第六章納米生物材料1

6.1納米材料的概述納米技術(shù)簡介納米技術(shù)在世界各國的情況納米技術(shù)在當(dāng)代中國的發(fā)展當(dāng)前1頁，總共35頁。6.1.1納米及納米技術(shù)1納米（Nanometre，nm）=1毫微米，即十億分之一米（10-9米），相當(dāng)于4個原子的直徑或細(xì)胞內(nèi)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的半徑。所謂納米技術(shù)，是指在0.1-100納米的尺度里，研究電子、原子和分子運(yùn)動規(guī)律和特性以及對物質(zhì)和材料進(jìn)行處理的技術(shù)被稱為納米技術(shù)。納米生物醫(yī)用材料是指用于對生物醫(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。納米尺度的生物大分子能導(dǎo)電、納米微粒的抗菌作用等只有在納米級時才可顯現(xiàn)出來。當(dāng)前2頁，總共35頁。6.1.2國外納米技術(shù)進(jìn)展朗訊公司和牛津大學(xué):納米鑷子碳納米管“秤”，稱量一個病毒的重量稱量單個原子重量的“納米秤”當(dāng)前3頁，總共35頁。6.1.3國外納米技術(shù)進(jìn)展1990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[IBM]納米存貯器及DNA開關(guān)當(dāng)前4頁，總共35頁。6.1.4納米技術(shù)在當(dāng)代中國的發(fā)展1993年，中科院操縱原子寫字《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》當(dāng)前5頁，總共35頁。6.1.5納米材料的基本效應(yīng)界面效應(yīng)尺寸效應(yīng)量子效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)

當(dāng)前6頁，總共35頁。四大特點(diǎn):尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子比例大。四個方面應(yīng)用:(1).納米電子學(xué):擁有嶄新功能的電子儀器，有高速度及低能量消耗的優(yōu)點(diǎn);(2).納米材料科學(xué)(3).納米生物學(xué):包括去氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的基因圖譜(4).納米醫(yī)學(xué):發(fā)明、設(shè)計及生產(chǎn)納米級的新藥物。6.1.6特點(diǎn)及應(yīng)用當(dāng)前7頁，總共35頁。6.2納米材料在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用納米載體納米生物器件納米生物組織工程納米醫(yī)藥納米聚酯當(dāng)前8頁，總共35頁。納米載體

納米藥物載體納米基因載體當(dāng)前9頁，總共35頁。納米藥物載體

簡介：在醫(yī)藥領(lǐng)域，納米級粒子使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，納米級粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后，可主動搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。 例：德國一家醫(yī)院的研究人員將一些極其細(xì)小的氧化鐵納米顆粒，注入患者的腫瘤里，然后將患者置于可變的磁場中，使患者腫瘤里的氧化鐵納米顆粒升溫到45～47度，這個溫度足以燒毀腫瘤細(xì)胞，而周圍健康組織不會受到傷害。當(dāng)前10頁，總共35頁。理想的納米藥物載體應(yīng)具備以下性質(zhì)：

a.具有較高的載藥量；b.具有較高的包封率；c.有適宜的制備及提純方法；d.載體材料可生物降解，毒性較低或沒有毒性；e.具有適當(dāng)?shù)牧脚c粒形；f.具有較長的體內(nèi)循環(huán)時間。

當(dāng)前11頁，總共35頁。當(dāng)前12頁，總共35頁。納米藥物載體分類

1普通載藥納米微粒

這種劑型的出現(xiàn)背景是基于將一些藥物通過藥劑學(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，用液體載體的流動形式給藥，從而避免了所提到的缺點(diǎn)。當(dāng)前13頁，總共35頁。2控釋載藥納米微粒納米控釋系統(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(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。當(dāng)前14頁，總共35頁。3靶向定位載藥納米微粒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)的三級靶向治療，從而達(dá)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(jī)體各種組織或病變部位親和力不同的載體制作載藥微粒或?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。當(dāng)前15頁，總共35頁。4載藥磁性納米微粒（物理靶向）

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(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(dǎo)航，使藥物移向病變部位，達(dá)到定向治療的目的。國內(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，為靶向治療腫瘤奠定了結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)前16頁，總共35頁。（一）納米藥

靶向給藥：口服給藥要受到兩種首過效應(yīng)的影響，即胃腸道上皮細(xì)胞中酶系的降解、代謝及肝中各酶系的生物代謝。許多藥物很大一部分因首過效應(yīng)而代謝失效。注射途徑的非靶向藥物可均勻分布在全身循環(huán)中，在到達(dá)病灶之前，要經(jīng)過同蛋白結(jié)合、排泄、代謝、分解等步驟，只有少量藥物才能達(dá)到病灶。靶向給藥目的就是提高靶區(qū)的藥物濃度，從而提高藥物的利用率和療效，并降低藥物的副作用。納米藥物載體有效的解決了上述問題。納米藥物載體的應(yīng)用：當(dāng)前17頁，總共35頁。優(yōu)勢：難溶性藥物的溶解與比表面積有關(guān)，粒子小，比表面積大，溶解性能就好，利用率高，療效也好。納米粒在尺度上下降3個數(shù)量級，它的表面積就提高6個數(shù)量級，6個數(shù)量級就是一百萬倍，也就是說其療效就會提高一百萬倍。2001年，世界上首項將納米技術(shù)應(yīng)用于中草藥加工領(lǐng)域的納米中藥微膠囊生產(chǎn)技術(shù)，在西安國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)誕生并通過了產(chǎn)品技術(shù)鑒定。當(dāng)前18頁，總共35頁。（二）納米磁性顆粒腫瘤比正常組織更容易被加熱，當(dāng)加熱到43℃時，癌細(xì)胞被殺死而正常細(xì)胞則不會受到損害。因而高溫是一種副作用小而治療效果好的方法。當(dāng)在腫瘤周圍植人鐵磁性材料并加上交替磁場后，就可通過磁滯的損失達(dá)到加熱腫瘤的目的。順磁性的納米鐵氧體顆粒在外加磁場的作用下溫度上升到45℃，可達(dá)到殺死腫瘤的目的。當(dāng)前19頁，總共35頁。納米基因載體

1.納米微粒的基因治療作用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。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(xì)胞。將質(zhì)子DNA濃縮至50—200nm大小且?guī)县?fù)電荷，有助于其對細(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(dǎo)入細(xì)胞的載體。當(dāng)前20頁，總共35頁。納米生物器件

一、納米機(jī)器人)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。動脈粥樣硬化的治療機(jī)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。

當(dāng)前21頁，總共35頁。在血管中運(yùn)動的納米機(jī)器人，它正在使用納米切割機(jī)和真空吸塵器來清除血管中的沉積物當(dāng)前22頁，總共35頁。納米機(jī)器人在清理血管中的有害堆積物---中國科學(xué)院合肥研究院

的研究中國科學(xué)院沈陽自動化所研制研制的納米微操作機(jī)器人在10×10微米的基片上刻出的字樣當(dāng)前23頁，總共35頁。腎結(jié)石、膽結(jié)石的治療將納米機(jī)器人以插入導(dǎo)管的方式引入到尿道或膽道里內(nèi),直接到達(dá)結(jié)石所在的部位,并且直接把結(jié)石擊碎。當(dāng)前24頁，總共35頁。2.納米生物傳感器檢查體內(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(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

當(dāng)前25頁，總共35頁。納米生物芯片基因芯片蛋白質(zhì)芯片當(dāng)前26頁，總共35頁?；蛐酒蛐酒?genechip)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(jìn)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(dāng)溶液中帶有熒光標(biāo)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(bǔ)匹配時，通過確定熒光強(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。當(dāng)前27頁，總共35頁。基因芯片的測序原理圖當(dāng)前28頁，總共35頁。生物芯片的應(yīng)用在實(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、國防、航天等許多領(lǐng)域。它將為人類認(rèn)識生命的起源、遺傳、發(fā)育與進(jìn)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(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。當(dāng)前29頁，總共35頁。蛋白質(zhì)芯片蛋白質(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

當(dāng)前30頁，總共35頁。未來發(fā)展方向（1）建立快速、廉價、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)會存在很多實(shí)際問題，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。

(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。

(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。

(4)研究通用的高靈敏度、高分辨率檢測方法，實(shí)現(xiàn)成像與數(shù)據(jù)分析一體化。

當(dāng)前31頁，總共35頁。納米中藥納米中藥是指運(yùn)用納米技術(shù)制造的粒徑小于100nm的中藥有效成分、有效部位。當(dāng)物質(zhì)的顆粒小到1~100nm時，由于其量子效應(yīng)、物質(zhì)的局域性、巨大的表面及界面效應(yīng)，會使物質(zhì)的很多性能發(fā)生質(zhì)變，呈現(xiàn)出許多既不同于宏觀物體，也不同于單個孤立原子的奇異現(xiàn)象。藥物的物理活性、靶向性比普通中藥大大提高。當(dāng)前32頁，總共35頁。特點(diǎn)：

原藥及其復(fù)方制劑。在初步的篩選試驗(yàn)中，對某些礦物藥進(jìn)行納米化處理，再進(jìn)行藥效學(xué)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，藥物經(jīng)納米化處理后出現(xiàn)了某些新的藥效學(xué)特性。因此，納米中藥與微米中藥相比，最大的特點(diǎn)是能改變中藥的藥學(xué)特性，這對于采用高新技術(shù)提升傳統(tǒng)中藥的質(zhì)量和水平以及研制開發(fā)具有新藥效的中藥制劑具有重要的意義。

當(dāng)前33頁，總共35頁。納米中藥面臨的問題但是，到目前為止，納米中藥從理論走向?qū)嶋H，還有許多問題需要進(jìn)一步解決。首先，要考慮中藥納米化的必要性及其適用范圍。其次，要考慮納米中藥制備的可行性問題