納米生物材料

1、 納米生物材料納米生物材料主講人：曹盛麟，符武符，趙旭，武奇德一，納米材料的概述v納米技術(shù)簡(jiǎn)介v納米技術(shù)在世界各國(guó)的情況v納米技術(shù)在當(dāng)代中國(guó)的發(fā)展1.1 納米及納米技術(shù)納米及納米技術(shù)v1 1納米納米(nm): 1(nm): 1毫米毫米(mm)(mm)的百萬(wàn)分之一的百萬(wàn)分之一 1 nm=101 nm=10-6 -6 mm=10mm=10-9-9m(=10)m(=10) 大約等于十個(gè)氫原大約等于十個(gè)氫原子并列一直線的長(zhǎng)度。子并列一直線的長(zhǎng)度。 v人類頭發(fā)的直徑大約有人類頭發(fā)的直徑大約有6萬(wàn)萬(wàn)至至8萬(wàn)納萬(wàn)納米。米。100 m100 slicesTake 1 slice1 m1000 slicesTa

2、ke 1 slice1nmHuman Hair1.1 納米及納米技術(shù)納米及納米技術(shù)v所謂納米技術(shù)，是指在0.1100納米的尺度里，研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性以及對(duì)物質(zhì)和材料進(jìn)行處理的技術(shù)被稱為納米技術(shù)。v納米生物醫(yī)用材料是指用于對(duì)生物醫(yī)用材料進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)或替代其病損組織、器官或增進(jìn)其功能的新型高科技納米材料。納米技術(shù)在世界各國(guó)的情況納米技術(shù)在世界各國(guó)的情況v1981年科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具年科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具掃描隧道顯微鏡，原子、分子世界從此掃描隧道顯微鏡，原子、分子世界從此可見(jiàn)。可見(jiàn)。v1990年首屆國(guó)際納米科技會(huì)議在美國(guó)巴爾年首屆國(guó)際納米科技會(huì)議在美國(guó)巴爾的

3、摩舉辦，納米技術(shù)形式誕生。的摩舉辦，納米技術(shù)形式誕生。v1991年碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是年碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鐵的相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鐵的10倍，倍，成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。 2.1 2.1 國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展v朗訊公司和牛津大學(xué): 納米鑷子v碳納米管“秤”，稱量一個(gè)病毒的重量v稱量單個(gè)原子重量的“納米秤”2.1 2.1 國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展v1990年，IBM公司用原子排出“IBM”鎳基底上用35個(gè)氙原子排列成英文IBMv納米存貯器及DNA開(kāi)關(guān)納米技術(shù)在當(dāng)代中國(guó)的發(fā)展納米技術(shù)在當(dāng)代中國(guó)

4、的發(fā)展v1993年，中科院操縱原子寫字v國(guó)家納米科技發(fā)展綱要（2001-2010）和國(guó)家納米科技發(fā)展指南框架 1.2 1.2 納米材料的基本效應(yīng)納米材料的基本效應(yīng)界面效應(yīng)界面效應(yīng)尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)量子效應(yīng)量子效應(yīng) 費(fèi)米能級(jí)附件的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x費(fèi)米能級(jí)附件的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象散能級(jí)的現(xiàn)象1.界面效應(yīng)界面效應(yīng)v 納米材料由于大量的原子存在于晶界和局部納米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子結(jié)構(gòu)不同于大塊晶體材料，使納米材料的的原子結(jié)構(gòu)不同于大塊晶體材料，使納米材料的自由能增加，納米材料處于不穩(wěn)定狀態(tài)。自由能增加，納米材料處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 表面效應(yīng)表面效應(yīng) 是指微粉的粒徑越

5、小，其總表面積是指微粉的粒徑越小，其總表面積越大；表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而越大；表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大。如當(dāng)粒徑為急劇增大。如當(dāng)粒徑為10 nm(總原子數(shù)為總原子數(shù)為3104)時(shí)，表面原子數(shù)總原子數(shù)時(shí)，表面原子數(shù)總原子數(shù)=0.20；而；而當(dāng)粒度減小到當(dāng)粒度減小到l nm(總原子數(shù)為總原子數(shù)為30)時(shí)，這一比值時(shí)，這一比值急劇上升到急劇上升到0.991表面原子的晶場(chǎng)環(huán)境和結(jié)合能表面原子的晶場(chǎng)環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同，具有很大的活性；晶粒的微粒與內(nèi)部原子不同，具有很大的活性；晶粒的微?；S著這種活性的表面原子增多，使其表面能也化隨著這種活性的表面原子增多，使其表

6、面能也大大增加。大大增加。1.界面效應(yīng)界面效應(yīng)2.體積效應(yīng)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是物質(zhì)體體積效應(yīng)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是物質(zhì)體積的縮小雖不會(huì)引起物質(zhì)物性基本參量的積的縮小雖不會(huì)引起物質(zhì)物性基本參量的變化，但會(huì)使那些與體積有關(guān)的物性發(fā)生變化，但會(huì)使那些與體積有關(guān)的物性發(fā)生變化，如磁體的磁疇變小，半導(dǎo)體中電子變化，如磁體的磁疇變小，半導(dǎo)體中電子的自由路程變短，等等；二是物質(zhì)一般具的自由路程變短，等等；二是物質(zhì)一般具有由無(wú)限個(gè)原子組成的物質(zhì)屬性，而納米有由無(wú)限個(gè)原子組成的物質(zhì)屬性，而納米粒子則表現(xiàn)出有限個(gè)原子集合體的特性。粒子則表現(xiàn)出有限個(gè)原子集合體的特性。 1.尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)v晶體周期性的邊界條

7、件遭破壞，顆粒表面層晶體周期性的邊界條件遭破壞，顆粒表面層附近原子密度減小，從而導(dǎo)致聲、光、電磁、附近原子密度減小，從而導(dǎo)致聲、光、電磁、熱力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。熱力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。v可以分為特殊的光學(xué)性質(zhì)，熱學(xué)性質(zhì)，磁學(xué)可以分為特殊的光學(xué)性質(zhì)，熱學(xué)性質(zhì)，磁學(xué)性質(zhì)，力學(xué)性質(zhì)，電學(xué)性質(zhì)。性質(zhì)，力學(xué)性質(zhì)，電學(xué)性質(zhì)。四大特點(diǎn)四大特點(diǎn): 尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子比例大。四個(gè)方面應(yīng)用四個(gè)方面應(yīng)用: : (1). (1). 納納米電子學(xué)米電子學(xué): : 擁有嶄新?lián)碛袓湫鹿δ艿碾娮觾x器，有高功能的電子儀器，有高速度及低能量消耗的優(yōu)點(diǎn)速度及低能量消耗的優(yōu)點(diǎn); ; (2). (2

8、). 納米納米材料科學(xué)材料科學(xué) (3). (3). 納納米生物學(xué)米生物學(xué): : 包括去氧核糖核酸包括去氧核糖核酸(DNA)(DNA)和核糖和核糖核酸核酸(RNA)(RNA)的基因圖譜的基因圖譜 (4). (4). 納納米醫(yī)學(xué)米醫(yī)學(xué): : 發(fā)明發(fā)明、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)納米級(jí)的新藥物。、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)納米級(jí)的新藥物。1.3 1.3 特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)及應(yīng)用v1力學(xué)性能的應(yīng)用 納米顆粒具有大的比表面積，活性大并具有高的擴(kuò)散速率，因而用納米粉體進(jìn)行燒結(jié)，致密化速度快、可降低燒結(jié)溫度并提高力學(xué)性能。近年來(lái)，用納米顆粒強(qiáng)化為目的的納米陶瓷材料得到較大進(jìn)展，為陶瓷材料的發(fā)展提供了生機(jī)，大量以納米顆粒為原料或添加料的超硬、高

9、強(qiáng)、高韌、超塑性材料相繼問(wèn)世v納米微粒尺寸進(jìn)入一定臨界值時(shí)就轉(zhuǎn)入超順磁性狀態(tài)，例如-Fe、Fe304和-Fe203粒徑分別為5nm、16nm、20nm時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槌櫞判浴Ａ硗饧{米顆粒材料還可能具有高的矯頑力、巨磁電阻、magnetocaloric效應(yīng)等性能。因此可用于制備磁致冷材料、水磁材料、磁性液體、磁記錄器件、磁光元件、磁存儲(chǔ)元件及磁探測(cè)器等磁元件。v納米顆敞在電學(xué)性能方面也出現(xiàn)了一些獨(dú)特性。例如納米金屬顆粒在低溫下呈現(xiàn)絕線性，納米欽酸鉛、鐵酸鋇和欽酸釣等顆粒由典型的鐵電體變成了順電體?？梢岳眉{米顆粒來(lái)制做導(dǎo)電漿料、絕緣漿科、電極、超導(dǎo)體、量子器件、靜電屏蔽材料、壓敏和非線形電阻及鵲綰徒櫚

10、綺牧系取v納米顆粒可表現(xiàn)出與同質(zhì)的大塊物體不同的光學(xué)特性，例如寬頻帶強(qiáng)吸收、藍(lán)移現(xiàn)象及新的發(fā)光現(xiàn)象，從而可用于光反射材料、光通訊、光存儲(chǔ)、光開(kāi)關(guān)、光過(guò)濾材料、光導(dǎo)體發(fā)光材料、光折變材料、光學(xué)非線性元件、吸波隱身材料和紅外傳感器等領(lǐng)域。v納米顆粒表面積巨大，表面活性高，對(duì)周圍環(huán)境(溫度、氣氛、光、濕度等)敏感，因此可用來(lái)制作敏感度高曲超小型、低能耗、多功能傳感器。 v以氧化錫為基體材料，并摻入適當(dāng)?shù)拇呋瘎┗蛱罴觿芍频脤?duì)酒精、氫氣、硫化氫、一氧化碳和甲烷等氣體具有選擇性敏感性能的氣敏元件。氧化錫對(duì)氣體靈敏度高低與材料的比表面積有關(guān)，通常比表面積越大，氣體靈敏度越高。納米氧化錫顆粒具有明顯優(yōu)越性

11、能，具有更高的氣體靈敏度。目前用納米SnO2顆粒膜制成的傳感器已經(jīng)實(shí)用化，可用作氣體泄漏報(bào)警器和濕度傳感器，并且可以隨著溫度的變化有選擇地檢測(cè)多種氣體。vTiO2陶瓷材料不僅對(duì)O2、CO、H2等氣體有較強(qiáng)的敏感性，而且還可作為環(huán)境濕度傳感器。納米生物材料學(xué)的制備方法v1. 物理方法物理方法 (1)真空冷凝法 用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感 應(yīng)等方法使原料氣化或形成等離子體，然后驟冷。 (2)物理粉碎法 通過(guò)機(jī)械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒，但產(chǎn)品純子。 (3)機(jī)械球磨法 采用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純?cè)丶{米粒子、合金納米粒子或復(fù)合材料的納米粒子。納米生物材料學(xué)的制備方法v2. 化學(xué)方法化學(xué)

12、方法 v1)氣相沉積法 利用金屬化合物蒸氣的化學(xué)反應(yīng)合成納米材料。 v(2)沉淀法 把沉淀劑加入到鹽溶液中反應(yīng)后，將沉淀熱處理得到納米材料。 v(3)水熱合成法 高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，再經(jīng)分離和熱處理得納米粒子。其特點(diǎn)純度高，分散性好、粒度易控制。v(4)溶膠凝膠法 金屬化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)低溫?zé)崽幚矶杉{米粒子。v(5)微乳液法 兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，在微泡中經(jīng)成核、聚結(jié)、團(tuán)聚、熱處理后得納米粒子。納米載體納米生物器件納米生物組織工程納米醫(yī)藥納米載體納米藥物載體納米基因載體納米藥物載體v1 普通載藥納米微粒 v這種劑型的出現(xiàn)背景是基

13、于將一些藥物通過(guò)藥劑學(xué)和納米技術(shù)的高度結(jié)合，使原本因理化性質(zhì)不穩(wěn)定而降解破壞或因不良反應(yīng)較大而影響其使用的藥物經(jīng)特殊的方法高度分散于藥物載體中，制成載藥納米微粒，用液體載體的流動(dòng)形式給藥，從而避免了所提到的缺點(diǎn)。v納米控釋系統(tǒng)包括納米粒子和納米膠囊，它們是粒子在10一500nm間的固體膠態(tài)粒子。它與以往的控釋制劑不同，載藥納米微粒的控釋過(guò)程具有其特定的規(guī)定，囊壁溶解和微生物的作用，均可使囊心物質(zhì)向外擴(kuò)散。將藥物制成納米制劑后，不但達(dá)到緩控釋效果，而且改變其藥物動(dòng)力學(xué)的特性，使一些免疫系統(tǒng)的慢性病能得到更好的治療。v靶向藥物能完成從靶器官、靶細(xì)胞到最為先進(jìn)的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的三級(jí)靶向治療，從而達(dá)到病灶

14、部位緩慢釋放藥物，維持長(zhǎng)期局部有效的藥物濃度。此類微粒是根據(jù)臨床需要，通過(guò)選用對(duì)機(jī)體各種組織或病變部位親和力不同的載體制作載藥微?；?qū)慰寺】贵w與載體結(jié)合，以使藥物能夠輸送到治療期望達(dá)到的特定部位，因而稱之為靶向定位給藥。物理靶向物理靶向v 載藥磁性微粒是在微囊基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型藥物運(yùn)載系統(tǒng)。這種載有高分子和蛋白的磁性納米粒子作為藥物載體靜脈注射到動(dòng)物體(小鼠、白兔)內(nèi)后，在外加磁場(chǎng)下，通過(guò)納米微粒的磁性導(dǎo)航，使藥物移向病變部位，達(dá)到定向治療的目的。國(guó)內(nèi)有實(shí)驗(yàn)研究出阿霉素免疫磁性造微粒，在進(jìn)行了免疫活性檢測(cè)和體外抑瘤實(shí)驗(yàn)后證實(shí)其具有抗體導(dǎo)向功能，并具有較高的磁響應(yīng)性，具有較強(qiáng)的靶向定位功能，

15、為靶向治療腫瘤奠定了結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。納米基因載體v 一些特殊的納米粒子可以進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)達(dá)到基因治療目的。v 如：國(guó)外有人利用納米技術(shù)可使DNA通過(guò)主動(dòng)靶向作用定位于細(xì)胞。將質(zhì)子DNA濃縮至50200nm大小且?guī)县?fù)電荷，有助于其對(duì)細(xì)胞核的有效入侵，而最后反粒DNA插入細(xì)胞核DNA的準(zhǔn)確點(diǎn)則取決于納米粒子的大小和結(jié)構(gòu)。還有人研究了一種樹(shù)突狀物的多聚物，由于它有著精確的納米結(jié)構(gòu)和表面與內(nèi)部都可以攜帶分子的特性使之成為一個(gè)很好的DNA導(dǎo)入細(xì)胞的載體。納米生物器件一、納米機(jī)器人一、納米機(jī)器人) )的研制的研制 納米機(jī)器人是納米生物學(xué)中最具誘感力的內(nèi)容。u動(dòng)脈粥樣硬化的治療 機(jī)器人能夠從動(dòng)脈壁上清除粥樣沉

16、積物。這不僅會(huì)提高動(dòng)脈壁的彈性,還會(huì)使通過(guò)動(dòng)脈的血液流動(dòng)狀況得到改善。 在血管中運(yùn)動(dòng)的納米機(jī)器人，它正在使用納米切割機(jī)和真空吸塵器來(lái)清除血管中的沉積物納米機(jī)器人在清理血管中的有害堆積物-中國(guó)科學(xué)院合肥研究院 的研究中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制動(dòng)化所研制研制的研制的納米微操作機(jī)器人納米微操作機(jī)器人在1010微米的基片上刻出的字樣 2. 納米生物傳感器u檢查體內(nèi)疾病 重慶科研人員開(kāi)發(fā)的“OMOM膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)” 估計(jì)三年內(nèi)可以上市。 該醫(yī)生長(zhǎng)得 像一顆膠囊，把它吞進(jìn)肚里，消化道內(nèi)的情景就可以像放電影一樣在電腦屏幕 上一 目了然 納米生物芯片基因芯片蛋白質(zhì)芯片基因芯片v基因芯片(gene

17、 chip)的原型是80年代中期提出的?；蛐酒臏y(cè)序原理是雜交測(cè)序方法，即通過(guò)與一組已知序列的核酸探針雜交進(jìn)行核酸序列測(cè)定的方法，可以用圖11-5-1來(lái)說(shuō)明。在一塊基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探針。當(dāng)溶液中帶有熒光標(biāo)記的核酸序列TATGCAATCTAG，與基因芯片上對(duì)應(yīng)位置的核酸探針產(chǎn)生互補(bǔ)匹配時(shí)，通過(guò)確定熒光強(qiáng)度最強(qiáng)的探針位置，獲得一組序列完全互補(bǔ)的探針序列。據(jù)此可重組出靶核酸的序列?；蛐酒臏y(cè)序原理圖 生物芯片的應(yīng)用v在實(shí)際應(yīng)用方面，生物芯片技術(shù)可廣泛應(yīng)用于疾病診斷和治療、藥物篩選、農(nóng)作物的優(yōu)育優(yōu)選、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督、環(huán)境檢測(cè)、國(guó)防、航天等許多領(lǐng)域。它將為人類認(rèn)識(shí)生命的起源

18、、遺傳、發(fā)育與進(jìn)化、為人類疾病的診斷、治療和防治開(kāi)辟全新的途徑，為生物大分子的全新設(shè)計(jì)和藥物開(kāi)發(fā)中先導(dǎo)化合物的快速篩選和藥物基因組學(xué)研究提供技術(shù)支撐平臺(tái)。蛋白質(zhì)芯片v蛋白質(zhì)芯片是一種高通量的蛋白功能分析技術(shù)，可用于蛋白質(zhì)表達(dá)譜分析，研究蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用，甚至DNA蛋白質(zhì)、RNA蛋白質(zhì)的相互作用，篩選藥物作用的蛋白靶點(diǎn)等 未來(lái)發(fā)展方向v（1）建立快速、廉價(jià)、高通量的蛋白質(zhì)表達(dá)和純化方法，高通量制備抗體并定義每種抗體的親和特異性；第一代蛋白檢測(cè)芯片將主要依賴于抗體和其他大分子，顯然，用這些材料制備復(fù)雜的芯片，尤其是規(guī)模生產(chǎn)會(huì)存在很多實(shí)際問(wèn)題，理想的解決辦法是采用化學(xué)合成的方法大規(guī)模制備抗體。v(2) 改進(jìn)基質(zhì)材料的表面處理技術(shù)以減少蛋白質(zhì)的非特異性結(jié)合。v(3) 提高芯片制作的點(diǎn)陣速度；提供合適的溫度和濕度以保持芯片表面蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性及生物活性。v(4) 研究通用的高靈敏度、高分辨率檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)成像與