12獎(jiǎng)萌芽杯孫莊

[鍵入文字]北京化工大學(xué)第八屆“萌芽杯”參賽作品—A類(lèi)作品名稱(chēng)：納米材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用類(lèi)別（綜述類(lèi)/實(shí)驗(yàn)類(lèi)）：綜述指導(dǎo)教師：鄒海魁負(fù)責(zé)人：孫莊聯(lián)系方式：188102645182012年6月24日?qǐng)F(tuán)隊(duì)成員及指導(dǎo)老師介紹指導(dǎo)老師介紹：姓名鄒?？鶎賹W(xué)院化工學(xué)院職稱(chēng)研究方向團(tuán)隊(duì)成員介紹：姓名孫莊所屬學(xué)院化工學(xué)院專(zhuān)業(yè)化學(xué)工程與工藝班級(jí)化工1103姓名張玉蕾所屬學(xué)院化工學(xué)院專(zhuān)業(yè)化學(xué)工程與工藝班級(jí)化工1103目錄第1章納米材料的特殊性質(zhì) 5第1.1節(jié)特殊的熱學(xué)性能 5第1.2節(jié)特殊的光學(xué)性質(zhì) 5第1.3節(jié)特殊的力學(xué)性質(zhì) 5第1.4節(jié)特殊的磁學(xué)性質(zhì) 6第2章納米材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用 6第2.1節(jié)納米材料用于藥物載體 7第2.2節(jié)納米材料用于疾病診斷 8第3章納米材料的安全性與局限性 9第3.1節(jié)健康方面 9第3.2節(jié)環(huán)境方面 10第3.3節(jié)傳統(tǒng)倫理道德方面 10第3.4節(jié)世界政治與經(jīng)濟(jì)方面 10第4章納米材料的展望 10參考文獻(xiàn) 12納米材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用孫莊，張玉蕾摘要：納米材料作為一種新一代材料有著特殊優(yōu)良的性能,廣泛應(yīng)用在很多的領(lǐng)域,在醫(yī)療方面,納米材料已經(jīng)被運(yùn)用到很多方面,比如和做一藥物載體,用來(lái)做基因診斷等.但納米材料在環(huán)境健康,傳統(tǒng)倫理道德.政治經(jīng)濟(jì)方面有其固有的安全性和局限性,需要對(duì)納米材料進(jìn)行改造而使其發(fā)揮更好的作用.同時(shí)納米材料有更好的發(fā)展前景,更好的了解納米材料的結(jié)構(gòu)和性能可以使納米材料更好的應(yīng)用于其它領(lǐng)域.關(guān)鍵詞：納米醫(yī)學(xué)；納米醫(yī)學(xué)材料；診斷；治療；安全性引言：納米材料作為新一代材料，具有特殊優(yōu)良的性能，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。以納米材料在醫(yī)療方面的應(yīng)用為研究方向，進(jìn)一步了解和認(rèn)識(shí)納米材料的性能與應(yīng)用。正文納米材料的興起可追溯到20世紀(jì)中期。在1959年12月召開(kāi)的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，著名物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主理查德德·費(fèi)曼做了一個(gè)著名的演講“底部還是有很大的空間”（Thereisplentyofroomatthebottom），首次提出可以在分子與原子的尺度上加工和制造產(chǎn)品，甚至能夠按照人們的意愿逐個(gè)的排列原子與分子，即通過(guò)操縱分子和原子來(lái)構(gòu)筑材料，這是人類(lèi)關(guān)于納米科技最早的夢(mèng)想。轉(zhuǎn)眼間半個(gè)世紀(jì)過(guò)去了，納米材料由原來(lái)的構(gòu)想成為了現(xiàn)實(shí)，在各個(gè)方面都有著出乎意料的表現(xiàn)。納米技術(shù)分為三種：第一種是分子納米技術(shù)，是1986年美國(guó)科學(xué)家德雷克斯勒博士在《創(chuàng)造的機(jī)器》一書(shū)中提出的，即組合分子的機(jī)器實(shí)用化，可以任意組合所有種類(lèi)的分子，可以制造出任何種類(lèi)的分子結(jié)構(gòu)，但是分子納米技術(shù)未取得重大進(jìn)展；第二種是極限微加工技術(shù)，即將加工精度設(shè)定為納米級(jí)，從而人工形成納米尺度結(jié)構(gòu)，這種加工技術(shù)可以是得半導(dǎo)體微型化技術(shù)達(dá)到極限；第三種就是生物納米技術(shù)[1]。一、納米材料的特殊性質(zhì)納米結(jié)構(gòu)單元的尺度與電子的德布羅意波長(zhǎng)、超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度以及激子波爾半徑等物理尺寸相當(dāng)，電子被局限在極小的納米空間內(nèi)，平均自由程變短、局域性與相干性增強(qiáng)，宏觀固定的準(zhǔn)連續(xù)能帶消失，能級(jí)分裂轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散能級(jí)，量子尺寸效應(yīng)顯著，使納米體系的光、電、熱、磁等物理性質(zhì)表現(xiàn)出了許多與常規(guī)材料不同的新特性。1特殊的熱學(xué)性能固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的。而對(duì)于納米微粒，由于微粒小，微粒的表面能高，表面原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不全，活性大，因此納米微粒熔化時(shí)所需增加的內(nèi)能小得多，這就使得納米微粒的熔點(diǎn)急劇下降。而由于在納米結(jié)構(gòu)材料中有大量的界面，這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑。因此，與單晶材料相比，納米結(jié)構(gòu)材料具有較高的擴(kuò)散率。這種高的擴(kuò)散率對(duì)于蠕變、超塑性等力學(xué)性能有顯著影響，同時(shí)可以較輕易地在較低溫度下對(duì)材料進(jìn)行有效摻雜，并可以在較低溫度下使原來(lái)不混溶金屬形成新的合金相。此外，納米微粒比塊狀物具有更高的比熱容，可以用于高效光熱轉(zhuǎn)換、低溫?zé)Y(jié)等。2特殊的光學(xué)性質(zhì)由于納米微粒大的比表面導(dǎo)致了平均配位數(shù)下降，不飽和鍵和懸鍵增多，與常規(guī)大塊材料不同，在紅外光場(chǎng)作用下它們對(duì)紅外吸收的頻率存在一個(gè)較寬的分布，這就導(dǎo)致了納米微粒紅外吸收帶的寬化。在實(shí)際應(yīng)用中，可利用納米微粒的光學(xué)性能制成隱身材料，如隱身飛機(jī)涂層；此外利用納米材料藍(lán)移現(xiàn)象制成的紡織品能起到防紫外線(xiàn)、阻隔電磁波的作用，還具有無(wú)毒、無(wú)刺激且不受洗滌、著色和磨損等影響的作用，可以有效保護(hù)人體皮膚不受輻射的危害。3特殊的力學(xué)性質(zhì)晶粒的大小影響傳統(tǒng)金屬多晶材料力學(xué)性能的重要因素，隨晶粒減小，材料的強(qiáng)度和硬度增大，但當(dāng)晶粒小至納米量級(jí)時(shí)材料的力學(xué)性能將有如下的特點(diǎn)：納米材料的彈性模量低于常規(guī)晶體材料的彈性模量；隨著晶粒尺寸的減小，強(qiáng)度降低；在較低溫度下，如室溫附近，脆性的陶瓷或金屬間化合物在納米晶時(shí)，會(huì)具有塑性或超塑性。4特殊的磁學(xué)性質(zhì)人們?cè)谘芯亢ｋ?、海龜?shù)染哂谢貧w本領(lǐng)的生物時(shí)發(fā)現(xiàn)，這些生物中存在一種超微的磁性顆粒，就是這種磁性顆粒使這類(lèi)生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，實(shí)現(xiàn)回歸。磁性超微顆粒實(shí)際上是一個(gè)生物磁羅盤(pán)，納米尺寸范圍內(nèi)磁性顆粒的磁性比宏觀材料的磁性強(qiáng)很多，20nm左右的純鐵粒子矯頑力是大塊固體純鐵矯頑力的1000倍，但當(dāng)粒子大小低于6nm時(shí)，其矯頑力反而降到零，呈現(xiàn)出超順磁性。正是由于納米材料具有以上特性，才使得它具有無(wú)可替代的優(yōu)越性，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域中已經(jīng)或?qū)⒁l(fā)揮重要的作用。本文將對(duì)此做一個(gè)簡(jiǎn)單的描述與總結(jié)[2-3]。二、納米材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用一般來(lái)說(shuō)，血液中紅血球的大小為6000nm～9000nm，一般細(xì)菌的長(zhǎng)度為2000nm～3000nm，引起人體發(fā)病的病毒尺寸為80nm～100nm，細(xì)胞尺寸更大，而納米包覆體尺寸約30nm，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。1納米材料用于藥物載體1.1常見(jiàn)納米藥物載體的分類(lèi)作為藥物載體的材料主要有金屬納米顆粒、無(wú)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。1.2納米藥物載體的具體性質(zhì)納米藥物載體材料具有以下特點(diǎn)：1)具有較高的載藥量；2)具有較高的包封能力；3)有適宜的制備及提純方法；4)載體材料可生物降解，毒性較低或沒(méi)有毒性；5)具有適當(dāng)?shù)牧脚c粒形；6)具有較長(zhǎng)的體內(nèi)循環(huán)時(shí)間。1.3常見(jiàn)的納米載藥材料(1)生物兼容性的殼聚糖/海藻酸復(fù)合納米管通過(guò)層層組裝技術(shù)結(jié)合壓力模板法制備了生物相容性的殼聚糖/海藻酸復(fù)合納米管。殼聚糖和海藻酸被交替吸附在多孔聚碳酸酯模板孔道內(nèi)壁，除去模板之后生成尺寸均一、形態(tài)可控的納米管材料。這類(lèi)材料表現(xiàn)出高的成膜能力，其性質(zhì)非常穩(wěn)定，管壁的厚度可以通過(guò)改變自組裝層數(shù)加以控制。且納米管具有一定的可降解性質(zhì)。另外，納米管可以吸附大量的單鏈DNA分子，DNA分子經(jīng)過(guò)修飾后，納米管又可以選擇性識(shí)別生物大分子。更重要的是，這種納米管可以很容易的被腫瘤細(xì)胞所吞噬，并表現(xiàn)出較低的細(xì)胞毒性。這些性質(zhì)都使這種納米管作為藥物/基因載體具有重要的應(yīng)用價(jià)值。(2)六方孔道的SiO2納米粒子這種多功能的復(fù)合材料具有多孔性的內(nèi)核，可以吸附更多的藥物或生物分子，而且具有熱敏性質(zhì)的聚合物外殼，可以作為SiO2粒子內(nèi)核孔道的熱敏開(kāi)關(guān)控制藥物分子的出入。材料制備如下：將助表面活性劑和表面活性劑溶于去離子水，并用ＮａＯＨ調(diào)節(jié)溶液ｐＨ值；加入硅源物質(zhì)后攪拌陳化處理；過(guò)濾，洗滌，干燥后進(jìn)行熱處理。材料表現(xiàn)出良好的細(xì)胞兼容性，是一種智能的生物納米材料。另外，該材料作為一種藥物載體用于腫瘤細(xì)胞體外的光療實(shí)驗(yàn)(PDT)，在光照條件下材料表現(xiàn)出明顯的細(xì)胞毒性。因而，將這種多孔SiO2納米粒子作為HB的載體，克服了藥物非水溶性，混合磷脂的包裹增加了腫瘤細(xì)胞對(duì)材料的攝取效率。與此同時(shí)，二氧化硅納米復(fù)合載藥材料，具有生物利用度高、毒副作用小、釋放半衰期適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)，不僅可提高藥品的安全性、有效性、可靠性，還可解決其他制劑給藥可能遇到的問(wèn)題，如藥物穩(wěn)定性低或溶解度小、低吸收或生物不穩(wěn)定、藥物半衰期短等問(wèn)題，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，相信它作為一種新型藥物載體具有廣闊的應(yīng)用前景。[楊清](3)納米粒和經(jīng)殼聚糖包衣的胰島素乳酸/羥基乙酸共聚物（PLGA）納米粒在胰島素口服給藥領(lǐng)域的應(yīng)用，小腸能吸收載有胰島素的殼聚糖微球，并有降糖療效。腸溶納米?？捎行У匾种埔葝u素在人工胃液中的釋放，與PLGA納米粒相比可顯著降低血糖濃度。聚氰基異丁酯丙烯酸納米粒可將藥物作用時(shí)間延長(zhǎng)，并且生物利用度更好。利用生物聚合物和非生物聚合物復(fù)配制得的納米粒子可將胰島素包裹在納米粒子的內(nèi)核。大量的研究結(jié)果表明，納米化的胰島素比一般胰島素療效更佳，更易被人體吸收。2納米材料用于疾病診斷2.1納米傳感器納米生物傳感器是利用納米材料實(shí)現(xiàn)了傳感器結(jié)構(gòu)的超微化。納米傳感器具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，極為靈敏，可以對(duì)各種高致命性疫病進(jìn)行早期診斷。自從1990年英國(guó)首先報(bào)道研制成功了一種用于糖尿病人自我檢測(cè)血糖濃度的葡萄糖酶生物傳感器后，在這種傳感器制造中采用了絲網(wǎng)印刷技術(shù)印刷電極和酶層，實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)。除此以外，能快速分析葡萄糖、谷氨酸、乳酸、乳糖、半乳糖等的多功能生物傳感器以及通過(guò)測(cè)定生物肌體內(nèi)ATP變化的新鮮度傳感器也都已得到實(shí)用。2.2納米標(biāo)記物納米材料制成的發(fā)光物具有光譜范圍廣，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。金、銀納米粒子標(biāo)記物在加入了熒光染料后，可以更方便的看到特定受體和蛋白發(fā)生反應(yīng)。由于納米標(biāo)志物在同一光譜下可以發(fā)出多種熒光，所以可以同時(shí)標(biāo)記多個(gè)探針，對(duì)樣品同時(shí)進(jìn)行多種核酸檢測(cè)，大大提高了檢測(cè)的效率。在診斷中可以利用這些傳感器去尋找細(xì)胞產(chǎn)生的畸形蛋白質(zhì)。2.3納米基因芯片納米基因芯片是進(jìn)行分子生物研究和分子診斷的重要工具。利用多數(shù)生物分子所帶的正、負(fù)電荷，用電流集中測(cè)試板上的分子。基因芯片主要包括DNA的電子標(biāo)記、DNA探針、分子雜交等技術(shù)的整合。該技術(shù)主要用于微生物診斷，根據(jù)帶電荷的未知生物分子能與芯片上的已知分子特異性地結(jié)合情況，從而對(duì)其進(jìn)行分析。該技術(shù)有助于檢測(cè)和識(shí)別細(xì)菌霉素，鑒別抗藥性基因突變，對(duì)傳染病的診斷和治療十分有利。2.4基因診斷基因診斷是利用分子雜交及熒光技術(shù)檢測(cè)DNA片段。研究表明，利用納米技術(shù)，如利用金納米微粒結(jié)合雜交DNA片段，很容易進(jìn)入機(jī)體細(xì)胞核，并與核內(nèi)染色體結(jié)合，具有較高的特異性，可以克服目前基因診斷所面臨的一些困難和問(wèn)題，進(jìn)一步提高了基因診斷在實(shí)驗(yàn)室中的地位?？茖W(xué)家通過(guò)超順磁性氧化鐵納米粒脂質(zhì)體對(duì)肝癌的研究，提高了直徑3mm以下腫瘤檢測(cè)率。結(jié)果表明，納米微粒對(duì)腫瘤早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷具有積極意義。2.5量子點(diǎn)技術(shù)量子點(diǎn)是(也稱(chēng)qq點(diǎn))準(zhǔn)零維的納米材料，由少量的原子所構(gòu)成，體積微小，在紫外線(xiàn)照射下有獨(dú)特的光芒，可幫助識(shí)別蛋白質(zhì)、脫氧核糖核酸，以及其他生物分子是如何在細(xì)胞內(nèi)搭上運(yùn)輸工具的。量子點(diǎn)和其他納米材料能清楚地發(fā)現(xiàn)血液和組織取樣中的病變，納米標(biāo)記物在同一較寬的光譜范圍內(nèi)可以發(fā)不同的光。因此可以用發(fā)不同光的納米材料對(duì)檢測(cè)的病原體上的標(biāo)志蛋白質(zhì)和該標(biāo)志性蛋門(mén)質(zhì)的抗體進(jìn)行標(biāo)記，這樣就可以對(duì)樣品中的病原菌以及宿主通過(guò)免疫反應(yīng)產(chǎn)生的抗體量值情況同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)[8]。三、納米材料的安全性與局限性就在納米技術(shù)剛剛向人們顯示其巨大的發(fā)展?jié)摿Φ臅r(shí)候，納米技術(shù)潛在的風(fēng)險(xiǎn)分析也開(kāi)始引起人們的重視。從目前的研究來(lái)看，納米技術(shù)在健康、社會(huì)、環(huán)境、倫理、安全等方面可能會(huì)對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生負(fù)面的影響。3.1健康方面科學(xué)研究證明，納米粒子會(huì)在被實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的呼吸道及肺中累積，并被細(xì)胞吸收，也有可能附在細(xì)菌上進(jìn)入血液循環(huán)。一些納米粒子具有毒性，會(huì)危害實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等，甚至導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)動(dòng)物死亡。因此，若這些納米粒子通過(guò)各種渠道侵入人體，其后果將不堪設(shè)想。3.2環(huán)境方面納米粒子對(duì)環(huán)境的影響也不容忽視。研究表明，一些納米粒子具有很好的水溶性，并具有殺菌作用，而細(xì)菌在許多生態(tài)系統(tǒng)中處于食物鏈的低端，因此納米粒子可能會(huì)破壞生態(tài)系統(tǒng)。研究還表明，一些納米粒子在環(huán)境中難以降解。因此，若納米粒子在環(huán)境中長(zhǎng)期累積和擴(kuò)散，也將會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響。3.3傳統(tǒng)倫理道德方面一方面，如果利用納米技術(shù)能夠改變基因和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，那么人類(lèi)就可以根據(jù)自己的想法和目標(biāo)去生育，這對(duì)人類(lèi)的倫理道德將是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。另一方面，納米技術(shù)使人類(lèi)的永生不再只是一個(gè)神話(huà)，如果納米技術(shù)足夠發(fā)達(dá)，人們可以將年輕時(shí)的個(gè)人信息儲(chǔ)存起來(lái)，然后選擇未來(lái)的某個(gè)年代再將自己“召回”。這種復(fù)制人和永生的設(shè)想將永遠(yuǎn)無(wú)法回避倫理學(xué)上的恐慌。3.4世界政治與經(jīng)濟(jì)方面一方面，納米技術(shù)需要高素質(zhì)的科技人才掌握；另一方面，納米技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)需要投入大量的資金，經(jīng)濟(jì)實(shí)力成為納米技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。許多第三世界國(guó)家既缺乏這方面的人才，也無(wú)力支付這項(xiàng)高額費(fèi)用，這樣有可能使納米技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用成為少數(shù)國(guó)家享有的特殊權(quán)力，加劇了社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)的不平等[9]。四、納米材料的展望通過(guò)對(duì)納米材料安全性的深入研究，有望認(rèn)識(shí)并解決納米科技產(chǎn)品在研發(fā)、生產(chǎn)、流通與使用等諸環(huán)節(jié)中存在的各種安全隱患，消除由于對(duì)納米材料是否安全的無(wú)知而導(dǎo)致的恐慌，切實(shí)