納米技術(shù)在生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

《納米科學(xué)技術(shù)概論》公選課程考查論文學(xué)院：信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)：數(shù)字媒體技術(shù)姓名：吳俊學(xué)號：201313050101選課序號：加課序號：2014年12月1日納米技術(shù)在生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用納米技術(shù)與生物化學(xué)、分子生物學(xué)整合將對21世紀的生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)生深刻的影響。它將利用生物大分子進行物質(zhì)的組裝、分析與檢測技術(shù)的優(yōu)化、并將藥物靶向性與基因治療等研究引入微型、微觀領(lǐng)域，用納米生物技術(shù)檢測是否患有癌癥只用幾個細胞。

關(guān)鍵詞

納米技術(shù)；納米生物學(xué)；DNA納米技術(shù)

20世紀80年代才開始研究的納米技術(shù)在90年代獲得了突破性進展。最近美《業(yè)周刊》列出了21世紀可能取得重大突破的三個領(lǐng)域：一是生命科學(xué)和生物技術(shù)；二是從外星球獲取能源；三是納米技術(shù)。所謂納米技術(shù)(Nanotechnology)是指在小于100

nm的量度范圍內(nèi)對物質(zhì)和結(jié)構(gòu)進行制造的技術(shù)，其實就是一種用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。納米技術(shù)在新世紀將推動信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、自動化技術(shù)及能源科學(xué)的發(fā)展，將極大的影響人類的生活，衣、食、住、行、醫(yī)療等方面。本文將圍繞納米技術(shù)給21世紀的生物醫(yī)學(xué)可能帶來影響作一概述。

1

納米生物學(xué)的研究對象

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

nm～100

nm范圍的微小結(jié)構(gòu)。1納米等于10-9m，即1m的十分物；③磷脂本身是細胞膜成分，因此納米脂質(zhì)體注入體內(nèi)無毒，生物利用度高，不引起免疫反應(yīng)；④保護所載藥物，防止體液對藥物的稀釋，及被體內(nèi)酶的分解破壞。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。對脂質(zhì)體表面進行修飾，譬如將對特定細胞具有選擇性或親和性的各種配體組裝于脂質(zhì)體表面，以達到尋靶目的。以肝臟為例，納米粒子—藥物復(fù)合物可通過被動和主動兩種方式達到靶向作用：當(dāng)該復(fù)合物被Kupffer細胞捕捉吞噬，使藥物在肝臟內(nèi)聚集，然后再逐步降解釋放入血液循環(huán)，使肝臟藥物濃度增加，對其它臟器的副作用減少，此為被動靶向作用；當(dāng)納米粒子尺寸足夠小約100～150

nm且表面覆以特殊包被后，便可以逃過Kupffer細胞的吞噬，靠其連接的單克隆抗體等物質(zhì)定位于肝實質(zhì)細胞發(fā)揮作用，此為主動靶向作用。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體后可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織。

納米粒作為輸送多肽與蛋白質(zhì)類藥物的載體是令人鼓舞的，這不僅是因為納米粒可改進多肽類藥物的藥代動力學(xué)參數(shù)，而且在一定程度上可以有效地促進肽類藥物穿透生物屏障。納米粒給藥系統(tǒng)作為多肽與蛋白質(zhì)類藥物發(fā)展的工具有著十分廣泛的應(yīng)用前景。

2.4

DNA納米技術(shù)和基因治療

DNA納米技術(shù)(DNA

nanotechnology)是指以DNA的理化特性為原理設(shè)計的米技術(shù)，主要應(yīng)用于分子的組裝。DNA復(fù)制過程中所體現(xiàn)的堿基的單純性、互補法則的恒定性和專一性、遺傳信息的多樣性以及構(gòu)象上的特殊性和拓撲靶向性，都是納米技術(shù)所需要的設(shè)計原理?，F(xiàn)在利用生物大分子已經(jīng)可以實現(xiàn)納米顆粒的自組裝。將一段單鏈的DNA片斷連接在13

nm直徑的納米金顆粒A表面，再把序列互補的另一種單鏈DNA片斷連接在納米金顆粒B表面，將A和B混合，在DNA雜交條件下，A和B將自動連接在一起。利用DNA雙鏈的互補特性，可以實現(xiàn)納米顆粒的自組裝。利用生物大分子進行自組裝，有一個顯著的優(yōu)點：可以提供高度特異性結(jié)合，這在構(gòu)造復(fù)雜體系的自組裝方面是必需的。

美國波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程所Bukanov等研制的PD環(huán)(PDloop)(在雙鏈線性DNA中復(fù)合嵌入一段寡義核苷酸序列)比PCR擴增技術(shù)具有更大的優(yōu)越性；其引物無須保存于原封不動的生物活性狀態(tài)，其產(chǎn)物具有高度序列特異性，不像PCR產(chǎn)物那樣可能發(fā)生錯配現(xiàn)象。PD環(huán)的誕生為線性DNA寡義核苷酸雜交技術(shù)開辟了一條嶄新的道路，使從復(fù)雜DNA混合物中選擇分離出特殊DNA片段成為可能，并可能應(yīng)用于DNA納米技術(shù)中。

基因治療是治療學(xué)的巨大進步，質(zhì)粒DNA插入目的細胞后，可修復(fù)遺傳錯誤或可產(chǎn)生治療因子(如多肽、蛋白質(zhì)、抗原等)。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50～200

nm大小且?guī)县撾姾?，有助于其對細胞核的有效入侵；而最后質(zhì)粒DNA插入細胞核DNA的準(zhǔn)確位點則取決于納米粒子的大小和結(jié)構(gòu)。此時的納米粒子是DNA本身所組成，但有關(guān)它的物理化學(xué)特性尚有待進一步研究。

2.5

納米細胞分離技術(shù)

20世紀80年代初，人們開始利用納米微粒進行細胞分離，建立了用納米SiO2微粒實現(xiàn)細胞分離的新技術(shù)。其基本原理和過程是：先制備SiO2納米微粒，尺寸大小控制在15～20

nm,結(jié)構(gòu)一般為非晶態(tài)，再將其表面包覆單分子層。包覆層的選擇主要依據(jù)所要分離的細胞種類而定，一般選擇與所要分離細胞有親和作用的物質(zhì)作為附著層。這種SiO2納米粒子包覆后所形成復(fù)合體的尺寸約30

nm。第二步是制取含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液，適當(dāng)控制膠體溶液濃度。第三步是將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，再通過離心技術(shù)，利用密度梯度原理，使所需要的細胞很快分離出來。此方法的優(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。

3

發(fā)展趨勢

跨入21世紀后的未來二三十年，數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)研究的進展將擴大納米技術(shù)的應(yīng)用范圍，使納米技術(shù)與物醫(yī)學(xué)的聯(lián)系更加緊密，其發(fā)展趨勢是：①生體相容性好的鈦合金等物質(zhì)將逐步開發(fā)，并進入臨床試驗階段；②納米技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合，將有助于揭示生物大分子各級結(jié)構(gòu)與功能的破譯；③納米生物技術(shù)將使藥物的生產(chǎn)實現(xiàn)低成本、高效率、自動化、大規(guī)模，而藥物的作用將實現(xiàn)器官靶向化；④納米生物技術(shù)應(yīng)用于分子之間的相互作用、分子復(fù)合物和分子組裝的研究將在病毒結(jié)構(gòu)、細胞器結(jié)構(gòu)細節(jié)和自身裝配機制上取得進展；⑤納米生物技術(shù)將使生物活性分子診斷、檢測技術(shù)向微型、微觀、微量、微創(chuàng)或無創(chuàng)、快速、實時、遙距、動態(tài)、功能性和智能化的方向發(fā)展。

有人預(yù)測，二三十年后，醫(yī)生使用納米技術(shù)只需檢測幾個細胞就能判斷出病人是否患上癌癥或判斷胎兒是否有遺傳缺陷。婦女懷孕8個星期左右，在血液中開始出現(xiàn)非常少量的胎兒細胞，用納米微粒很容易將這些胎兒細胞分離出來進行診斷。在人工器官外面涂上納米粒子可預(yù)防移植后的排異反應(yīng)。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。參考文獻［1］唐孝威，胡鈞.測量和控制生物大分子［J］.世界科技研究與發(fā)展,2000，22(4):16.［2］許孫曲，徐小妹編譯.用新型二氧化硅增強的磁性納米粒子作分子生物學(xué)研究的工具