(完整word版)納米材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

納米材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 病的檢測與治療因其在科學(xué)研究與臨床應(yīng)用，特別是生物醫(yī)藥方面潛在的重要應(yīng)用前景，納米科技已發(fā)展成為一個(gè)新興的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，吸引了人們更多的研究興趣。一應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中的納米材料的主要類型及其特性納米碳材料、納米高分子材料、納米復(fù)合材料、磁性納米顆粒等。二。工作原理A。 納米碳材料主要包括碳納米管、氣相生長碳纖維也稱為納米碳纖維、類金剛石碳等碳納米管有獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)［1］ ，利用這一結(jié)構(gòu)特性，將藥物儲(chǔ)存在碳納米管中并通過一定的機(jī)制激發(fā)藥物的釋放，使可控藥物變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。此外，碳納米管還可用于復(fù)合材料的增強(qiáng)劑、電子探針（如觀察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的AFM探針等）或顯示針尖和場發(fā)射。納米碳纖維通常是以過渡金屬FeTco.Ni及其合金為催化劑，以低碳繪類化合物為碳源，氫氣為載體，在873K?1473K的溫度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。類金剛石碳（簡稱DLC）是一種具有大量金剛石結(jié)構(gòu)C—C鍵的碳?xì)渚酆衔?，可以通過等離子體或離子束技術(shù)沉積在物體的表面形成納米結(jié)構(gòu)的薄膜，具有優(yōu)秀的生物相溶性,尤其是血液相溶性。資料報(bào)道，與其他材料相比，類金剛石碳表面對纖維蛋白原的吸附程度降低，對白蛋白的吸附增強(qiáng)，血管內(nèi)膜增生減少，因而類金剛石碳薄膜在心血管臨床醫(yī)學(xué)方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。B。 納米高分子材料納米高分子材料，也稱高分子納米微?；蚋叻肿映⒘?，粒徑尺度在1nm?1000NM范圍。這種粒子具有膠體性、穩(wěn)定性和優(yōu)異的吸附性能，可用于藥物、基因傳遞和藥物控釋載體，以及免疫分析、介入性診療等方面.C。 納米復(fù)合材料目前，研究和開發(fā)無機(jī)-無機(jī)、有機(jī)一無機(jī)、有機(jī)-有機(jī)及生物活性-非生物活性的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是獲得性能優(yōu)異的新一代功能復(fù)合材料的新途徑，并逐步向智能化方向發(fā)展，在光、熱、磁、力、聲［2］ 等方面具有奇異的特性，因而在組織修復(fù)和移植等許多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。國外已制備出納米ZrO2增韌的氧化鋁復(fù)合材料，用這種材料制成的人工韻骨和膝蓋植入物的壽命可達(dá)30年之久［3］ 。研究表明，納米輕基磷灰石膠原材料也是一種構(gòu)建組織工程骨較好的支架材料［4］。此外，納米輕基磷灰石粒子制成納米抗癌藥，還可殺死癌細(xì)胞，有效抑制腫瘤生長，而對正常細(xì)胞組織絲毫無損，這一研究成果引起國際的關(guān)注?北京醫(yī)科大學(xué)等權(quán)威機(jī)構(gòu)通過生物學(xué)試驗(yàn)證明，這種粒子可殺死人的肺癌、肝癌、食道癌等多種腫瘤細(xì)胞。此外，在臨床醫(yī)學(xué)中，具有較高應(yīng)用價(jià)值的還有納米陶瓷材料，微乳液等等。D。磁性納米材料鐵氧體納米顆粒一般由三種主要成分構(gòu)成：含鐵的核，聚合物涂層和功能部分。這種具有生物降解功能的顆?？杀辉O(shè)計(jì)制備成具有超順磁性的納米粒子，這更有利于其在生物檢測治療方面的應(yīng)用。另外，通過在其表面連接不同功能基團(tuán)的配體，可在很大程度上擴(kuò)大其檢測診斷的范圍。三?應(yīng)用方向納米粒子用作藥物載體—般來說，血液中紅血球的大小為6000nm~9000nm，一般細(xì)菌的長度為2000nm?3000nm[7],引起人體發(fā)病的病毒尺寸為80nm?100nm,而納米包覆體尺寸約30nm[8],細(xì)胞尺寸更大,因而可利用納米微粒制成特殊藥物載體或新型抗體進(jìn)行局部的定向治療等?專利和文獻(xiàn)資料的統(tǒng)計(jì)分析表明,作為藥物載體的材料主要有金屬納米顆粒、無機(jī)非金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒和生物活 性 納 米 顆 粒。磁性納米顆粒作為藥物載體，在外磁場的引導(dǎo)下集中于病患部位，進(jìn)行定位病變治療，利于提高藥效，減少副作用。如采用金納米顆粒制成金溶液，接上抗原或抗體，就能進(jìn)行免疫學(xué)的間接凝聚實(shí)驗(yàn)，用于快速診斷[9]。生物降解性高分子納米材料作為藥物載體還可以植入到人體的某些特定組織部位，如子宮、陰道、口（頰、舌、齒）、上下呼吸道（鼻、肺）、肛門以及眼、耳等[10].這種給藥方式避免了藥物直接被消化系統(tǒng)和肝臟分解而代謝掉，并防止藥物對全身的作用。如美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片為基礎(chǔ)，能長時(shí)間配選精確劑量藥物的藥物投送系統(tǒng)，并已被批準(zhǔn)用于人體。近年來生物可降解性高分子納米粒子（NPs）在基因治療中的DNA載體以及半衰期較短的大分子藥物如蛋白質(zhì)、多肽、基因等活性物質(zhì)的口服釋放載體方面具有廣闊的應(yīng)用前景。藥物納米載體技術(shù)將給惡性腫瘤、糖尿病和老年癡呆癥的治療帶來變革.納米抗菌藥及創(chuàng)傷敷料Ag+可使細(xì)胞膜上蛋白失去活性從而殺死細(xì)菌，添加納米銀粒子制成的醫(yī)用敷料對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠濃桿菌等臨床常見的40余種外科感染細(xì)菌有較好抑制作用。智能一靶向藥物在超臨界高壓下細(xì)胞會(huì)“變軟”，而納米生化材料微小易滲透，使醫(yī)藥家能改變細(xì)胞基因，因而納米生化材料最有前景的應(yīng)用是基因藥物的開發(fā).德國柏林醫(yī)療中心將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入腫瘤部位，使癌細(xì)胞部位完全被磁場封閉，通電加熱時(shí)溫度達(dá)到47匸慢慢殺死癌細(xì)胞。這種方法已在老鼠身上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中獲得了初步成功［11］。美國密歇根大學(xué)正在研制一種僅20nm的微型智能炸彈,能夠通過識(shí)別癌細(xì)胞化學(xué)特征攻擊癌細(xì)胞，甚至可鉆入單個(gè)細(xì)胞內(nèi)將它炸毀。納米材料用于介入性診療日本科學(xué)家利用納米材料，開發(fā)出一種可測人或動(dòng)物體內(nèi)物質(zhì)的新技術(shù)?科研人員使用的是一種納米級(jí)微粒子，它可以同人或動(dòng)物體內(nèi)的物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生光，研究人員用深入血管的光導(dǎo)纖維來檢測反應(yīng)所產(chǎn)生的光，經(jīng)光譜分析就可以了解是何種物質(zhì)及其特性和狀態(tài)，初步實(shí)驗(yàn)已成功地檢測出放進(jìn)溶液中的神經(jīng)傳達(dá)物質(zhì)乙酰膽堿?利用這一技術(shù)可以辨別身體內(nèi)物質(zhì)的特性，可以用來檢測神經(jīng)傳遞信號(hào)物質(zhì)和測量人體內(nèi)的血糖值及表示身體疲勞程度酸值，并有助于糖尿病的診斷和治療。5納米材料在人體組織方面的應(yīng)用納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，除上面所述內(nèi)容外還有如基因治療、細(xì)胞移 植、人造皮膚和血管以及實(shí)現(xiàn)人工移植動(dòng)物器官的可能。目前，首次提出納米醫(yī)學(xué)的科學(xué)家之一詹姆斯貝克和他的同事已研制出一種樹形分子的多聚物作為DNA導(dǎo)入細(xì)胞的有效載體，在大鼠實(shí)驗(yàn)中已取得初步成效，為基因治療提供了一種更微觀的新思路。納米生物學(xué)的設(shè)想，是在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，研制可編程的分子機(jī)器人，也稱納米機(jī)器人。納米機(jī)器人是納米生物學(xué)中最具有誘惑力的內(nèi)容第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，這種納米機(jī)器人可注入人體血管內(nèi)，進(jìn)行健康檢查和疾病治療（疏通腦血管中的血栓，清除心臟脂肪沉積物，吞噬病菌，殺死癌細(xì)胞，監(jiān)視體內(nèi)的病變等）［12］；還可以用來進(jìn)行人體器官的修復(fù)工作，比如作整容手術(shù)、從基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安裝在基因中，使機(jī)體正常運(yùn)行或使引起癌癥的DNA突變發(fā)生逆轉(zhuǎn)從而延長人的壽命。將由硅晶片制成的存儲(chǔ)器（ROM）微型設(shè)備植入大腦中，與神經(jīng)通路相連，可用以治療帕金森氏癥或其他神經(jīng)性疾病。第二代納米機(jī)器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。第三代納米機(jī)器人將包含有納米計(jì)算機(jī)，是一種可以進(jìn)行人機(jī)對話的裝置。這種納米機(jī)器人一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧?dòng)和生活方式。瑞典正在用多層聚合物和黃金制成醫(yī)用微型機(jī)器人目前實(shí)驗(yàn)已進(jìn)入能讓機(jī)器人撿起和移動(dòng)肉眼看不見的玻璃珠的階段［13］。納米材料所展示出的優(yōu)異性能預(yù)示著它在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，尤其在組織工程支架、人工器官材料、介入性診療器械、控制釋放藥物載體、血液凈化、生物大分子分離等眾多方面具有廣泛的和誘人的應(yīng)用前景.隨著納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，臨床醫(yī)療將變得節(jié)奏更快，效率更高,診斷檢查更準(zhǔn)確，治療更有效。四。具體應(yīng)用1。磁性納米材料在腫瘤檢測中的應(yīng)用磁粒用于腫瘤熱療（磁致熱療）治療癌癥是因?yàn)榇帕Ｔ诖艌龅囊龑?dǎo)下，可靶向病變部位,同時(shí)在交變磁場的作用下，磁滯后效應(yīng)（magnetichysteresiseffects）而產(chǎn)生熱量將富有磁粒的腫瘤部位加熱到43~48°C之間,選擇性殺死癌細(xì)胞同時(shí)又不傷害正常細(xì)胞?該方面有所進(jìn)展的例子是AJordan博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)用糖衣包裹氧化鐵粒子偽裝后,可以成功逃過人體免疫細(xì)胞的攻擊而安然進(jìn)入腫瘤組織內(nèi),加上交換磁場，在維持治療部位45?47C的溫度下，氧化鐵粒子便可殺死腫瘤細(xì)胞，臨近的健康組織卻不受到明顯影響。KoujiTanaka［1］結(jié)合細(xì)胞免疫技術(shù)采用磁性陽離子脂質(zhì)體對小鼠的瘤灶進(jìn)行熱療，能使小鼠75%的瘤塊消退.ManfredJohannsen等［2］把磁流體熱療與放療結(jié)合起來對移植性前列腺癌的哥本哈根Copenhagen老鼠模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在第一個(gè)療程，熱療溫度可達(dá)到42.7C?58°7C兩個(gè)療程后，與對照組比較，抑制腫瘤增生87.5%?89。2%。顏士巖等【8】采用Fe2O3納米磁流體對荷瘤鼠熱療，實(shí)驗(yàn)顯示納米磁流體【9】熱療對肝癌的體積和質(zhì)量有明顯的抑制作用。五.目前面臨的問題與未來展望1。面臨的問題:⑴人體的排斥問題：在納米機(jī)械的研發(fā)過程中，最大的挑戰(zhàn)是人體醫(yī)療系統(tǒng)對納米機(jī)械人的注入引發(fā)的排斥問題，由于納米機(jī)械人是由光滑且無瑕的碳涂層構(gòu)成的鉆石的成分構(gòu)成。其它為達(dá)到特定的目地亦采用許多輕元素包括氧與氮等做為材料.鉆石涂層是材料中最好的選擇。由于涂層光滑無瑕，人體引發(fā)免疫系統(tǒng)的響應(yīng)愈少，就愈不會(huì)招致人體的排斥現(xiàn)象。納米醫(yī)療機(jī)械在早些年前就已進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，但截至目前為止，尚無可用雛型產(chǎn)出。⑵機(jī)械人的操作問題：一旦機(jī)械人注入人體后，他們必須去感應(yīng)體內(nèi)的運(yùn)作目標(biāo)，可能是細(xì)菌、病毒或其它細(xì)胞等，能否制造出具有可以辨識(shí)這些環(huán)境的傳感器成為最大的關(guān)鍵:因?yàn)楸匦杩剂糠胖每商峁λ羞\(yùn)行納米機(jī)械人高準(zhǔn)確度定位的動(dòng)態(tài)導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)于其內(nèi)。這種系統(tǒng)可使醫(yī)生追蹤體內(nèi)納米機(jī)械人的蹤跡，困難度極高。納米機(jī)械人因必需具有分辨不同細(xì)胞的能力，這種功能可以由Chemotactic傳感器的安裝達(dá)到目的。但技術(shù)上受到空前的挑戰(zhàn)。⑶機(jī)械人的能源問題：納米機(jī)械人能源可以藉由體內(nèi)葡萄糖或氧的新陳代謝來解決，亦可靠體外能源供應(yīng).其它體內(nèi)的能源亦或是可行之道。⑷納米機(jī)械人解除問題：當(dāng)納米機(jī)械人在體內(nèi)完成任務(wù)后，必須取出體外。這個(gè)問題可以利用內(nèi)建式程序設(shè)定取出時(shí)間的方式處理，或者使用體外聲波傳送時(shí)間訊息方式處理.當(dāng)納米機(jī)械人完成任務(wù)后,機(jī)械人本身亦可被設(shè)計(jì)成由體內(nèi)排泄系統(tǒng)自行排出或者藉由主動(dòng)清道夫系統(tǒng)移除。2。未來的展望：納米技術(shù)使人類認(rèn)識(shí)自然和改造自然的能力擴(kuò)展到原子和分子領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)檢測方面，納米技術(shù)與傳統(tǒng)的檢測方法相比有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：微型化分析、實(shí)時(shí)多重分析、低樣品量和試劑的消耗、高靈敏度以及分析速度快等。這意味著基于納米粒子的分析甚至有可能超越現(xiàn)在占主導(dǎo)地位的技術(shù)如PCR和酶聯(lián)免疫吸附反應(yīng).結(jié)合納米技術(shù)在分析中出現(xiàn)