第三講納米材料

第三講納米材料主講：孫俊芬1前言納米材料的性質(zhì)納米材料的研制納米材料的應(yīng)用2從宏觀世界到微觀世界3

一、概述

納米（nanometer），是一個長度單位，單位符號為nm。1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m.

納米材料分為兩個層次，即納米超微粒子與納米固體材料。納米超微粒子，指的是粒子尺寸為1～100nm的超微粒子；納米固體材料，指的是由納米超微粒子制成的固體材料。納米材料和技術(shù)，主要研究納米超微粒子的制備、結(jié)構(gòu)和特性；同時也研究納米固體材料和納米組裝材料。

高分子材料的納米化4

二、納米材料的性能特點

1.表面效應(yīng)表面效應(yīng)是指納米超微粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性能的變化。

5球形顆粒的比表面積（表面積／體積）與直徑成反比。對直徑大于0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計，當尺寸小于

0.1微米時，其表面原子百分數(shù)激劇增長。超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬超微顆粒會迅速氧化而燃燒。利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和儲氣材料以及低熔點材料。以原子堆積顆粒，其堆積所用之原子總數(shù)與其表面原子所占比例之關(guān)系。6

2.小尺寸效應(yīng)

當超微顆粒尺寸不斷減小，在一定條件下會引起材料宏觀物理(光學、熱學、磁學、力學)

、化學性質(zhì)上的變化，稱為小尺寸效應(yīng)。

（1）特殊的光學性質(zhì)

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。金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個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)闊崮堋㈦娔?。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。7（2）特殊的熱學性質(zhì)：

金的常規(guī)熔點為1064℃，2納米尺寸時的熔點僅為327℃左右﹔銀的常規(guī)熔點為670℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃。

8（3）特殊的磁學性質(zhì)：

生物在地磁場導航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。

（4）特殊的力學性制：

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為納米材料具有大的界面，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構(gòu)成的。

93.量子尺寸效應(yīng)

量子尺寸效應(yīng)是指當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能由準連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象。即納米半導體微粒存在不連續(xù)的被占據(jù)的最高分子軌道的能級，并且存在未被占據(jù)的最低的分子軌道能級，同時能系變寬。

例如，在制造半導體積體電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，一般電路的極限尺寸大概在250nm。

半導體材料能帶結(jié)構(gòu)與其幾何尺寸關(guān)系:納米點也稱量子點或島，也叫納米粒，系指由l－100nm的金屬或半導體粒子。10三、納米材料的研制納米材料因奇異特性，引起科學界廣泛的注意，主要是因為納米材料不論是在基礎(chǔ)物理的了解，或是實際的應(yīng)用上，都是甚為吸引人的。在這些原子尺寸的材料中，會產(chǎn)生許多有趣的物理現(xiàn)象，其中大部分都尚待研究和了解。以下探討三種納米材料：納米孔洞材料納米光電材料燃料電池111.納米孔洞材料用分子自我組合的原理，

以界面活性劑或高分子作為孔洞模版試劑，與無機化合物可自我組合成，各種納米尺度周期性排列的復合材料；再進一步處理成含周期性孔洞的多孔材料，若再摻入導電分子與量子點，組合出周期性排列的超晶格量子點。另外，孔洞內(nèi)也可回填入半導體或超導體物制，以制備量子點與量子線。這些孔洞材料在光學、燃料電池、以及催化反應(yīng)的應(yīng)用，都是二十一世紀的高科技工業(yè)與能源科技的研發(fā)重點。

122.納米光電材料隨著科技發(fā)展，微型化技術(shù)日益重要，在過去的高科技工業(yè)中，利用光刻技術(shù)，創(chuàng)造了微米電子時代。最近的發(fā)展，更將光刻技術(shù)推展至0.1微米的波長限制。

在微米電子時代，由于線路尺寸在100nm以上，材料的量子效應(yīng)并不明顯。但當進入納米范圍以后，材料的量子特性逐漸浮現(xiàn)，尺寸大小不同的相同材料，卻有著不同的物理特性與化學特性。例如原來是良好導體的金屬，當尺寸減少到幾nm時，卻變成了非金屬；而原來是典型的絕緣共價化合物，當尺寸減少到幾十

nm時，就因電阻率降低而失去絕緣效果。13

除電子特性外，其它納米材料特性，包括表面與界面特性，磁性和光學特性等，均與宏觀材料有極大的差別。因此，在納米范疇中，材料合成與尺寸大小的控制，顯得非常重要。特別當材料尺寸縮小至10nm范疇時，精細的合成技巧，變成控制物質(zhì)特性的重要手段?；瘜W結(jié)構(gòu)與物理特性間的關(guān)系，是一個嶄新的研究領(lǐng)域，而化學界在材料合成上有著重要的責任。

143.燃料電池燃料電池具有高效率，潔凈，噪音低等優(yōu)點。尤其我國很多地方陽光充足，但石油來源卻仰賴國外進口，因此發(fā)展替代能源技術(shù)與系統(tǒng)，對我國而言實屬相當重要的課題。目前商業(yè)化的太陽能電池，均使用無機半導體為材料，相對地，若能開發(fā)高效率有機太陽能電池，它將具有制程簡便、重量輕盈、大面積化、可撓曲性等優(yōu)點。然而，以有機分子或?qū)щ娦愿叻肿訛椴牧系奶柲茈姵兀l(fā)電效率一般偏低，未達實際應(yīng)用效益。因此，開發(fā)新型有機/無機聚合物材料，遂成為太陽能電池領(lǐng)域里，熱門且重要的研究課題。

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從分子的微觀角度來看，目前的醫(yī)療技術(shù)尚無法達到分子修復的水平。而納米醫(yī)學則是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結(jié)構(gòu)來防病治病，改善人類的整個生命系統(tǒng)。例如：修復畸變的基因、扼殺剛剛萌芽的癌細胞、捕捉侵入人體的細菌和病毒，并在它們致病前就消滅它們；探測機體內(nèi)化學或生物化學成分的變化，適時地釋放藥物和人體所需的微量物質(zhì)，及時改善人的健康狀況。最終實現(xiàn)納米醫(yī)學，使人類擁有持續(xù)的健康。

四.納米材料的應(yīng)用16一、在診斷方面的應(yīng)用

1、遺傳病診斷

納米技術(shù)有助診斷胎兒是否有遺傳缺陷。婦女懷孕8個星期時，血液中開始出現(xiàn)少量胎兒細胞。利用具有納米級大小孔洞的半透膜或特殊的合成納米管等，可把胎兒細胞分離出來進行診斷。不需要進行羊水穿刺。目前美國已將此項技術(shù)應(yīng)用于臨床診斷中。2、病理學診斷

腫瘤診斷最可靠的手段是建立在組織細胞水平上的病理學方法，但存在著良惡性及細胞來源判斷不準確的問題。利用原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope，AFM)可以在納米水平上揭示腫瘤細胞的形態(tài)特點。通過尋找特異性的異常納米級結(jié)構(gòu)改變，以解決腫瘤診斷的難題。17目前，已有多種原子力顯微鏡問世，AFM克服了STM只適用于具導電性樣品的不足之處。1819二、在治療方面的應(yīng)用1、納米化增加藥物吸收度

增大藥物的表面積促進溶解。藥物大分子就能穿透組織間隙，也可以通過人體最小的毛細血管。而且分布面極廣。應(yīng)用于中藥制劑。藥物的物理活性、靶向性比普通中藥大大提高。2、納米醫(yī)用材料目前廣泛使用的人工心臟瓣膜，是由鈦金屬與不銹鋼合金所構(gòu)成，但在移植入人體后仍有損壞的可能性。結(jié)晶納米氧化鋯是一種具有高度抗生物損耗的替代材料。銀在納米狀態(tài)下的殺菌能力產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。只需用極少量的納米銀即可產(chǎn)生強力的殺菌作用。納米骨材料具有納米級別的天然骨分級結(jié)構(gòu)和天然骨的多孔結(jié)構(gòu)把它植入體內(nèi)填充各類型的骨缺損，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可生長出很多新生的骨細胞，所有填的納米骨材料，最后會降解消失，骨缺損部能完全被新生骨取代。2021智能藥物

這是納米醫(yī)學中的一個非?；钴S的領(lǐng)域，適時準確地釋放藥物是它的基本功能之一。863計劃項目“心血管病與糖尿病多指標微流控芯片檢測系統(tǒng)的研制”，為糖尿病人研制超小型的、模仿健康人體內(nèi)的葡萄糖檢測系統(tǒng)，它能夠被植入皮下，監(jiān)測血糖水平，在必要的時候釋放出胰島素，使病人體內(nèi)的血糖和胰島素含量總是處于正常狀態(tài)。研究控制這個芯片的尺寸，可以把它做得更小，并計劃裝上一個“智能化”的傳感器，使它可以適時和適量地釋放藥物。美國正在設(shè)計一種納米"智能炸彈"，它可以識別出癌細胞的化學特征。這種"智能炸彈"很小，僅有20納米左右，能夠進入并摧毀單個的癌細胞。21人工紅血球

納米醫(yī)學不僅具有消除體內(nèi)壞因素的功能，而且還有增強人體功能的能力。我們知道，腦細胞缺氧6至10分鐘即出現(xiàn)壞死，內(nèi)臟器官缺氧后也會呈現(xiàn)衰竭。設(shè)想一種裝備超小型納米泵的人造紅血球，攜氧量是天然紅血球的200倍以上。當人的心臟因意外，突然停止跳動的時候，醫(yī)生可以馬上將大量的人造紅血球注入人體，隨即提供生命賴以生存的氧，以維持整個機體的正常生理活動。它可以應(yīng)用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運動需要的額外耗氧等。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，氣體分子與轉(zhuǎn)子上的結(jié)合位點結(jié)合再釋放到血漿中。2223納米藥物輸運

納米微粒藥物輸送技術(shù)也是重要發(fā)展方向之一。目前，有半數(shù)以上的新藥存在溶解和吸收的問題。863計劃項目“納米藥物制劑的生物效應(yīng)研究”，當藥物顆粒縮小時，藥物與胃腸道液體的有效接觸面積將增加，藥物的溶解速率隨藥物顆粒尺度的縮小而提高。利用納米晶體技術(shù)將藥物顆粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米粒子，提高溶解性和難溶性藥物的藥效率。同時，納米藥物制劑的賦形劑在胃腸道中起表面活性劑的作用，也提高了納米藥物顆粒的溶解率。一旦，不溶性藥物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米顆粒，就適合于口服或者注射了。23捕獲病毒的納米陷阱

密西根大學的DonaldTomalia等已經(jīng)用樹形聚合物發(fā)展了能夠捕獲病毒的納米陷阱。體外實驗表明納米陷阱能夠在流感病毒感染細胞之前就捕獲它們，同樣的方法期望用于捕獲類似愛滋病病毒等更復雜的病毒。此納米陷阱使用的是超小分子，此分子能夠在病毒進入細胞致病前即與病毒結(jié)合，使病毒喪失致病的能力。通俗地講，人體細胞表面裝備著含硅鋁酸成分的"鎖"，只準許持"鑰匙"者進入。不幸的是，病毒竟然有硅鋁酸受體"鑰匙"。Tomalia的方法是把能夠與病毒結(jié)合的硅鋁酸位點覆蓋在陷阱細胞表面。當病毒結(jié)合到陷阱細胞表面，就無法再感染人體細胞了。陷阱細胞由外殼、內(nèi)腔和核三部分組成。內(nèi)腔可充填藥物分子；將來有可能裝上化療藥物，直接送到腫瘤上。研究者希望發(fā)展針對各種致病病毒的特殊陷阱細胞和用于醫(yī)療的陷阱細胞庫。

24識別血液異常的生物芯片

美國圣地亞國家實驗室發(fā)現(xiàn)納米技術(shù)可以在血流中進行巡航探測，即時地發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細菌類型的外來入侵者，并予以殲滅，從而消除傳染性疾病。MichealWisz做了一個雛形裝置，發(fā)揮芯片實驗室的功能，它可以沿血流流動并跟蹤像鐮狀細胞血癥和感染了愛滋病的細胞。血液細胞被導入一個發(fā)射激光的腔體表面，從而改變激光的形成。癌細胞會產(chǎn)生一種明亮的閃光；而健康細胞只發(fā)射一種標準波長的光，以此鑒別癌變。/show/D3M2FEDFcEkjvz9f.html

25納米技術(shù)在生物大分子研究中的應(yīng)用

1.納米級生物分子的觀測以往對于納米尺度上的生物大分子結(jié)構(gòu)的研究主要通過電子顯微鏡觀察和X射線晶體衍射等方法來實現(xiàn)的，但這些方法都有局限之處。電子顯微鏡要求有一定的真空干燥制樣條件，而且在觀測中電子束對生物樣品有損傷；X射線晶體衍射方法具有很高的分辨率，但它要求樣品能夠結(jié)晶，且樣品需求量較大。納米技術(shù)與掃描探針顯微鏡(SPMs)相結(jié)合，能觀察、制造原子水平物質(zhì)結(jié)構(gòu)，直接在亞細胞水平或分子水平研究生命現(xiàn)象。常用的有掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM），是目前探測生物單分子的有力工具，所提供的圖象可在近自然的大氣或液體條件下，在納米水平的分辨率上展示生物分子的結(jié)構(gòu)，同時具有高度的直觀性以及三維表面信息。2627STM的基本原理是量子的隧道效應(yīng)，它利用金屬針尖在樣品的表面上進行掃描，通過探測固體表面原子的隧道電流來分辨固體表面的形貌。它的缺點是觀測的樣品必須有導電性。AFM的工作原理是通過探針針尖與樣品表面輕輕接觸，針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，使懸臂產(chǎn)生微小偏轉(zhuǎn)。通過檢測這種微小偏轉(zhuǎn)可以獲得其對應(yīng)于掃描各點的位置變化，從而得到樣品表面形貌。AFM能測量非導電的樣品，還能測出分子間的作用力的大小。2.DNA合成過程、基因調(diào)控過程的STM研究3.質(zhì)粒DNA及其與限制性內(nèi)切酶相互作用的研究4.對染色體的AFM研究5.對生物分子之間及分子內(nèi)部的力的測量6.生物大分子動態(tài)過程的研究

28297.生物大分子的直接操縱和改性DNA分子是全部遺傳信息的攜帶者，因而DNA分子操縱成為生命科學、物理學等多學科的共同熱點。DNA操縱包括：（1）DNA鏈的原子力切割。利用原子力顯微鏡AFM在幾年前已經(jīng)實現(xiàn)了DNA分子鏈的原子力切割，可不受DNA序列的限制，在任何部位進行納米級的精確切割。（2）DNA分子鏈的拉直操縱。其實現(xiàn)方法很多，主要有以下三種：①靜電場法。在一定強度的電場下，可拉直小片段的DNA。②激光鑷子法。在DNA的兩端點粘上微小的顆粒，可通過激光鑷子將其展開。③分子梳法。通過受壓的液體流動產(chǎn)生的流體力可將DNA鏈進行拉直操縱，與雙色熒光標記法結(jié)合成為基因研究中的有力工具。29納米生物技術(shù)的工程應(yīng)用1.生物芯片技術(shù)

生物芯片是基因生物學與納米技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它不同于半導體芯片，它是在很小的幾何尺度的表面積上，裝配一種或集成多種生物活性分子，僅用微量生理或生物采樣，即可同時檢測和研究不同的生物細胞、生物分子和DNA的特性，以及它們之間的相互作用，獲得生命微觀活動的規(guī)律。生物芯片可以粗略地分為細胞芯片、蛋白質(zhì)芯片（生物分子芯片）和基因芯片（DNA芯片）等幾類，都有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點，已經(jīng)成為21世紀生物醫(yī)學工程的前沿科技。細胞芯片：利用芯片表面微單元的幾何尺寸和表面改性，選擇和固定細胞及細胞面密度控制。通過調(diào)節(jié)細胞間距等，研究細胞分泌和胞間通訊。此類細胞芯片還可以用作細胞分類和純化等。30蛋白質(zhì)芯片（生物分子芯片）將生物分子作為配基，以單一、或面陣、或序列方式固定在固體芯片表面或表面微單元上。利用生物分子間的特異結(jié)合的自然屬性，待測分子與配基分子在芯片表面會形成生物分子復合物。然后，檢測此復合物的存在與否，達到對蛋白質(zhì)的探測、識別和純化的目的。多元蛋白質(zhì)芯片模型1）在格式化的改性表面上，固定配基；

2）含配基的芯片與蛋白溶液相互作用，蛋白特異性結(jié)合形成蛋白復合物；

3）對芯片進行檢測以確定蛋白間的相互作用。3132DNA芯片又稱為寡核苷酸陣列或雜交陣列分析，它是根據(jù)DNA雙螺旋原理而發(fā)展的核酸鏈間分子雜交的技術(shù)。實際上，DNA芯片是一種特殊的分子操縱，即將DNA子片段集約固化在固體表面上以構(gòu)成DNA芯片，是一種儲存和處理生命信息的新概念。它的基本結(jié)構(gòu)類似于面陣型蛋白質(zhì)芯片，在芯片表面能夠制備成千上萬的基因單元作為配體，對待測基因進行篩選。待測基因通過PCR擴增技術(shù)得到數(shù)量放大，再進行熒光標記，使其在篩選過程中產(chǎn)生可識別的熒光發(fā)射或光譜轉(zhuǎn)移。此熒光信號被熒光顯微鏡檢出，達到基因識別的目的。將已知的DNA和未知的核酸序列之間的一方以有序的陣列固定到載玻片或硅片上，再與熒光標記的另一方進行雜交。當熒光標記的一方在DNA芯片上發(fā)現(xiàn)互補序列時即發(fā)生雜交，雜交的結(jié)果以熒光和模式識別分析來檢測。DNA芯片技術(shù)可以快速分析大量的基因信息，從而使生物醫(yī)學工作者可以研究并收集基因表達和變異信息。研究蛋白相互作用的芯片ProteinG、p50和FRB等三種蛋白分別以點狀陣列固定到玻片上。三種探針分別與三種蛋白發(fā)生特異性相互作用。D表示無任何探針的狀態(tài)。32DNA芯片還可用于監(jiān)測不同的人體細胞和組織基因表達，以檢測癌癥或其它疾病所對應(yīng)的基因的變化。隨著DNA芯片及雜交技術(shù)的發(fā)展，DNA芯片將有可能直接應(yīng)用于臨床診斷，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。

基因表達的微陣列圖：以兩種顏色的熒光標記來自于兩種細胞的樣品，雜交后，對微陣列的每一位點進行熒光掃描。每一位點的光強度正比于它所結(jié)合的熒光cDNA的量。光強越強，樣品中該基因的表達水平越高。如微陣列的位點無熒光，說明兩種細胞均不表達該基因。如某一位點顯示一種熒光，說明該標記的基因只在此細胞樣品中表達。同一位點顯示兩種熒光，說明該基因在兩種細胞樣品中均表達。33所謂分子馬達即分子機械，是由生物大分子構(gòu)成并利用化學能進行機械做功的納米系統(tǒng)。分子馬達包括線性推進和旋轉(zhuǎn)式兩大類。其中線性分子馬達是將化學能轉(zhuǎn)化為機械能，并沿著一條線性軌道運動的生物分子，主要包括肌球蛋白、驅(qū)動蛋白、DNA解旋酶和RNA聚合酶等。肌肉肌球蛋白和驅(qū)動蛋白的運動周期模型2.分子馬達美國波士頓大學的化學家制備出世界上最小的馬達，該分子馬達由78個原子構(gòu)成34旋轉(zhuǎn)式分子馬達工作時，類似于定子和轉(zhuǎn)子之間的旋轉(zhuǎn)運動，比較典型的旋轉(zhuǎn)式分子馬達有F1-ATP酶。F1-ATP酶與納米機電系統(tǒng)的組合已成為新型納米機械裝置，可完成在血管內(nèi)定向輸送藥物、清除血栓、進行心臟手術(shù)等復雜工作。了解分子馬達的運動機制，可以用來探索能夠?qū)Ψ肿玉R達的運動有促進或抑制作用的一些小分子作為藥物設(shè)計的新思路。例如紫杉醇就是由于對微管蛋白分子馬達的運動有干擾，而成為抗癌藥物的明星。/show/0TFz4SGU2WXo2pzF.html

35美國康耐爾大學的科學家利用ATP酶作為分子馬達，研制出了一種可以進入人體細胞的納米機電設(shè)備——“納米直升機”。該設(shè)備共包括三個組件，兩個金屬推進器和一個附屬于與金屬推進器相連的金屬桿的生物分子組件。其中的生物分子組件將人體的生物“燃料”ATP轉(zhuǎn)化為機械能，使得金屬推進器的運轉(zhuǎn)速率達到每秒8圈。將來有可能完成在人體細胞內(nèi)發(fā)放藥物等醫(yī)療任務(wù)。36利用某些納米材料的光致發(fā)光現(xiàn)象制作發(fā)光材料。例如，利用納米非晶氮化硅塊體在紫外光到可見光范圍的光致發(fā)光現(xiàn)象，來制作發(fā)光材料。

載激光束（藍色）的納米傳感器探針穿過活細胞，以檢測該細胞是否曾置于致癌物質(zhì)下

373.納米機器人納米技術(shù)與分子生物學的結(jié)合將開創(chuàng)分子仿生學新領(lǐng)域?！凹{米機器人”是根據(jù)分子水平的生物學原理為設(shè)計原型，設(shè)計制造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結(jié)合體，如酶和納米齒輪的結(jié)合體。這種納米機器人可注入人體血管內(nèi)，進行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，吞噬病毒，殺死癌細胞；還可進行人體器官的修復工作、作整容手術(shù)、從基因中除去有害的ＤＮＡ，把正常的ＤＮＡ安裝在基因中，使機體正常運行。第二代納米機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。第三代納米機器人是包含納米計算機，可以進行人機對話的裝置。一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?8Molecular-scalemachinescouldonedayhavemedicalapplicationssuchasremovingcancerouscells.Nature

451,770-771(14February2008)|

利用氨基酸為原料，按照分子設(shè)計組成線狀肽鏈，合成所需的蛋白質(zhì)“零件”。由于線狀肽鏈能在一定的條件下自動轉(zhuǎn)變成特定的三維結(jié)構(gòu)，所以便于制備成具有特定功能的生物零件。進一步利用肌細胞的纖維結(jié)構(gòu)骨架和纖毛結(jié)構(gòu)（運動部件），還可以制備有支撐、牽引和杠桿功能的零件并以酶為核心統(tǒng)一成具有特定功能的結(jié)構(gòu)，即形成生物機器。這些納米機器人以光感應(yīng)器作為開關(guān)，從溶解在血液中的葡萄糖和氧氣獲得能量。39模擬酶機器人：酶是生物催化劑，生命過程的每一個化學反應(yīng)都有一個相應(yīng)的酶進行催化，所以生命現(xiàn)象就是成千上萬個在功能上有相互協(xié)調(diào)關(guān)系的酶分子井然有序地表現(xiàn)催化功能的結(jié)果。生物體內(nèi)的酶所催化的反應(yīng)幾乎涵蓋了自然界所有的化學反應(yīng)類型。因此，模擬酶分子制造納米機器人用于凈化環(huán)境和對工業(yè)化學反應(yīng)進行催化是一個巨大的潛在生長力?！吧飳棥睓C器人：生物導彈模仿膜囊泡轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)的功能，它把不能分辨好壞細胞的抗癌藥物包裹在脂微囊中，并在微囊表面植入一種專門與癌細胞結(jié)合的標記分子。如此設(shè)計的生物導彈，就是在血液中或細胞間隙游走的納米機器人，以便專門清除血管壁上沉積物，減少心血管疾病的發(fā)病率；它一旦遇到癌細胞就會抓住不放并鉆入細胞中釋放抗癌藥物殺死癌細胞。4041在血管中運動的納米機器人，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。納米機器人消滅癌細胞虛擬圖41模仿線粒體機器人：模仿線粒體制造的納米機器人將可能為醫(yī)學的發(fā)展作出重要貢獻，因為人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)線粒體與衰老、運動疲勞以及很多與衰老相伴而生的疾病如糖尿病、帕金森氏并等有很重要的關(guān)系?；蛐迯蜋C器人：分子病理學的研究將揭示疑難病的分子基礎(chǔ)，很多疑難病都是和某種酶分子的缺陷或酶分子的活性不能順利表現(xiàn)有關(guān)。應(yīng)用納米技術(shù)可以在微小空間重新排列基因遺傳密碼，利用基因芯片迅速查出人的基因密碼中的錯誤，并迅速利用納米技術(shù)將錯誤基因進行修正，治療遺傳缺陷疾病。另外，納米技術(shù)還可以通過觀測直接發(fā)現(xiàn)遺傳缺陷或病毒中原子或分子結(jié)構(gòu)的缺陷，并通過分子手術(shù)將有缺陷的部分切割去除，然后再將好的原子和分子結(jié)構(gòu)移植上去，這樣可以從根本上治愈遺傳缺陷或病毒。4243生物計算機：生物計算機是納米生物學的一個重要研究領(lǐng)域，其主要研究目標是尋找或創(chuàng)造一些特定的生物分子，并期待這些生物分子能夠更加快速地完成計算機的基本運算和存儲功能，代替目前的半導體計算機中央處理器（CPU）和存儲器。研究表明，以蛋白質(zhì)分子為材料制造的生物計算機，不僅體積小，質(zhì)量輕，能耗小，環(huán)境適應(yīng)性強，而且運算速度和信息儲存能力比現(xiàn)有的計算機要高出數(shù)億倍。同時還具有和人腦一樣非常優(yōu)越的分析、判斷、聯(lián)想、記憶等智能。DNA計算機將利用DNA分子這些獨特的遺傳信息傳遞方式來實現(xiàn)計算機的計算功能。DNA分子中遺傳密碼相當于存儲的數(shù)據(jù)，DNA分子之間可以在某種酶的作用下瞬間完成生化反應(yīng)，從一種基因代碼變?yōu)榱硪环N基因代碼。如果將反應(yīng)前的基因代碼作為系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，而將反應(yīng)后的基因代碼作為運算結(jié)果的話，那么只要控制得當就可以利用這種反應(yīng)過程制成DNA計算機?；诜肿臃磻?yīng)的DNA計算機運算速度極快，科學家認為，它幾天的運算量就可相當于計算機問世以來世界上所有計算機的總計算量。另外，由于每個DNA分子都含有大量的基因，因此DNA分子的存儲容量將是十分巨大的，如1m3的DNA溶液可存儲1萬億億比特的數(shù)據(jù)，這將超過目前所有計算機存儲器容量的總和。不僅如此，DNA計算機所消耗的能量卻小的出奇，只有普通半導體計算機的10億分之一。納米機器人應(yīng)用前景動脈粥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。腎結(jié)石、膽結(jié)石的治療

將納米機器人以插入導管的方式引入到尿道或膽道里內(nèi),直接到達結(jié)石所在的部位,并且直接把結(jié)石擊碎。檢查體內(nèi)疾病

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。納米機器人在清理血管中的有害堆積物4445納米機器人進入人體消化系統(tǒng)工作示意圖目前還只能鉆進人的肚子里通過傳輸圖像“瞧病”，還不能治病。機器人醫(yī)生在未來三年內(nèi)：當機器人醫(yī)生發(fā)現(xiàn)可疑病變組織后，立即能伸出“手”來取樣進行活檢

45納米技術(shù)在基因轉(zhuǎn)運與基因工程中的應(yīng)用

1.納米技術(shù)在基因?qū)胫委熤械膽?yīng)用基因治療是生物治療的重要組成部分,是當前生物醫(yī)學的研究熱點。但其面臨的嚴峻挑戰(zhàn)之一是基因治療的載體系統(tǒng)。目前,用于基因治療的基因轉(zhuǎn)移載體有:反義核酸、質(zhì)粒DNA、重組病毒載體等,但各有載體互有利弊。反義核酸、質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)移效率低,易被核酸酶降解,而病毒載體則有安全性和免疫原性等方面的劣勢。因此,發(fā)展新型的安全、高效的基因治療載體系統(tǒng)顯得非常關(guān)鍵。納米基因載體一般由具生物兼容性、可生物降解的納米生物材料制備,基本無毒性,無免疫原性,體內(nèi)可以代謝降解,生物安全性好。46核苷酸保護作用：裸DNA、寡核苷酸在體內(nèi)可被核酸酶迅速降解。納米脂質(zhì)體和納米粒可以通過表面電荷吸附作用或通過包裹負載核酸分子，提高核酸分子對核酸酶的抵抗性。如聚氰基丙烯酸烷基酯陽離子納米粒負載的反義寡核苷酸在細胞培養(yǎng)基中具有抗核酸酶的作用,阻止了寡核酸的降解,靜脈給藥體內(nèi)的穩(wěn)定性顯著提高。提高細胞攝取率：細胞主要是通過胞吞作用將負載外源基因的載體主動攝入細胞內(nèi)。大量實驗研究表明細胞對載體的攝取效率有明顯的尺寸依賴性。納米級的基因治療載體顯著提高了細胞的攝取,目的基因的表達水平。載體通過胞吞進入細胞內(nèi)后,如何實現(xiàn)溶酶體的逃避,以及細胞核內(nèi)的定位亦是提高基因治療效率的關(guān)鍵問題。一些納米材料制備的載體,如加入聚賴氨酸的脂質(zhì)體、聚乳酸-聚乙醇酸共聚物（PLGA）納米粒等在內(nèi)吞溶酶體內(nèi)酸性的環(huán)境中,可以干擾溶酶體膜的完整性,逃避核酸酶降解,以利于進入胞核表達負載的基因。47緩釋、控釋性基因傳遞：載體在體內(nèi)的循環(huán)時間受載體粒徑大小影響。傳統(tǒng)的載體經(jīng)靜脈注射后,大部分被機體網(wǎng)狀內(nèi)皮細胞系統(tǒng)(RES)迅速攝取,限制其靶向其他部位。納米粒在體內(nèi)的循環(huán)時間可明顯延長。如納米脂質(zhì)體的表面修飾親水性材料,如聚乙二醇(PEG),能在載體表面形成水化層,降低調(diào)理素作用,減少肝臟巨噬細胞的吞噬,使其兼有長循環(huán)和立體穩(wěn)定的特性。納米粒載體由可降解的高分子材料合成,不同的納米材料有不同的降解速率。組織細胞攝取了納米粒后,通過高分子材料的逐漸降解,釋放出所負載的核酸分子。根據(jù)所選用的材料在體內(nèi)的水解速度不同,可實現(xiàn)所負載核酸分子的可控、緩慢釋放,如PLGA納米粒載體可通過逐漸水解使目的基因緩慢釋放達一月之久。靶向性修飾：加強基因治療的靶向性,是目前基因治療面臨的挑戰(zhàn)之一。靶向性基因轉(zhuǎn)移載體可有效提高了基因傳遞的特異性,降低治療副作用。納米基因載體靶向性可分為主動靶向性和被動靶向性。由于納米基因載體在腫瘤、炎性病變部位組織毛細血管通透性明顯高于正常的毛細血管,可選擇性地在病變部位滲漏,實現(xiàn)被動靶向基因傳遞,但這種靶向治療的特異性不強。納米基因載體的比表面積大,并且可在其表面偶聯(lián)靶細胞的配體或抗體,實現(xiàn)基因治療的主動靶向性。主動靶向載體大大提高了基因傳遞的特異性,并加強了靶細胞對目的基因的攝取。48表面修飾/video/2009-03/25/content_11067821.htm

492.納米粒作為基因轉(zhuǎn)移載體在基因治療中的應(yīng)用雖隨著人類基因組學的研究進展，基因治療將成為疾病治療的重要手段?；蛑委熡腥齻€重要的環(huán)節(jié)，一是找到出毛病的基因（即所謂靶基因）；二是獲得用于取代靶基因的正?；颍此^目標基因）；三是要有適當?shù)姆椒ɑ蚴侄螌⒄；蜉斔偷桨胁课?，實現(xiàn)基因的治療。無論基因治療是糾正基因缺陷，還是產(chǎn)生治療效應(yīng)的蛋白質(zhì)的基因，直接或間接殺傷靶器官中的腫瘤細胞，均需要將DNA分子有效地輸送至靶細胞中，這種基因的輸送通常需要載體來完成。基因治療的載體分為非病毒載體和病毒載體。50病毒載體包括逆轉(zhuǎn)錄病毒、腺病毒、腺相關(guān)病毒等。逆轉(zhuǎn)錄病毒只在分裂增殖細胞中整合入細胞染色體，因此對肝癌細胞有相對靶向性，但其表達效率較低，且有引起插入突變的可能。腺病毒載體則不整合入宿主染色體基因組，相對安全；靜脈注射時因肝臟有豐富的腺病毒受體而大量聚集于肝臟組織；轉(zhuǎn)染后產(chǎn)生滴度遠高于逆轉(zhuǎn)錄病毒載體。但因腺病毒載體對分裂及靜息期的細胞均有感染性，同樣也達不到肝癌組織靶向性轉(zhuǎn)導的目的。非病毒載體主要包括脂質(zhì)體、裸DNA及陽離子多聚物型載體。納米顆粒基因載體是一種無毒、高效、能穩(wěn)定轉(zhuǎn)染的非病毒載體，將DNA、RNA等基因治療分子包裹在納米顆粒之中或吸附在其表面，同時也在顆粒表面耦聯(lián)特異性的靶向分子，如特異性配體、單克隆抗體等，通過靶向分子與細胞表面特異性受體結(jié)合，在細胞攝取作用下進入細胞內(nèi)，實現(xiàn)安全有效的靶向性基因治療。5152通過納米粒-DNA復合物表面攜帶的陽離子與細胞膜上帶負電荷的糖蛋白及磷脂相互作用引發(fā)細胞胞吞作用而進入胞質(zhì)。細胞表面負電荷的數(shù)量與納米粒-DNA復合物的大小決定基因轉(zhuǎn)運、受體介導的內(nèi)吞、胞飲和噬菌作用，而DNA從溶酶體有效釋放入胞漿是增強轉(zhuǎn)染活性所必須的。納米粒載體介導的基因入胞機制52納米轉(zhuǎn)運體在基因治療中的應(yīng)用納米顆粒具有一些顯著的優(yōu)點：穩(wěn)定、無毒性；能包裹、濃縮、保護基因，使其免遭核酸酶的降解；比表面積大，具有生物親和性，易于在其表面耦聯(lián)特異性的靶向分子，實現(xiàn)基因治療的特異性；在循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)時間較普通顆粒明顯延長，一定時間內(nèi)不會象普通顆粒那樣迅速地被吞噬細胞清除；允許基因緩慢釋放，有效地延長作用時間，并維持有效的產(chǎn)物濃度，提高轉(zhuǎn)染效率和轉(zhuǎn)染產(chǎn)物的生物利用度；代謝產(chǎn)物少，副作用小，無免疫排斥反應(yīng)等。反義寡核苷酸可特異性阻斷基因表達，用于腫瘤和免疫疾病等的反義治療，但其本身卻不穩(wěn)定，容易被體內(nèi)細胞中的核酸酶消化。近年來采用納米粒包囊并介導反義寡核苷酸入胞而發(fā)揮治療作用的研究已相當廣泛。如PLGA納米粒-DNA復合物、聚氰基丙烯酸正丁酯納米顆粒（PBCA-NP）、多聚賴氨酸-硅納米粒、氨基化二氧化硅納米顆粒作為基因載體。53原子力顯微鏡觀察

PBCA-NP納米顆粒呈圓球形，表面平滑完整，分散良好，無粘附團聚現(xiàn)象54運載多肽和蛋白類的納米藥物控釋系統(tǒng)隨著分子生物學及其技術(shù)的發(fā)展，多肽類藥物顯示出優(yōu)于傳統(tǒng)藥物的治療效果，但也具有其特有的缺點：口服時易被胃腸道內(nèi)的蛋白水解酶降解；生物半衰期極短，所以需要重復給藥；多數(shù)多肽類藥物不易通過生物屏障。上述缺點限制了它們的臨床應(yīng)用，而納米藥物控釋系統(tǒng)可以較好地克服這些缺點，它能保護藥物分子，使多肽類和蛋白質(zhì)類藥物的口服給藥有效，并且能促進藥物的吸收利用，產(chǎn)生明顯的生物學效果。例如用界面聚合法能得到更加穩(wěn)定、均一的含胰島素的聚氰基丙烯酸異己酯(PACA)的納米膠囊，對糖尿病模型大鼠和糖尿病模型狗口服PACA胰島素1次可維持1～3周的降血糖效果。55DNA納米技術(shù)是指以DNA的理化特性為原理設(shè)計的納米技術(shù)，主要應(yīng)用于分子的組裝。利用DNA雙鏈的互補特性，可以實現(xiàn)納米顆粒的自組裝，并提供高度特異性結(jié)合。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)粒DNA濃縮至50～200nm大小且?guī)县撾姾?，有助于其對細胞核的有效入侵；質(zhì)粒DNA插入目的細胞后，可修復遺傳錯誤或可產(chǎn)生治療因子(如多肽、蛋白質(zhì)、抗原等)；而質(zhì)粒DNA插入細胞核DNA的準確位點則取決于納米粒子的大小和結(jié)構(gòu)。3.DNA納米技術(shù)和基因治療

564.納米技術(shù)在克隆技術(shù)中的應(yīng)用克隆技術(shù)主要包括供體母細胞和受體細胞的選擇（轉(zhuǎn)基因動物的克隆，包括外源基因的選擇和重組）、供體細胞核的分離和時期的選擇、受體細胞的去核、核卵融合、胚胎的形成和種植、胚胎在母體動物內(nèi)的發(fā)育、克隆動物的生產(chǎn)等?？梢岳弥踩氲郊毎蚣毎酥械牡鞍踪|(zhì)或DNA納米機器對核移植的整個過程進行實時監(jiān)控，為研究動物克隆提供大量可靠的實驗數(shù)據(jù)。這也必將是納米技術(shù)在克隆技術(shù)中的應(yīng)用之一。5.在基因工程中的應(yīng)用——多肽疫苗及其佐劑

多肽疫苗具有安全性好、容易獲得、純度高等優(yōu)點，但所存在的缺點也不可回避。試圖使用佐劑來解決這些問題，但人用佐劑的載體效應(yīng)難以避免。用納米材料制作疫苗佐劑，以增強其免疫原性和抗原性，結(jié)束目前疫苗佐劑使用的多序狀態(tài)和特異性不強等局面，推動應(yīng)用免疫學的發(fā)展，從而推動整個生物學的發(fā)展。57納米技術(shù)在其他方面的應(yīng)用

1.細胞分離20世紀80年代初，人們建立了用納米SiO2微粒實現(xiàn)細胞分離的新技術(shù)。優(yōu)點是：①易形成密度梯度；②易實現(xiàn)納米SiO2粒子與細胞的分離。這是因為納米SiO2微粒是屬于無機玻璃的范疇，性能穩(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應(yīng)，既不會沾污生物細胞，也容易把它們分開。采用納米微粒很容易將血液樣品中的極少量的胎兒細胞分離出來，并能準確地判斷出胎兒細胞是否有遺傳缺陷。利用納米微粒（如50nm的Fe3O4微粒）進行細胞分離技術(shù)很可能在腫瘤患者早期的血液中檢查出癌細胞，從而實現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。利用納米微粒檢查血液中的心肌蛋白，以幫助治療心臟病。/player.php/sid/5487847/v.swf582.細胞內(nèi)部染色細胞內(nèi)部染色對用光學顯微鏡和電子顯微鏡研究細胞內(nèi)各種組織是十分重要的一項技術(shù)。未加染色體的細胞襯度很底，目前有幾種染色技術(shù)，如熒光抗體法、鐵蛋白抗體法和過氧化物酶染色法等，目的是提高用光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察細胞組織的襯度。隨著細胞學研究的發(fā)展，要求進一步提高觀察細胞內(nèi)組織的分辨率，這就需要尋找新的染色方法。納米微粒的出現(xiàn)，為建立新的染色技術(shù)提供了新的途徑。59QuantumDots(QDs)量子點（半導體納米晶體）量子點是以CdSe為核、CdS或ZnS為殼的核-殼型納米體。應(yīng)用范圍廣多種顏色抗光致漂白性安全熒光時間長用于追蹤神經(jīng)細胞膜中的氨基乙酸受體的活動性及擴散性NATURE，VOL432，200460可用于非同位素標記的生物分子的超靈敏檢測，如在QD表面連接上巰基乙酸（HS-CH2COOH)，從而使量子點既具有水溶性，還能與生物分子（如蛋白質(zhì)、多肽、核酸等）結(jié)合，通過光致發(fā)光檢測出QD，從而使生物分子識別一些特定的物質(zhì)。與蛋白質(zhì)偶聯(lián)，形成生物傳感器，測定生物體內(nèi)物質(zhì)的特性。61用疏水的改良聚丙烯酸包被量子點,使之與免疫球蛋白G和鏈霉親和素相結(jié)合,使其能準確的結(jié)合并標記在細胞表面蛋白、細胞支架蛋白和細胞核內(nèi)的蛋白質(zhì)上，利用其抗漂白的性能，通常對于定量檢測熒光分子及生物活細胞的模擬具有很大的價值。62生物芯片技術(shù)：量子點色彩的多樣性滿足了對生物高分子（蛋白質(zhì)、DNA）所蘊含海量信息進行分析的要求。將聚合物和量子點結(jié)合形成聚合物微珠，微珠可以攜帶不同尺寸（顏色）的量子點，被照射后開始發(fā)光，經(jīng)棱鏡折射后傳出，形成幾種指定密度譜線（條形碼），這種條形碼在基因芯片和蛋白質(zhì)芯片技術(shù)中有光明的應(yīng)用前景。63Quantumdotsmodifiedwithantibodiestohumanprostatespecificmembraneantigenlightupmurinetumorsthatdevelopedfromhumanprostatecells.NatureBiotechnology,Vol22,2004用量子點檢測腫瘤細胞總的來說，由于量子點技術(shù)有其獨特的標記特點，它必將成為今后生物分子檢測的尖端技術(shù)，為DNA檢測(DNA芯片)、蛋白質(zhì)檢測(蛋白質(zhì)芯片)和探索蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)之間(抗原－抗體、配體－受體、酶－底物)反應(yīng)原理提供更先進的方法。同時也將極大的推動生物顯像技術(shù)和生物制藥技術(shù)的迅猛發(fā)展，給疾病的診斷和治療帶來巨大進步。643.磁性納米粒子的應(yīng)用將超順磁多糖納米粒子與納米尺寸的SiO2相互作用，提高了顆?；w的強度，增加了納米磁性顆粒在分子生物學中的應(yīng)用研究：DNA自動提純、蛋白質(zhì)檢測、分離和提純、生物物料中逆轉(zhuǎn)錄病毒檢測、內(nèi)毒素清除和磁性細胞分離等。此外，還可以將磁性納米粒子表面涂覆高分子材料后與蛋白質(zhì)結(jié)合，作為藥物載體注入到人體內(nèi)，在外加磁場作用下，通過納米磁性粒子的磁性