納米技術(shù)在生物方面的應(yīng)用

1、 新型納米生物醫(yī)藥材料 班級(jí)：光信121學(xué)號(hào)：姓名：郭晨論文題目：納米技術(shù)在生物方面的應(yīng)用 納米技術(shù)在生物方面的應(yīng)用（一）所謂納米技術(shù)(Nanotechnology)是指在小于100 nm的量度范圍內(nèi)對(duì)物質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行制造的技術(shù)，其實(shí)就是一種用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。納米技術(shù)在新世紀(jì)將推動(dòng)信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)及能源科學(xué)的發(fā)展，將極大的影響人類(lèi)的生活，納米技術(shù)涉及面十分廣泛包括物理學(xué)化學(xué)生物醫(yī)學(xué)和材料等有關(guān)的領(lǐng)域。納米技術(shù)及其應(yīng)用正在不斷發(fā)展對(duì)許多科技領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響。隨著人們對(duì)生命領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)的不斷深入可以認(rèn)為生物世界是由納米級(jí)單元構(gòu)成并且生命生物學(xué)提供了一個(gè)新的

2、研究領(lǐng)域即在納米水平上對(duì)細(xì)胞和生命進(jìn)一步認(rèn)識(shí)相應(yīng)地對(duì)生命本身細(xì)微結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的深入將使人們不斷得到啟迪有助于對(duì)細(xì)胞行為更好調(diào)控促進(jìn)新興研究領(lǐng)域的發(fā)展因此納米與生物的結(jié)合不僅對(duì)探索生命本質(zhì)具有重大科學(xué)意義而且具有重要的應(yīng)用價(jià)值?！?】（二）納米生物學(xué)的研究對(duì)象有人把在納米尺度(水平)上研究生命現(xiàn)象的生物學(xué)叫做納米生物學(xué)。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(xì)胞具有微米(10-6m)量級(jí)的空間尺度，生物大分子具有納米量級(jí)的空間尺度。在它們之間的層次是亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，具有幾十到幾百納米量級(jí)的空間尺度。顯然在納米水平上研究生命現(xiàn)象的納米生

3、物學(xué)，它的研究對(duì)象就是亞細(xì)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(xì)胞、紅細(xì)胞小得多，這就為生物學(xué)研究提供了一個(gè)新的研究途徑即利用納米微粒進(jìn)行細(xì)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(jìn)行局部定向治療等。1 納米機(jī)械生命系統(tǒng)是由納米尺度上分子的行為所控制的F1-ATPase(F1-三磷酸腺苷酶)是細(xì)胞中精巧的分子馬達(dá)之一，它位于線(xiàn)粒體內(nèi)是一種用于合成ATP(三磷酸腺苷可以用于推動(dòng)許多生物合成反應(yīng)在能量循環(huán)中起關(guān)鍵作用還充作特殊生理活動(dòng)作功分泌吸收和傳導(dǎo)等的初級(jí)能源)的大型嵌膜復(fù)合體。自然界中有一些細(xì)菌可以靠擺動(dòng)其鞭毛而運(yùn)動(dòng)，鞭毛的根部就像一個(gè)微小的馬達(dá)它的中心是一

4、個(gè)由蛋白質(zhì)構(gòu)成的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子周?chē)且粋€(gè)由六個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)組成的環(huán)每個(gè)蛋白質(zhì)分子都具有ATP 酶的活性通過(guò)將ATP 分解成ADP 而獲得的能量就可以使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鞭毛擺動(dòng)。Montemagno 等4在活細(xì)胞內(nèi)能源機(jī)制啟發(fā)下制造出了一種分子馬達(dá)，這種微型馬達(dá)以三磷酸腺苷酶為基礎(chǔ)把金屬鎳制成的螺旋槳嫁接到三磷酸腺苷酶分子中軸上，制造了400 個(gè)分子馬達(dá)浸于ATP 溶液后其中395 個(gè)保持不動(dòng)但另5個(gè)則轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)轉(zhuǎn)速達(dá)到8 r/s 這種馬達(dá)只在顯微鏡下才能被觀察到，其鎳螺旋槳相對(duì)來(lái)說(shuō)較長(zhǎng)達(dá)到750nm 。根據(jù)拍攝到的畫(huà)面研究人員觀察到一個(gè)塵埃粒子先被旋轉(zhuǎn)的螺旋槳吸入和甩出的情景。6 Montemagno 希

5、望最終有一天能夠利用這種裝置將某些藥品運(yùn)送到體內(nèi)的任何地方比如將化療藥物直接運(yùn)送到腫瘤以減少對(duì)正常細(xì)胞的損傷。更深入的研究將允許科學(xué)家們利用分子水平上的研究結(jié)果將無(wú)機(jī)裝置與自分子馬達(dá)相結(jié)合創(chuàng)造雜交系統(tǒng)和全新納米機(jī)械器件。人們?cè)O(shè)想利用化學(xué)能的分子馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的納米機(jī)械與閥泵和傳感器組成集成器件這類(lèi)器件，能對(duì)肌體內(nèi)外的變化作出反應(yīng)。例如可探測(cè)有害化學(xué)物質(zhì)的納米傳感器，當(dāng)被有害物質(zhì)激活后這種傳感器內(nèi)的馬達(dá)就打開(kāi)閥門(mén)釋放出可見(jiàn)的物質(zhì)示警，利用小型自給自足能量的器械可以探測(cè)并鑒別土壤中的油類(lèi)或化學(xué)污染同時(shí)繪制出它的分布和濃度圖或是根據(jù)探測(cè)的體內(nèi)變化調(diào)控藥物的施用7等。納米機(jī)械還可以利用DNA 基本元件堿基的

6、配對(duì)機(jī)制做成采用DNA 為燃料的鑷子，研究人員設(shè)計(jì)出三條DNA 鏈A B 和C 利用堿基配對(duì)機(jī)制使A 的一半與B 的一半結(jié)合A的另一半與C 的一半結(jié)合在A 連接B 與C 的地方有一個(gè)活動(dòng)樞鈕，這樣就構(gòu)成了一個(gè)可以開(kāi)合的鑷子。而其每條臂只有1nm 長(zhǎng)一般情況下鑷子保持開(kāi)的狀態(tài)，利用另一條設(shè)計(jì)好的DNA 鏈D 使它分別與B 和C 上堿基未配對(duì)的部分結(jié)合就把B 和C 兩臂拉到一起使鑷子合上，同時(shí)D 仍留出一部分未配對(duì)的堿基再添加一條DNA 鏈E 使它與鏈D 上堿基未配對(duì)的部分結(jié)合把D 拉離鑷子，即能使鑷子重新張開(kāi)。重復(fù)添加鏈D 和鏈E 的過(guò)程可使鑷子反復(fù)開(kāi)合由于這個(gè)鑷子的開(kāi)合需要在DNA 鏈D 和鏈

7、E 的作用下才能進(jìn)行故將DNA 稱(chēng)為這種鑷子的燃料。2 納米生物標(biāo)記細(xì)胞染色是用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡研究細(xì)胞組織的一項(xiàng)十分重要的技術(shù)。未加染色的細(xì)胞組織由于襯度低很難用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡進(jìn)行觀察，為了解決這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)發(fā)展了多種染色技術(shù)。納米粒子的出現(xiàn)為建立新的更加有效的染色技術(shù)提供了途徑。文獻(xiàn)10介紹了比利時(shí)的Demey 博士在乙醚的黃磷飽和溶液中用抗壞血酸或檸檬酸把金從HAuCl4 水溶液中還原成金納米粒子其粒徑為30- 40 nm 并由此制備了金納米粒子-抗體的復(fù)合體(即將金的納米粒子與預(yù)先精制的抗體或單克隆抗體混合) 這些復(fù)合體與細(xì)胞組織相結(jié)合，就相當(dāng)于給各種組織貼上了標(biāo)簽由于納米

8、粒子的光學(xué)特性在顯微鏡下呈現(xiàn)自己的特征顏色，使得在光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡下襯度差別很大各種組織容易被分辨。生物標(biāo)記是廣泛用于臨床的可視化的技術(shù)之一利用納米粒子的小尺寸效應(yīng)。美國(guó)California的Bruchez 等經(jīng)過(guò)10 年的研究9,10 合成了一系列不同粒徑的CdSe 等納米粒子得到了其粒徑對(duì)熒光波長(zhǎng)(或能帶寬度)的響應(yīng)規(guī)律。從實(shí)驗(yàn)中可見(jiàn)CdSe InP InAs 等半導(dǎo)體納米粒子的熒光峰值位置隨納米粒子粒徑減小向短波方向移動(dòng)，并有十分明顯的間隔，可以用于熒光生物標(biāo)記。他們將不同粒徑(5nm 和3nm)的樣品注入3T3 鼠纖維原細(xì)胞中然后用激光或紫外燈照射表面包覆半導(dǎo)體納米晶 CdSe,

9、 InP, InAs 在不同尺寸時(shí)的發(fā)射光譜 (粒徑對(duì)波長(zhǎng)的不同響應(yīng))CdSe 納米晶尺寸2.1nm, 2.4nm, 3.1nm, 3.6nm, 4.6 nm (從右至左) InP 納米晶尺寸寸3.0nm, 3.5nm, 4.6 nm (從右至左)InAs 納米晶尺寸2.8nm, 3.6nm, 4.6nm, 6.0 nm.觀察到兩種不同的顏色即紅色和綠色從熒光分析表明發(fā)綠光的5nm 顆粒位于纖維中而發(fā)紅光的3nm 粒子位于細(xì)胞核中他們認(rèn)為該半導(dǎo)體納米粒子作為熒光生物標(biāo)記將優(yōu)于染料。在診斷和顯影方面具有更廣泛的應(yīng)用前景【2】3 納米技術(shù)改進(jìn)生物傳感器所有疾病過(guò)程如細(xì)胞的癌前病變都伴隨著被感染的細(xì)

10、胞的化學(xué)變化，而這些亞細(xì)胞和分子水平的變化一般早于細(xì)胞形態(tài)學(xué)方面的變化和肌體癥狀的出現(xiàn)。能夠反映這種變化的技術(shù)在原理上都可以作為一種疾病的早期診斷工具，因此可以感知這種變化的生物傳感器在癌變?cè)缙谠\斷中有應(yīng)用前景。納米技術(shù)和生物技術(shù)是21世紀(jì)的兩大領(lǐng)先技術(shù)，在這兩者之間存在著許多技術(shù)交叉，其中，納米生物傳感技術(shù)已然引起了研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。 生物傳感器是一類(lèi)特殊形式的傳感器，由固定化的生物敏感材料作為識(shí)別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器及信號(hào)放大裝置構(gòu)成,具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能,從而能夠檢測(cè)多種生命和化學(xué)物質(zhì)。納米技術(shù)主要是針對(duì)尺度為1 nm

11、100 nm之間的分子世界的一門(mén)技術(shù)。該尺寸處在原子、分子為代表的微觀世界和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域，因此有著獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，如表面效應(yīng)、微尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的優(yōu)越性能。納米技術(shù)引入生物傳感器領(lǐng)域后，提高了生物傳感器的靈敏度和其它性能，并促發(fā)了新型的生物傳感器的發(fā)展。但納米生物傳感器還正處于起步階段，目前仍有具有很大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用空間。例如：酶?jìng)鞲衅?酶?jìng)鞲衅魇亲钤绨l(fā)展起來(lái)的生物傳感器。利用酶在生化反應(yīng)種特殊的催化作用，可使糖類(lèi)、醇類(lèi)、有機(jī)酸、氨基酸、激素、三磷酸腺營(yíng)等生物分子，在常溫下迅速被分解或氧化。反應(yīng)過(guò)程中消耗或產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)即可用轉(zhuǎn)

12、換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)記錄下來(lái)。1967年,Updike SJ和Hicks GP把葡萄糖氧化酶固定化膜和氧電極組裝在一起，制成了第一代酶?jìng)鞲衅髅庖邆鞲衅?： 免疫傳感器是由特異抗體與載體結(jié)合而成，其對(duì)特定的抗原分子具有選擇性的識(shí)別能力。利用納米金的特異性強(qiáng)、非特異性吸附作用小、電子密度大等特點(diǎn),可以改善免疫傳感器的靈敏性。：DNA傳感器 DNA傳感器是一種伴隨著基因工程技術(shù)發(fā)展而開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種新型生物傳感器。納米粒子的特殊結(jié)構(gòu),使其具有其他材料無(wú)法比擬的良好的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。再加上它的生物相容性,使其成為DNA生物傳感器的理想材料。將納米顆粒引入DNA傳感器,可提高固載的DNA量,能增強(qiáng)和放大很多電

13、化學(xué)檢測(cè)信號(hào),使DNA的檢測(cè)更加靈敏、可靠。此類(lèi)傳感器可用于檢測(cè)靶DNA,測(cè)定DNA序列、 DNA突變等。【3】4 生物芯片與微加工技術(shù)朝納米尺度發(fā)展一樣，某些種類(lèi)的生物芯片的研究也正在向納米量級(jí)發(fā)展。研究人員發(fā)現(xiàn)一些天然分子的生物自組裝能力完全可以用于制作納米器件。例如用膠原質(zhì)做導(dǎo)線(xiàn)抗體做夾子、DNA 做存儲(chǔ)器、膜蛋白做泵等等。雖然目前尚無(wú)成功的納米芯片出現(xiàn)，人們利用分子的自組裝特性制作了一些結(jié)構(gòu)如直徑為0.5nm 長(zhǎng)30nm 的脂質(zhì)管、直徑0.7nm 的圓形多肽納米管和顯微分子齒輪等。這些利用分子來(lái)設(shè)計(jì)和裝配類(lèi)似儀器零件的研究為納米芯片的開(kāi)發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)生物芯片技術(shù)。另外一個(gè)重要并具有

14、應(yīng)用價(jià)值的發(fā)展方向是為新藥的開(kāi)發(fā)提供高通量乃至超高通量篩選的技術(shù)平臺(tái) 17,19在生物芯片的下列領(lǐng)域納米技術(shù)也充滿(mǎn)希望(1) 進(jìn)一步減小測(cè)試尺度增加檢測(cè)容量在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中允許研究更多基因(2) 提高其靈敏度(3) 探索這類(lèi)系統(tǒng)在臨床甚至作為體內(nèi)實(shí)時(shí)傳感器等方面的應(yīng)用【4】5 納米生物醫(yī)藥學(xué)從原理上來(lái)講藥物顆粒的尺寸可由微米減小至納米甚至更小尺寸。由于納米粒子和生命細(xì)胞的尺寸相近將有利于藥物溶解于體內(nèi)環(huán)境增加其穩(wěn)定性發(fā)揮藥效。納米靶向藥物制劑 ： 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，納米材料最引人注目的是作為靶向藥物載體，用于定向給藥，使藥物按照一定速率釋放于特定器官（器官靶向）、組織（組織靶向）和特定細(xì)胞（細(xì)胞靶向）

15、。這種具有識(shí)別腫瘤和殺死腫瘤雙重功能的藥物又稱(chēng)為生物導(dǎo)彈。納米生物導(dǎo)彈直接用于治療各種細(xì)胞水平的疾病，對(duì)病變組織和細(xì)胞有特異性殺傷作用。納米藥物載體作為抗腫瘤藥物的輸送系統(tǒng)，將藥物或基因輸送到腫瘤細(xì)胞和器官已達(dá)到直接的治療效果。 目前，納米藥物載體按材料的形態(tài)可分為納米脂質(zhì)體、固體脂質(zhì)納米粒、納米囊和納米球、聚合物膠束以及納米混懸劑等，而按照粒子的特性和生物性能則可分為免疫納米粒、磁性納米粒、磷脂納米粒以及光敏納米粒等。國(guó)內(nèi)外藥物研究領(lǐng)域?qū)Υ艘延写罅康难芯浚Y(jié)果表明，藥物的毒副作用在降低的同時(shí)，其生物利用度也得到有效的提高，對(duì)載體進(jìn)行設(shè)計(jì)和修飾后，還可起到緩慢釋放而延長(zhǎng)藥效的作用。納米中藥 ：

16、中藥作為中華民族的傳統(tǒng)瑰寶，隨著世界對(duì)天然藥物需求的不斷增加，傳統(tǒng)中藥產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為優(yōu)勢(shì)突出、最具潛力的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)領(lǐng)域，發(fā)展前景十分廣闊。我國(guó)擁有豐富的藥用動(dòng)物、植物、礦物資源和歷史悠久的中醫(yī)藥經(jīng)驗(yàn)。中藥醫(yī)學(xué)本應(yīng)在科技高度發(fā)展的今天得到發(fā)揚(yáng)光大，但目前卻遇到了發(fā)展瓶頸，毒性問(wèn)題就是其中的一個(gè)阻礙。將納米技術(shù)引人中藥研究的思路可能可以解決存在的問(wèn)題，“納米中藥”這一概念也應(yīng)運(yùn)而生。納米中藥是直接提取中藥的有效成分然后用納米藥物載體包裹，或?qū)⒂行Р课恢苯蛹{米化。而起到降低中藥毒性的作用。同時(shí)，應(yīng)用脂質(zhì)體、納米顆粒、膠體溶液、納米乳等技術(shù)將中藥（主要是有效成分、有效部位或提取物）運(yùn)送到人體的病患部位，可

17、以降低某些中藥的副作用，增強(qiáng)藥物靶向性，提高治療效果。另外，納米生物技術(shù)還可以利用菌類(lèi)生產(chǎn)所需的生物制品?！?】6 清除模擬生物武器污染利用堿土金屬氧化物和其它化合物形成的納米粒子可以在室溫下殺滅模擬碳疽病的空氣傳播從而用于清除模擬生物武器污染利用納米粒子的小尺寸效應(yīng)大的比表面積以及表面性質(zhì)Koper 小組2527合成了具有大表面積和表面化學(xué)吸附特性增強(qiáng)的的系列無(wú)機(jī)氧化物及部分包覆物超細(xì)粉末(直徑為20nm 以下) 對(duì)比了它們對(duì)化學(xué)毒物神經(jīng)類(lèi)毒氣等酸性氣體的吸附能力由圖4 中可見(jiàn)采用氣凝膠法制備的納米粒子(AP-CaO Fe2O3 P-CaO)吸附特性明顯優(yōu)常規(guī)方法制備的樣品(CP-CaO F

18、e2O3CP-CaO) 少量(5% 10%)包覆Fe2O3(Fe2O3 AP-CaO, Fe2O3 CP-CaO )使CaO 對(duì)SO2 的吸附作用明顯增強(qiáng)從而得到了更加有效后續(xù)處理更加簡(jiǎn)便的高活性吸附膏劑雖然其原理不盡清楚但目前認(rèn)為這些納米級(jí)粉末和(固化形成)多孔小球的表面化學(xué)特性似乎與特征納米晶不同的多面體外形有關(guān)它在軍用環(huán)境修復(fù)等方面都頗具應(yīng)用前景?！?】（三）個(gè)人看法：對(duì)于以上納米技術(shù)的生物應(yīng)用中本人最感興趣的就是關(guān)于生物芯片方面的技術(shù)，納米材料獨(dú)有的體積小可容信息量大的特點(diǎn)我覺(jué)得可用于生物芯片研究方面。記得以前看過(guò)一個(gè)電影-超級(jí)學(xué)校霸王，其中未來(lái)有一種生物芯片可以之間植入人腦，使每個(gè)人可以輕松掌握我們現(xiàn)在學(xué)幾十年才能掌握的東西，甚至