納米生物醫(yī)學(xué)材料

1、材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院目錄納米生物醫(yī)學(xué)材料的分類納米生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用納米生物醫(yī)學(xué)材料發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)與展望納米材料3/371、納米材料概述金屬材料半導(dǎo)體和超導(dǎo)材料硅酸鹽材料復(fù)合材料納米材料高分子材料4/371、納米材料概述納米(nm)是一種計(jì)量單位，1納米是1米的十億分之一 (1m=1,000,000,000 nm), 人的一根頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)于6萬個(gè)納米。5/37花粉是納米級(jí)的粒子病毒也是納米級(jí)的,0-100nm.6/371、納米材料概述納米材料定義納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10100個(gè)原子緊密

2、排列在一起的尺度。7/371、納米材料概述納米材料具有傳統(tǒng)材料所不具備的奇異或反常的物理、化學(xué)特性。表面效應(yīng)小尺寸效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)8/371、納米材料概述表面效應(yīng)球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積/體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑的變小，比表面積將會(huì)顯著地增加，顆粒表面原子數(shù)相對(duì)增多，從而使這些表面原子具有很高的活性且極不穩(wěn)定，致使顆粒表現(xiàn)出不一樣的特性，這就是表面效應(yīng)。9/371、納米材料概述對(duì)直徑大于0.1微米的顆粒，表面效應(yīng)可忽略不計(jì)；當(dāng)尺寸小于0.1微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)急劇增長(zhǎng)，甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達(dá)100平方米，這時(shí)

3、的表面效應(yīng)將不容忽略。10/371、納米材料概述小尺寸效應(yīng)當(dāng)納米微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體的周期性邊界條件被破壞，非晶態(tài)納米顆粒的表面層附近原子密度減小，由此導(dǎo)致了電、磁、聲、光、熱、力等各種性能呈現(xiàn)新的特性，這些特性稱為小尺寸效應(yīng)。11/371、納米材料概述小尺寸效應(yīng)特殊的光學(xué)性質(zhì)當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑；金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通?？傻陀?，大約幾微米的厚度

4、就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。12/371、納米材料概述小尺寸效應(yīng)特殊的熱學(xué)性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064，當(dāng)顆粒尺寸減小到2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100。因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具

5、高質(zhì)量。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對(duì)粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.10.5重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000降低到12001300，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。13/371、納米材料概述小尺寸效應(yīng)特殊的磁學(xué)性質(zhì)人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營(yíng)養(yǎng)豐富的水底。14/371、納米材料概述小尺寸效應(yīng)特殊的力學(xué)性質(zhì)納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下

6、很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使一些納米材料，如陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。15/371、納米材料概述宏觀量子隧道效應(yīng)電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一.當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在

7、0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。16/371、納米材料概述有趣的納米效應(yīng)：通常情況下陶瓷是脆性材料，因而限制了它的應(yīng)用范圍，而納米陶瓷卻變成了韌性材料，在常溫下能彎曲，不怕摔，堅(jiān)固無比。原來是導(dǎo)體的銅等金屬，在尺寸減小到幾個(gè)納米時(shí)就不導(dǎo)電了；而絕緣的二氧化硅等，當(dāng)尺寸減小到幾個(gè)納米或十幾個(gè)納米時(shí)，電阻會(huì)大大下降，失去絕緣體特性，變得能夠?qū)щ姟?7/37在水處理方面，我們做出納米孔膜，可以用于海水淡化、污水處理?，F(xiàn)在海水淡化的最高水平是淡化1噸水成本是3塊錢，但用納米技術(shù)大概幾毛錢就能淡化1噸水。玻璃和瓷磚表面涂上納米薄層，可以制成自潔玻璃和自潔瓷磚，

8、任何粘在表面上的臟物，包括油污、 細(xì)菌，在光的照射下，由于納米的催化作用，都可以變成氣體或者容易被擦掉的物質(zhì)。1、納米材料概述18/371、納米材料概述將納米顆粒放到織物纖維中去，做成的衣服不沾水又防污。在食物中添加納米微粒，可以除味殺菌，聰明的廠家已利用這一技術(shù)生產(chǎn)出可以抗菌的冰箱。納米陶瓷粉體作為涂料的添加劑也得到廣泛的應(yīng)用，這些特種涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防塵和耐磨的性能。19/371、納米材料概述中藥的有效成分一般都是油相的，如果在水相當(dāng)中納米化，注射到患者血液當(dāng)中，中藥的有效成份就會(huì)大大提高。我們用特定性質(zhì)的納米材料界面材料去包覆中藥的有效成分，到了這種環(huán)境里因親和而溶解，治

9、療成分就會(huì)釋放出來，釋放出來后就可以治病，這樣治療成分就帶有很強(qiáng)的靶向性，進(jìn)一步提高療效。20/372、納米生物醫(yī)學(xué)材料的分類材料科學(xué)分類方法：納米金屬生物材料納米無機(jī)非金屬生物材料納米高分子生物材料納米復(fù)合生物材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用：細(xì)胞分離用納米材料細(xì)胞內(nèi)部染色用納米材料抗菌及創(chuàng)傷敷料用納米材料組織工程中的納米生物材料生物活性材料21/372、納米生物醫(yī)學(xué)材料的分類細(xì)胞分離用納米材料病毒尺寸一般約80100nm，細(xì)菌為數(shù)百納米，而細(xì)胞則更大，因此利用納米復(fù)合粒子性能穩(wěn)定、不與膠體溶液反應(yīng)且易實(shí)現(xiàn)與細(xì)胞分離等特點(diǎn)，可將納米粒子應(yīng)用于診療中進(jìn)行細(xì)胞分離。該方法同傳統(tǒng)方法相比，具有操作簡(jiǎn)便、費(fèi)

10、用低、快速、安全等特點(diǎn)。美國(guó)科學(xué)家用納米粒子已成功地將孕婦血樣中微量的胎兒細(xì)胞分離出來，從而簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地判斷出胎兒細(xì)胞中是否帶有遺傳缺陷。22/372、納米生物醫(yī)學(xué)材料的分類細(xì)胞內(nèi)部染色用納米材料利用不同抗體對(duì)細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和力的顯著差異，選擇抗體種類，將納米金粒子與預(yù)先精制的抗體或單克隆抗體混合,制備成多種納米金/ 抗體復(fù)合物。借助復(fù)合粒子分別與細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復(fù)合物，在白光或單色光照射下呈現(xiàn)某種特征顏色(如10nm 的金粒子在光學(xué)顯微鏡下呈紅色) ，從而給各種組合“貼上”了不同顏色的標(biāo)簽，因而為提高細(xì)胞內(nèi)組織的分辨率提供了一種急需的染色技術(shù)。23

11、/372、納米生物醫(yī)學(xué)材料的分類抗菌及創(chuàng)傷敷料用納米材料按抗菌機(jī)理，納米抗菌材料分為三類一類是Ag+ 系抗菌材料，其利用Ag+ 可使細(xì)胞膜上的蛋白失活，從而殺死細(xì)菌。第二類是光觸媒型納米抗菌材料，利用該類材料的光催化作用，與H2O 或OH-反應(yīng)生成一種具有強(qiáng)氧化性的羥基以殺死病菌 第三類是C - 18A納米蒙脫土等無機(jī)材料，因其內(nèi)部有特殊的結(jié)構(gòu)而帶有不飽和的負(fù)電荷，從而具有強(qiáng)烈的陽離子交換能力，對(duì)病菌、細(xì)菌有強(qiáng)的吸附固定作用，從而起到抗菌作用。24/372、納米生物醫(yī)學(xué)材料的分類組織工程中的納米生物材料材料支架在組織工程中起重要作用,因?yàn)橘N壁依賴型細(xì)胞只有在材料上貼附后,才能生長(zhǎng)和分化。模仿天

12、然的細(xì)胞外基質(zhì)2膠原的結(jié)構(gòu),制成的含納米纖維的生物可降解材料已開始應(yīng)用于組織工程的體外及動(dòng)物實(shí)驗(yàn),并將具有良好的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)研究開發(fā)的納米級(jí)羥基磷灰石/ 膠原復(fù)合物在組成上模仿了天然骨基質(zhì)中無機(jī)和有機(jī)成分,其納米級(jí)的微結(jié)構(gòu)類似于天然骨基質(zhì)。體外及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明,此種羥基磷灰石/ 膠原復(fù)合物是良好的骨修復(fù)納米生物材料。25/372、納米生物醫(yī)學(xué)材料的分類生物活性材料隨著納米技術(shù)的發(fā)展,生物活性雜化材料在保持柔韌性的同時(shí),彈性模量已接近硅酸硼玻璃,而且便于加入活性物質(zhì),因此是一種開發(fā)生物材料的理想途徑。JonesSM 等用TEOS(正硅酸乙酯) 、甲基丙烯酰胺在偶氮類引發(fā)劑作用下,加入氯化

13、鈉制備出含鈣鹽的納米SiO2 聚合物復(fù)合材料,將其在人體液中放置1周后,可以觀察到其表面有羥基磷灰石層形成,因而具有較好的生物活性。應(yīng)用溶膠/ 凝膠技術(shù)制備納米復(fù)合材料,同時(shí)在體系中引入胺基、醛基、羥基等有機(jī)官能團(tuán),使材料表面具有反應(yīng)活性,可望在生化物質(zhì)固定膜材料、生物膜反應(yīng)器等方面獲得較大應(yīng)用。26/373、納米生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用納米人工紅細(xì)胞納米人工紅細(xì)胞的原理是用一個(gè)可以雙向旋轉(zhuǎn)渦軸的選通柵門來控制氧氣從小球中釋放,通過調(diào)節(jié)渦軸旋轉(zhuǎn)的速度和方向，使小球內(nèi)的氧氣根據(jù)人體需氧的多少以一定的速率釋放到外部血液中，同時(shí)使供氧裝置在富氧的地方具有吸收氧氣的功能而在需氧的地方具有釋放氧氣的功能； 同

14、理，它還必須能在適當(dāng)?shù)牡胤轿蘸歪尫哦趸?。初步設(shè)計(jì)的人工納米紅細(xì)胞是一個(gè)金剛石的氧氣容器，內(nèi)部有1000個(gè)大氣壓，泵動(dòng)力來自血清葡萄糖，它輸送氧的能力是同等體積天然紅細(xì)胞的233倍,并具有生物碳活性。它可以應(yīng)用于貧血的局部治療、人工呼吸、肺衰竭和體育運(yùn)動(dòng)需要的額外耗氧等。27/373、納米生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用納米人工線粒體當(dāng)細(xì)胞中的線粒體部分失去功能的時(shí)候，再來增加氧供給水平，并不一定能使組織有效地恢復(fù)，這時(shí)就需要直接釋放三磷腺苷同時(shí)伴隨著有選擇地釋放和吸收其他的一些代謝產(chǎn)物，后者是迅速恢復(fù)組織功能的有效手段。人工線粒體裝置，如同前面的供氧裝置一樣，只不過在這里釋放的是三磷腺苷而不是氧。28

15、/373、納米生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用納米人工眼球我國(guó)四川大學(xué)研制的納米人工眼球通過電脈沖刺激大腦神經(jīng)，使患者可“看”到外部的精彩世界。納米眼球的外殼是用納米材料制成，納米材料是一種活性復(fù)合材料,眼球的外殼里面安置微型攝像機(jī)與集成電腦芯片，通過這兩個(gè)部件將影像信號(hào)轉(zhuǎn)化成電脈沖刺激大腦的枕葉神經(jīng),從而實(shí)現(xiàn)可視功能。29/373、納米生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用納米人工鼻納米人工鼻實(shí)際上是一種氣體探測(cè)器，與燃?xì)獗O(jiān)視器道理相同，可同時(shí)監(jiān)測(cè)多種氣體。英國(guó)伯明翰大學(xué)正在研制“納米鼻”來預(yù)報(bào)致哮喘病發(fā)作的環(huán)境因素，一旦空氣中含有易引發(fā)哮喘病的氣體如臭氧、一氧化碳及氮的氧化物時(shí)，其顯示器就發(fā)出信號(hào)。30/373、納米生物醫(yī)

16、學(xué)材料的應(yīng)用其它納米生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用實(shí)例模擬骨骼結(jié)構(gòu)的納米物質(zhì)主要成分為與聚乙烯混合壓縮后的羥基磷灰石網(wǎng)，物理特性符合理想的骨骼替代物。通過優(yōu)化納米管制備制動(dòng)器，將使人工肌肉得到實(shí)現(xiàn)。有報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂,金屬陶瓷等復(fù)合納米材料則能更大地改變材料的力學(xué)性質(zhì),在醫(yī)學(xué)上可能用來制造人工器官。31/373、納米生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用碳納米管比鉆石還耐用,其彈性如同人發(fā)，在1cm2上可植100億根，且敏感度很強(qiáng)，大大超過人們的耳蝸纖毛； 高敏感度的碳納米材料人工耳蝸，可用于監(jiān)聽水中游動(dòng)的微生物節(jié)奏，監(jiān)測(cè)水質(zhì)。在血液循環(huán)中流動(dòng)的納米聽診器，可監(jiān)測(cè)特殊細(xì)胞功能失調(diào)，使癌癥等疾病

17、得到早期診斷。32/37納米技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)的結(jié)合，為醫(yī)學(xué)界提供了全新的思路，納米材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用取得了顯著效果。但納米材料應(yīng)用還很有限，尤其是在生物醫(yī)學(xué)上面，目前大多數(shù)研究還處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，還需大量臨床試驗(yàn)予以證實(shí)，納米材料應(yīng)用的生物安全性有待進(jìn)一步提高。這就要求生物醫(yī)學(xué)研究者與納米材料的研究人員合作需進(jìn)一步加強(qiáng)，制造出更先進(jìn)的生物醫(yī)用納米材料。4、總結(jié)與展望33/374、總結(jié)與展望生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)診斷用材料不可否認(rèn)，現(xiàn)在納米材料在生物檢測(cè)診斷上已發(fā)生相當(dāng)大的發(fā)展和應(yīng)用，各種納米材料已經(jīng)在實(shí)踐中的應(yīng)用取得了良好的效果。但在各種醫(yī)學(xué)檢測(cè)中對(duì)各種各樣的功能性納米材料的要求還比較高。比如生物醫(yī)學(xué)工

18、程和醫(yī)療設(shè)備器材兩者之間相輔相成,生物醫(yī)學(xué)工程是基礎(chǔ)，它的課題研究的深入會(huì)催生新的醫(yī)療設(shè)備器材出現(xiàn)，同時(shí)對(duì)臨床醫(yī)療設(shè)備器材的需求信息會(huì)產(chǎn)生新的研究方向，納米功能材料在這個(gè)方面將大有前途。又如分析與檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，勢(shì)必要求具有更先進(jìn)性能納米材料的出現(xiàn)。34/374、總結(jié)與展望藥物治療上使用的材料藥物控釋納米材料將繼續(xù)成為納米醫(yī)用材料研究發(fā)展的重點(diǎn)。納米粒子不但具有能穿過組織間隙并被細(xì)胞吸收等特性，而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實(shí)現(xiàn)口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑等優(yōu)點(diǎn)，因而在藥物輸送方面具有廣闊的應(yīng)用前景。35/374、總結(jié)與展望功能性生物材料各種有著特定功能的材料將越來越多地應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)上去。未來幾年生物材料中納米陶瓷