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)簡介v納米技術(shù)在世界各國的情況v納米技術(shù)在當代中國的發(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)的百萬分之一的百萬分之一 1 nm=101 nm=10-6 -6 mm=10mm=10-9-9m(=10m(=10) 大大約約等等于于十十個氫個氫原原子子并并列一直列一直線線的的長長度。度。 v人人類頭發(fā)類頭發(fā)的的直徑直徑大大約約有有6萬萬至至8萬納萬納米。米。100 m100 slicesTake 1 slice1 m1000 slicesTak

2、e 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、原子和分子運動規(guī)律和特性以及對物質(zhì)和材料進行處理的技術(shù)被稱為納米技術(shù)。v納米生物醫(yī)用材料是指用于對生物醫(yī)用材料進行診斷、治療、修復或替代其病損組織、器官或增進其功能的新型高科技納米材料。納米技術(shù)在世界各國的情況納米技術(shù)在世界各國的情況v1981年科學家發(fā)明研究納米的重要工具年科學家發(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。可見。v1990年首屆國際納米科技會議在美國巴爾年首屆國際納米科技會議在美國巴爾的摩

3、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，強度卻是鐵的相同體積鋼的六分之一，強度卻是鐵的10倍，倍，成為納米技術(shù)研究的熱點。成為納米技術(shù)研究的熱點。 2.1 2.1 國外納米技術(shù)進展國外納米技術(shù)進展v朗訊公司和牛津大學: 納米鑷子v碳納米管“秤”，稱量一個病毒的重量v稱量單個原子重量的“納米秤”2.1 2.1 國外納米技術(shù)進展國外納米技術(shù)進展v1990年，IBM公司用原子排出“IBM”鎳基底上用35個氙原子排列成英文IBMv納米存貯器及DNA開關(guān)納米技術(shù)在當代中國的發(fā)展納米技術(shù)在當代中國的

4、發(fā)展v1993年，中科院操縱原子寫字v國家納米科技發(fā)展綱要（2001-2010）和國家納米科技發(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)1.1.界面效應(yīng)界面效應(yīng)2.2.尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)3.3.量子效應(yīng)量子效應(yīng) 費米能級附件的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x費米能級附件的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象散能級的現(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)。1. 表面效應(yīng)

5、表面效應(yīng) 是指微粉的粒徑越小，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。如當粒徑為急劇增大。如當粒徑為10 nm(總原子數(shù)為總原子數(shù)為3104)時，表面原子數(shù)總原子數(shù)時，表面原子數(shù)總原子數(shù)=0.20；而；而當粒度減小到當粒度減小到l nm(總原子數(shù)為總原子數(shù)為30)時，這一比值時，這一比值急劇上升到急劇上升到0.991表面原子的晶場環(huán)境和結(jié)合能表面原子的晶場環(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

6、活性的表面原子增多，使其表面能也大大增加。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)在兩個方面：一是物質(zhì)體體積效應(yīng)主要表現(xiàn)在兩個方面：一是物質(zhì)體積的縮小雖不會引起物質(zhì)物性基本參量的積的縮小雖不會引起物質(zhì)物性基本參量的變化，但會使那些與體積有關(guān)的物性發(fā)生變化，但會使那些與體積有關(guān)的物性發(fā)生變化，如磁體的磁疇變小，半導體中電子變化，如磁體的磁疇變小，半導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)一般具有由無限個原子組成的物質(zhì)屬性，而納米有由無限個原子組成的物質(zhì)屬性，而納米粒子則表現(xiàn)出有限個原子集合體的特性。粒子則表現(xiàn)出有限個原子集合體的特性。 1.尺寸效應(yīng)尺

7、寸效應(yīng)v晶體周期性的邊界條件遭破壞，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，從而導致聲、光、電磁、附近原子密度減小，從而導致聲、光、電磁、熱力學等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。熱力學等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。v可以分為特殊的光學性質(zhì)，熱學性質(zhì)，磁學可以分為特殊的光學性質(zhì)，熱學性質(zhì)，磁學性質(zhì)，力學性質(zhì)，電學性質(zhì)。性質(zhì)，力學性質(zhì)，電學性質(zhì)。四大特點四大特點: 尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子比例大。四四個個方面方面應(yīng)應(yīng)用用: : (1). (1). 納納米米電電子子學學: : 擁有嶄新?lián)碛袓湫鹿δ艿墓δ艿碾娮觾x器電子儀器，有有高高速度及低能量消耗的速度及低能量消耗的優(yōu)點優(yōu)

8、點; ; (2). (2). 納米納米材料科材料科學學 (3). (3). 納納米生物米生物學學: : 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)的基因的基因圖譜圖譜 (4). (4). 納納米米醫(yī)學醫(yī)學: : 發(fā)明發(fā)明、設(shè)計設(shè)計及生及生產(chǎn)納產(chǎn)納米米級級的新的新藥物藥物。1.3 1.3 特點及應(yīng)用特點及應(yīng)用v1力學性能的應(yīng)用 納米顆粒具有大的比表面積，活性大并具有高的擴散速率，因而用納米粉體進行燒結(jié)，致密化速度快、可降低燒結(jié)溫度并提高力學性能。近年來，用納米顆粒強化為目的的納米陶瓷材料得到較大進展，為陶瓷材料的發(fā)展提供了生機，大量以納米顆粒為原

9、料或添加料的超硬、高強、高韌、超塑性材料相繼問世v納米微粒尺寸進入一定臨界值時就轉(zhuǎn)入超順磁性狀態(tài)，例如-Fe、Fe304和-Fe203粒徑分別為5nm、16nm、20nm時轉(zhuǎn)變?yōu)槌櫞判?。另外納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、磁存儲元件及磁探測器等磁元件。v納米顆敞在電學性能方面也出現(xiàn)了一些獨特性。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。可以利用納米顆粒來制做導電漿料、絕緣漿科、電極、超導體、量子器件、靜電屏蔽材料、壓敏和

10、非線形電阻及鵲綰徒櫚綺牧系取v納米顆?？杀憩F(xiàn)出與同質(zhì)的大塊物體不同的光學特性，例如寬頻帶強吸收、藍移現(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、光開關(guān)、光過濾材料、光導體發(fā)光材料、光折變材料、光學非線性元件、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，對周圍環(huán)境(溫度、氣氛、光、濕度等)敏感，因此可用來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?shù)拇呋瘎┗蛱罴觿?，可制得對酒精、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

11、錫顆粒具有明顯優(yōu)越性能，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)實用化，可用作氣體泄漏報警器和濕度傳感器，并且可以隨著溫度的變化有選擇地檢測多種氣體。vTiO2陶瓷材料不僅對O2、CO、H2等氣體有較強的敏感性，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 通過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒，但產(chǎn)品純子。 (3)機械球磨法 采用球磨方法，控制適當?shù)臈l件得到純元素納米粒子、合金納米粒子或復合材料的納米粒子。納米生物材料學的制備方法

12、v2. 化學方法化學方法 v1)氣相沉積法 利用金屬化合物蒸氣的化學反應(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)低溫熱處理而生成納米粒子。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)、團聚、熱處理后得納米粒子。1.納米載體2.納米生物器件3.納米生物組織工程4.納米醫(yī)藥納米載體1.納米藥物載體2.納米基因載體納米藥物載體v1

13、 普通載藥納米微粒 v這種劑型的出現(xiàn)背景是基于將一些藥物通過藥劑學和納米技術(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，用液體載體的流動形式給藥，從而避免了所提到的缺點。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)向外擴散。將藥物制成納米制劑后，不但達到緩控釋效果，而且改變其藥物動力學的特性，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、靶細胞到最為

14、先進的細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的三級靶向治療，從而達到病灶部位緩慢釋放藥物，維持長期局部有效的藥物濃度。此類微粒是根據(jù)臨床需要，通過選用對機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)展起來的新型藥物運載系統(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物體(小鼠、白兔)內(nèi)后，在外加磁場下，通過納米微粒的磁性導航，使藥物移向病變部位，達到定向治療的目的。國內(nèi)有實驗研究出阿霉素免疫磁性造微粒，在進行了免疫活性檢測和體外抑瘤實驗后證實其具有抗體導向功能，并

15、具有較高的磁響應(yīng)性，具有較強的靶向定位功能，為靶向治療腫瘤奠定了結(jié)實的基礎(chǔ)。納米基因載體v 一些特殊的納米粒子可以進入細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)達到基因治療目的。v 如：國外有人利用納米技術(shù)可使DNA通過主動靶向作用定位于細胞。將質(zhì)子DNA濃縮至50200nm大小且?guī)县撾姾桑兄谄鋵毎说挠行肭?，而最后反粒DNA插入細胞核DNA的準確點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很好的DNA導入細胞的載體。納米生物器件一、納米機器人一、納米機器人) )的研制的研制 納米機器人是納米生物學中最具誘感力的內(nèi)容。u動脈粥

16、樣硬化的治療 機器人能夠從動脈壁上清除粥樣沉積物。這不僅會提高動脈壁的彈性,還會使通過動脈的血液流動狀況得到改善。 在血管中運動的納米機器人，它正在使用納米切割機和真空吸塵器來清除血管中的沉積物納米機器人在清理血管中的有害堆積物-中國科學院合肥研究院 的研究中國科學院沈陽自中國科學院沈陽自動化所研制動化所研制研制的研制的納米微操作機器人納米微操作機器人在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 重慶科研人員開發(fā)的“OMOM膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)” 估計三年內(nèi)可以上市。 該醫(yī)生長得 像一顆膠囊，把它吞進肚里，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1

17、.基因芯片2.蛋白質(zhì)芯片基因芯片v基因芯片(gene chip)的原型是80年代中期提出的?；蛐酒臏y序原理是雜交測序方法，即通過與一組已知序列的核酸探針雜交進行核酸序列測定的方法，可以用圖11-5-1來說明。在一塊基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探針。當溶液中帶有熒光標記的核酸序列TATGCAATCTAG，與基因芯片上對應(yīng)位置的核酸探針產(chǎn)生互補匹配時，通過確定熒光強度最強的探針位置，獲得一組序列完全互補的探針序列。據(jù)此可重組出靶核酸的序列?；蛐酒臏y序原理圖 生物芯片的應(yīng)用v在實際應(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

18、檢測、國防、航天等許多領(lǐng)域。它將為人類認識生命的起源、遺傳、發(fā)育與進化、為人類疾病的診斷、治療和防治開辟全新的途徑，為生物大分子的全新設(shè)計和藥物開發(fā)中先導化合物的快速篩選和藥物基因組學研究提供技術(shù)支撐平臺。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等 未來發(fā)展方向v（1）建立快速、廉價、高通量的蛋白質(zhì)表達和純化方法，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，用這些材料制備復雜的芯片，尤其是規(guī)模生產(chǎn)會存在很多實際問題，理想的解決辦法是采用化學合成的方法大規(guī)模制備抗體。v(2) 改進基質(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、高分辨率檢測方法，實現(xiàn)成