【畢業(yè)論文】納米材料的發(fā)展與應(yīng)用.doc

納米材料的發(fā)展與應(yīng)用摘要：納米技術(shù)與生物化學、分子生物學整合將對21世紀的生物醫(yī)學產(chǎn)生深刻的影響。它將利用生物大分子進行物質(zhì)的組裝、分析與檢測技術(shù)的優(yōu)化、并將藥物靶向性與基因治療等研究引入微型、微觀領(lǐng)域，用納米生物技術(shù)檢測是否患有癌癥只用幾個細胞。 關(guān)鍵詞：納米尺寸；性能；納米技術(shù)；納米生物學；DNA納米技術(shù) 引言：人類對物質(zhì)世界的探究，曾小到原子、分子，大到宇宙空間。從無窮小和無窮大兩個物質(zhì)尺寸去熟悉物質(zhì)，使人們懂得到世界是物質(zhì)的。物質(zhì)是由原子或分子構(gòu)成的，原子、分子是保持物質(zhì)化學、物理理特征的最小微粒。這為人類熟悉世界、改革世界推動科學的向前發(fā)展供給了堅實的理論基礎(chǔ)，也產(chǎn)生了一個個的科學原理和定理，推動了人類生產(chǎn)和生活的不斷向前發(fā)展。 隨著科學探究的進一步發(fā)展，人們創(chuàng)造當物質(zhì)達到納米標準以后，大約在1100納米這個領(lǐng)域空間。物質(zhì)的性能就會產(chǎn)生突變，涌現(xiàn)非凡性能。這種既不同于本來組成的原子、分子，也不同于宏觀物質(zhì)的非凡性能的物質(zhì)構(gòu)成的材料，即為納米材料。略論淺納米材料的特性及應(yīng)用前景過去，人們只重視原子、分子，或者宇宙空間，經(jīng)常疏忽他們的中間領(lǐng)域，而這個領(lǐng)域?qū)嶋H上大批存在于自然界，只是以前沒有熟悉到這個標準的領(lǐng)域的性能。第一個真正熟悉到它的性能并引用納米概念的是日本科學家。他們創(chuàng)造摘要：一個導電，導熱的銅、銀導體做成納米標準以后，它就失去本來的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導電，也不導熱。材料在尺寸上達到納米標準，大約是在1100納米這個領(lǐng)域空間，就會產(chǎn)生非凡的表面效應(yīng)，體積效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，量子隧道效應(yīng)等及由這些效應(yīng)所引起的諸多奇怪性能。擁有一系列的新奇的物理和化學特征，這些特征在光、電、磁、催化等方面具有非常重大利用價值。 近年來，已在醫(yī)藥、生物、環(huán)境掩護和化工等方面得到了利用，并顯示出它的奇特魅力。 1醫(yī)學方面的發(fā)展與應(yīng)用： 目前，國際醫(yī)學行業(yè)面臨新的決策，那就是用納米標準發(fā)展制藥業(yè)。納米生物醫(yī)學就是從動植物中提取必要的物質(zhì)，然后在納米標準組合，最大限度施展藥效，這恰恰是我國中醫(yī)的想法，隨著健康科學的發(fā)展，人們對藥物的請求越來越高。把持藥物釋放減少副功效，進步藥效，發(fā)展藥物定向治療，必須憑借納米技巧。納米粒子可使藥物在人體內(nèi)方便傳輸。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體，可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織，尤其是以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，稱為定向?qū)棥Ｔ摷记墒窃诖判约{米微粒包覆蛋白質(zhì)表面攜帶藥物，注射到人體血管中，通過磁場導航輸送到病變部位，然后釋放藥物。納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由的滾動，因此可以用檢查和治療身材各部位的病變。利用納米系統(tǒng)檢查和給藥，避免身材健康部位受損，可以大大減小藥物的毒副功效，因而深受人們的歡迎。 2在涂料方面的發(fā)展與應(yīng)用；納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的非凡性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)良性能。借助于傳統(tǒng)的涂層技巧，再給涂料中添加納米材料，可獲得納米復合系統(tǒng)涂層，實現(xiàn)功效的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功效改性從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功效，如；有超硬、耐磨，抗氧化、耐熱、阻燃、耐腐化、變色等。在涂料中參加納米材料，可進一步進步其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射，耐大氣侵害和抗降解等，在衛(wèi)生用品上利用可起到殺菌保結(jié)功效。在建材產(chǎn)品如玻璃中參加合適的納米材料，可達到減少光的透射和熱估遞效果，產(chǎn)生隔熱，阻燃等效果。由于氧化物納米微粒的色彩不同，這樣可以通過復合把持涂料的色彩，克服碳黑靜電屏蔽涂料只有單一色彩的單調(diào)性。納米材料的色彩不僅限粒徑而變，而具有隨角度變色的效應(yīng)。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米Tio2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面色彩多樣化。 3在化工方面的發(fā)展與利用；化工業(yè)影響到人類生活的方方面面，假如在化工業(yè)中采用納米技巧，將更顯示出奇特畦力。在橡膠塑料等化工領(lǐng)域，納米材料都能施展重要功效。如在橡膠中參加納米Sio2，可以進步橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3和SiO2,參加到普通橡膠中，可以進步橡膠的耐磨性和介電特征，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加必定的納米材料，可以進步塑料的強度和韌性，而且致密性和防水性也相應(yīng)進步。最近又開發(fā)了食品包裝的TiO2.納米TiO2能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產(chǎn)生很強的光化學活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有利污染物，具有除凈度高，無二次污染，實用性廣泛等優(yōu)點，在環(huán)保水處理中有著很好的利用遠景。 4. 其他方面的發(fā)展與利用： 納米技巧正在靜靜地滲透到老百姓衣、食、住、行各個領(lǐng)域?；w布料制成的衣服雖然艷麗，但因摩擦輕易產(chǎn)生靜電，因而在生產(chǎn)時參加少量金屬納米微粒，就可以擺脫煩人的靜電現(xiàn)象。不久前，有關(guān)保溫被、保溫衣的電視宣傳，提到利用了納米技巧。納米材料可使衣物防靜電、變色、 貯光，具有很好的保暖效果。冰箱、洗衣機等一些電器時間長了輕易產(chǎn)生細菌，而采用了納米材料，新設(shè)計的冰箱、洗衣機既可以抗菌，又可以除味殺菌。紫外線對人體的害處極大，有的納米微粒卻可以吸收紫外線對人體有害的部分，市場上的許多化裝品正是因為參加了納米微粒而具備了防紫外線的功效。傳統(tǒng)的涂料耐洗刷性差，時間不長墻壁就會變的班駁陸離，納米技巧利用之后，涂料的技巧指標大大進步，外墻涂料的耐洗刷性進步很多，以前的電視、音響等家電外表一般都是黑色的，被稱為黑色家電，這是因為家電外表材料中必須參加碳黑進行靜電屏蔽。如今可以通過把持納米微粒的種類，進而可把持涂料的色彩，使黑色家電變成彩色家電。 總之，在未來生活中，納米技巧將帶給我們無窮的舒心和時尚，使人類的生存的條件更加優(yōu)越。淺論納米技術(shù)在生物學中的發(fā)展與應(yīng)用前景 納米技術(shù)與生物化學、分子生物學整合將對21世紀的生物醫(yī)學產(chǎn)生深刻的影響。它將利用生物大分子進行物質(zhì)的組裝、分析與檢測技術(shù)的優(yōu)化、并將藥物靶向性與基因治療等研究引入微型、微觀領(lǐng)域，用納米生物技術(shù)檢測是否患有癌癥只用幾個細胞。 關(guān)鍵詞 納米技術(shù)；納米生物學；DNA納米技術(shù) 20世紀80年代才開始研究的納米技術(shù)在90年代獲得了突破性進展。最近美國商業(yè)周刊列出了21世紀可能取得重大突破的三個領(lǐng)域：一是生命科學和生物技術(shù)；二是從外星球獲取能源；三是納米技術(shù)。所謂納米技術(shù)(Nanotechnology)是指在小于100 nm的量度范圍內(nèi)對物質(zhì)和結(jié)構(gòu)進行制造的技術(shù)，其實就是一種用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學技術(shù)。納米技術(shù)在新世紀將推動信息技術(shù)、生物醫(yī)學、環(huán)境科學、自動化技術(shù)及能源科學的發(fā)展，將極大的影響人類的生活，衣、食、住、行、醫(yī)療等方面。本文將圍繞納米技術(shù)給21世紀的生物醫(yī)學可能帶來影響作一概述。1. 納米生物學的研究對象 有人把在納米尺度(水平)上研究生命現(xiàn)象的生物學叫做納米生物學。納米結(jié)構(gòu)通常指尺寸在1 nm100 nm范圍的微小結(jié)構(gòu)。1納米等于10-9m，即1m的十億分之一。我們知道，細胞具有微米(10-6m)量級的空間尺度，生物大分子具有納米量級的空間尺度。在它們之間的層次是亞細胞結(jié)構(gòu)，具有幾十到幾百納米量級的空間尺度。顯然在納米水平上研究生命現(xiàn)象的納米生物學，它的研究對象就是亞細胞結(jié)構(gòu)和生物大分子體系。由于納米微粒的尺寸一般比生物體內(nèi)的細胞、紅細胞小得多，這就為生物學研究提供了一個新的研究途徑即利用納米微粒進行細胞分離、疾病診斷，利用納米微粒制成特殊藥物或新型抗體進行局部定向治療等。 2. 納米技術(shù)在生物醫(yī)學方面的應(yīng)用 2.1 測量和控制生物大分子 納米技術(shù)與掃描探針顯微鏡(Scanning probe microscopes,SPMs)相結(jié)合，便具有了觀察、制造原子水平物質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力，為生物醫(yī)學工作者提供了直接在亞細胞水平或分子水平研究生命現(xiàn)象的應(yīng)用前景。掃描探針顯微鏡是指利用掃描探針的顯微技術(shù)，常用的有掃描隧道顯微鏡(STM,它是Scanning Tunneling Microscope的簡稱)和 原子力顯微鏡(AFM,它是Atomic Force Microscope的簡稱)。STM的原理是利用電子隧道效應(yīng)測量探針和樣品間微小的距離，又將探針沿樣品表面逐點掃描，從而得到樣品表面各點高低起伏的形貌。當探針和樣品表面間的距離非常近達到一個納米時，同時在它們之間施加適當電壓，在它們之間會形成隧道電流，這就是電子隧道效應(yīng)。這時探針尖端便吸引材料的一個原子過來，然后將探針移至預定位置，去除電壓，使原子從探針上脫落。如此反復進行，最后便按設(shè)計要求“堆砌”出各種微型構(gòu)件。 Hafner(1999)等報道了碳納米管的制備方法，整個過程如同用磚頭蓋房子一樣。隧道電流的大小和探針與表面間的距離有關(guān)，因此通過隧道電流的測量可以確定這距離的值。STM觀測的樣品要有導電性，用AFM就沒有這種要求。AFM的原理是用探針的針尖去“觸摸”樣品表面，將探針沿表面逐點掃描，針尖隨著樣品表面的高低起伏作上下運動。用光學方法精確測量針尖這種上下運動，就可以得到樣品表面高低起伏的圖像。用AFM還可以測量分子間作用力的大小以及不同環(huán)境中分子間作用力大小的變化。掃描探針顯微鏡又是操作生物大分子的工具。用它們可以扭轉(zhuǎn)或拉伸生物大分子，從而研究單個生物大分子的運動學特性。STM和AFM在平行于樣品表面的方向上的空間分辨率達到0.1 nm。已知樣品中原子間距離的量級是0.1 nm ，所以STM和AFM的空間分辨率達到了分辨單個原子的水平。它的時間分辨率取決于要掃描的樣品范圍和像素點數(shù)目，用它們測量固定觀測點時，時間分辨率達到ns甚至ps，掃描一幅面積是10 nm10 nm的樣品時，中等象素密度的時間分辨率約是1秒。顯而易見，利用STM、AFM等技術(shù)，好象使用“納米筆”一樣，可以操縱原子分子，在納米石版印刷術(shù)中構(gòu)造復雜的圖形和結(jié)構(gòu)。 2.2 磁性納米粒子的應(yīng)用 德國學者報道了含有75%80%鐵氧化物的超順磁多糖納米粒子(200400 nm)的合成和物理化學性質(zhì)。將它與納米尺寸的SiO2相互作用，提高了顆?；w的強度，并進行了納米磁性顆粒在分子生物學中的應(yīng)用研究。試驗了具有一定比表面的葡聚糖和二氧化硅增強的納米粒子。在下列方面與工業(yè)上可獲得的人造磁珠作了比較：DNA自動提純、蛋白質(zhì)檢測、分離和提純、生物物料中逆轉(zhuǎn)錄病毒檢測、內(nèi)毒素清除和磁性細胞分離等。例如在DNA自動提純中，用濃度為25 mg/mL的葡聚糖 nanomag R和SiO2增強的納米粒子懸濁液，達到了300 ng/ L的DNA型12 KD的非專門DNA鍵合能力。SiO2增強的葡聚糖納米粒子的應(yīng)用使背景信號大大減弱。此外，還可以將磁性納米粒子表面涂覆高分子材料后與蛋白質(zhì)結(jié)合，作為藥物載體注入到人體內(nèi)，在外加磁場2125103/(A/m)作用下，通過納米磁性粒子的磁性導向性，使其向病變部位移動，從而達到定向治療的目的。例如1050 nm的Fe3O4的磁性粒子表面包裹甲基丙烯酸，尺寸約為200 nm，這種亞微米級的粒子攜帶蛋白、抗體和藥物可以用于癌癥的診斷和治療。這種局部治療效果好，副作用少。 2.3 納米脂質(zhì)體仿生物細胞的藥物載體 脂質(zhì)體（Liposome)是一種定時定向藥物載體，屬于靶向給藥系統(tǒng)的一種新劑型。20世紀60年代，英國Bangham AD首先發(fā)現(xiàn)磷脂分散在水中構(gòu)成由脂質(zhì)雙分子層組成的內(nèi)部為水相的封閉囊泡，由雙分子磷脂類化合物懸浮在水中形成的具有類似生物膜結(jié)構(gòu)和通透性的雙分子囊泡稱為脂質(zhì)體。70年代初，Rahman YE等在生物膜研究的基礎(chǔ)上，首次將脂質(zhì)體作為酶和某些藥物的載體。納米脂質(zhì)體作為藥物載體的優(yōu)點：由磷脂雙分子層包封水相囊泡構(gòu)成，與各種固態(tài)微球藥物載體相區(qū)別，脂質(zhì)體彈性大，生物相容性好；對所載藥物有廣泛的適應(yīng)性，水溶性藥物載入內(nèi)水相，脂溶性藥物溶于脂膜內(nèi)，兩親性藥物可插于脂膜上，而且同一個脂質(zhì)體中可以同時包載親水和疏水性藥物；磷脂本身是細胞膜成分，因此納米脂質(zhì)體注入體內(nèi)無毒，生物利用度高，不引起免疫反應(yīng)；保護所載藥物，防止體液對藥物的稀釋，及被體內(nèi)酶的分解破壞。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。對脂質(zhì)體表面進行修飾，譬如將對特定細胞具有選擇性或親和性的各種配體組裝于脂質(zhì)體表面，以達到尋靶目的。以肝臟為例，納米粒子藥物復合物可通過被動和主動兩種方式達到靶向作用：當該復合物被Kupffer細胞捕捉吞噬，使藥物在肝臟內(nèi)聚集，然后再逐步降解釋放入血液循環(huán)，使肝臟藥物濃度增加，對其它臟器的副作用減少，此為被動靶向作用；當納米粒子尺寸足夠小約100150 nm且表面覆以特殊包被后，便可以逃過Kupffer細胞的吞噬，靠其連接的單克隆抗體等物質(zhì)定位于肝實質(zhì)細胞發(fā)揮作用，此為主動靶向作用。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體后可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織。納米粒作為輸送多肽與蛋白質(zhì)類藥物的載體是令人鼓舞的，這不僅是因為納米?？筛倪M多肽類藥物的藥代動力學參數(shù)，而且在一定程度上可以有效地促進肽類藥物穿透生物屏障。納米粒給藥系統(tǒng)作為多肽與蛋白質(zhì)類藥物發(fā)展的工具有著十分廣泛的應(yīng)用前景。2.4 DNA納米技術(shù)和基因治療 DNA納米技術(shù)(DNA nanotechnology)是指以DNA的理化特性為原理設(shè)計的納米技術(shù)，主要應(yīng)用于分子的組裝。DNA復制過程中所體現(xiàn)的堿基的單純性、互補法則的恒定性和專一性、遺傳信息的多樣性以及構(gòu)象上的特殊性和拓撲靶向性，都是納米技術(shù)所需要的設(shè)計原理?，F(xiàn)在利用生物大分子已經(jīng)可以實現(xiàn)納米顆粒的自組裝。將一段單鏈的DNA片斷連接在13 nm直徑的納米金顆粒A表面，再把序列互補的另一種單鏈DNA片斷連接在納米金顆粒B表面，將A和B混合，在DNA雜交條件下，A和B將自動連接在一起。利用DNA雙鏈的互補特性，可以實現(xiàn)納米顆粒的自組裝。利用生物大分子進行自組裝，有一個顯著的優(yōu)點：可以提供高度特異性結(jié)合，這在構(gòu)造復雜體系的自組裝方面是必需的。 美國波士頓大學生物醫(yī)學工程所Bukanov等研制的PD環(huán)(PD?loop)(在雙鏈線性DNA中復合嵌入一段寡義核苷酸序列)比PCR擴增技術(shù)具有更大的優(yōu)越性；其引物無須保存于原封不動的生物活性狀態(tài)，其產(chǎn)物具有高度序列特異性，不像PCR產(chǎn)物那樣可能發(fā)生錯配現(xiàn)象。PD環(huán)的誕生為線性DNA寡義核苷酸雜交技術(shù)開辟了一條嶄新的道路，使從復雜DNA混合物中選擇分離出特殊DNA片段成為可能，并可能應(yīng)用于DNA納米技術(shù)中。 基因治療是治療學的巨大進步，質(zhì)粒DNA插入目的細胞后，可修復遺傳錯誤或可產(chǎn)生治療因子(如多肽、蛋白質(zhì)、抗原等)。利用納米技術(shù)，可使DNA通過主動靶向作用定位于細胞；將質(zhì)粒DNA濃縮至50200 nm大小且?guī)县撾姾?，有助于其對細胞核的有效入侵；而最后質(zhì)粒DNA插入細胞核DNA的準確位點則取決于納米粒子的大小和結(jié)構(gòu)。此時的納米粒子是DNA本身所組成，但有關(guān)它的物理化學特性尚有待進一步研究。 2.5 納米細胞分離技術(shù) 20世紀80年代初，人們開始利用納米微粒進行細胞分離，建立了用納米SiO2微粒實現(xiàn)細胞分離的新技術(shù)。其基本原理和過程是：先制備SiO2納米微粒，尺寸大小控制在1520 nm,結(jié)構(gòu)一般為非晶態(tài)，再將其表面包覆單分子層。包覆層的選擇主要依據(jù)所要分離的細胞種類而定，一般選擇與所要分離細胞有親和作用的物質(zhì)作為附著層。這種SiO2納米粒子包覆后所形成復合體的尺寸約為30 nm。第二步是制取含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液，適當控制膠體溶液濃度。第三步是將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，再通過離心技術(shù)，利用密度梯度原理，使所需要的細胞很快分離出來。此方法的優(yōu)點是：易形成密度梯度；易實現(xiàn)納米SiO2粒子與細胞的分離。這是因為納米SiO2微粒是屬于無機玻璃的范疇，性能穩(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應(yīng)，既不會沾污生物細胞，也容易把它們分開。 結(jié)語：跨入21世紀后的未來二三十年，數(shù)學、化學、物理學等基礎(chǔ)研究的進展將擴大納米技術(shù)的應(yīng)用范圍，使納米技術(shù)與物醫(yī)學的聯(lián)系更加緊密，其發(fā)展趨勢是：生體相容性好的鈦合金等物質(zhì)將逐步開發(fā)，并進入臨床試驗階