25 Odde D J, Renn M J. Ann. Biomed. Eng., 1998,26:S141.26 Renn M J, Pastel R, Dowski H J L. Phys. Rev. Lett.,1999,82:15741577.27 Bruchez M J, Moronne M, Gin P et al. Science,1998, 281(5385):20132015.28 Chan W C W, N

16、ie S M, Science, 1998, 281(5385):20162018.29张立德，牟季美.纳米材料和纳米结构.北京:科学出版社，2000:510.30崔福斋.材料导报,1999,13(4):1314.31孟宪伟，唐芳琼,冉均国 等.化学通报,2001,6:365368.32 Sun Y H, Li J R, Li B F et al. Langmuir, 1997,13(22):57995801.33江 龙.无机化学学报,2000, 16(2):185194.34 Chen X Y, Li J R, Li X C et al. Bioch. Biophys. Res. Commu

17、n., 1998,245:352355.35许俊泉，贺学忠，周玉祥.科学通报,1999,44(24):2600.36 Nanotechnology Research Directions:IWGN Workshop Report(IWGN),1999:119.37 Debouck C, Goodfellow P N. Nature Genet., 1999, 21:4850.38 Braxton S, Bedilion T. Biotechnol., 1998, 9(6):643.39王建新，张志容.中国药学杂志，2001,36(2):7376.40陈克正，王丽平，刘兴斌.药学进展,2000,24(4):193196.41朱世斌,王玉琪.中国粉体技术,2000, 6: 4244.42 Davis S S. Trends Biotechol., 1997,15(6):217224.43 Klein T M, Wolf E D, Wu R et al. Nature,