科学史论文
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生物纳米技术
纳米材料研究是目前材料科学研究的个热点，其相应发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。纳米技术在陶瓷、微电子、生物工程、光电、化工、医学等领域都有非常广泛的用途。
纳米生物技术是国际生物技术领域的前沿和热点问题，在医药卫生领域有着广泛的应用和明确的产业化前景，特别是纳米药物载体、纳米生物传感器和成像技术以及微型智能化医疗器械等，将在疾病的诊断、治疗和卫生保健方面发挥重要作用。
目前，国际上纳米生物技术在医药领域的研究已取得一定的进展。美国、日本、德国等国家均已将纳米生物技术作为21世纪的科研优先项目予以重点发展。
中国纳米生物技术的发展与先进国家相比，起步较晚，但，丸五”期间“863计划”启动了国家纳米振兴计划，“十五”期间“863计划”将纳米生物技术列为专题项目予以优先支持发展。
当前纳米生物技术研究领域主要集中在以下几个方向:纳米生物材料、纳米生物器件研究和纳米生物技术在临床诊疗中的应用。
纳米材料对生物医学的影响具有深远的意义，纳米医学的发展进程如何，在很大程度上取决于纳米材料科学的发展。纳米材料分为两个层次:纳米微粒和纳米固体。
如今，人们已经能够直接利用原子、分子进行生产、制备出仅包含几十个到几百万个原子的单个粒径为100nm的纳米微粒，并把它们作为基本构成单元，适当排列成三维的纳米固体。纳米材料由于其结构的特殊性，表现出许多不同于传统材料的物理、化学性能。在医学领域中，纳米材料已经得到成功的应用。最引人注目的是作为药物载体，或制作人体生物医学材料，如人工肾脏、人工关节等。在纳米铁
微粒表面覆一层聚合物后，可以固定蛋白质或酶，以控制生物反应。国外用纳米陶
瓷微粒作载体的病毒诱导物也取得成功。由于纳米微粒比血红细胞还小许多，可以
在血液中自由运行，在疾病的诊断和治疗中发挥独特作用。井卿柳彩产Z乡夕苦龚
序厅洲抓外分决八于华少了夕李在纳米生物材料研究中，目前研究的热点和已有较
好基础及做出实质性成果的是药物纳米载体和纳米颗粒基因转移技术。这种技术是
以纳米颗粒作为药物和基因转移载体，将药物、ONA和RNA等基因治疗分子包裹在
纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时也在颗粒表面祸联特异性的靶向分子，如特异
性配体、单克隆抗体等，通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，在细胞摄取作
用下进入细胞内，实现安全有效的靶向性药物和基因治疗。
目前纳米生物医学和纳米生物技术的研究主要包括如下的领域。
1. 适合生物医学应用的纳米工具和方法: 目前缺乏有选择地修饰、分离、操纵、分析和控制生物大分子单分子、单细胞和单个细胞成分研究的方法,因而制约
了分子生物学向纵深发展。纳米科技的发展有望在这一领域取得突破性进展, 利用
纳米技术目前已能检测单细胞内单基因表达及其表达产物。
纳米量子点相比于传统的荧光分子有几个主要的优点, 首先, 量子点的发光波
长可简单地通过调节其直径而改变; 另外, 量子点的发光波长较窄, 效率较高; 更
为重要的是, 量子点无光漂白效应。这些优点使量子点在活体细胞内研究生物大分子, 如蛋白质的表达、分布和代谢等具有巨大的应用潜力。
2. 满足生物医学需要的纳米材料: 组织工程是发展具有生物活性的人工替代
物来恢复、维持或提高组织的功能。由于细胞表面的许多蛋白和结构都在纳米尺度, 因此新兴的纳米生物材料在这方面起了很大作用。利用纳米生物材料可对人工替代
物骨架的内部结构和表面性能进行优化, 使种植的细胞感受细胞周围不同的环境变
化来调节其生化反应,取得与正常细胞相类似的功能。目前组织工程学方面的研究
和应用主要包括人造皮肤、骨、软骨和血管等方面, 是纳米生物材料研究最活跃的领域。
3. 生物器件和生物传感器: 经过精心设计的三磷酸腺苷(ATP) 酶分子马达利用 ATP 作为燃料在推动 ATP 酶的可动亚单位运动的同时带动一金属杆转动, 其最终结果是实现了将生物燃料 ATP 转化为机械能量。对 DNA 分子器件的研究也正在取得突破。有研究表明, 裸 DNA 可能具有一定的导电性, 虽然目前尚已定论, 但利用 DNA 分子作为基本的器件单元的思路导致了许多新的结果。基于微悬臂的生化传感器技术可快速分析环境中的生化气体物质, 这种传感器可组成阵列并集成, 其做成的便携式传感器可用于反恐怖检测。利用集成的微悬臂纳米传感器来探测溶液中的生物分子、病毒和细菌, 这方面的研究正在飞速发展。
4. 分子体系仿生学研究: 通过进一步了解自然生物体的设计、代谢过程、分子单元的组装以及其结构与功能之间的相互关系, 希望合成可模仿生物体系的分子并在某种性能上和某些方面优于其生物结构本身。如通过研究病毒的自组装过程, 可开发研究众多的具有实用价值的纳米自组装装置。
5. 基因治疗和其他蛋白质/药物传递用的纳米体系: 纳米生物医药的发展为基因治疗提供了新的解决问题的方法, 给基因治疗带来了极大的希望。初步的研究结果显示合成的纳米生物材料在传递·5 79·目的基因时较目前的病毒载体更安全和有效。纳米靶向药物是一种极富发展潜力的新型药物, 但目前对药物纳米粒的生成机制以及纳米药物进入生物体后将如何分布, 对机体的正常功能、代谢、结构等有何影响, 与生物组织的相容性及其代谢动力学等尚无系统的研究。这方面研究工作的重点集中在:合成和发现新的无毒、生物相容性好、可生物降解的高分子药物载体; 对纳米药物进行表面修饰, 以提高药物靶向性、稳定性、载药量; 探讨药物的
作用机制, 载体材料体内外检测及生物学效应; 优化靶向纳米药物合成步骤、加工
工艺, 改进制备技术, 向大规模工业化生产发展。
6. 纳米技术在肿瘤防治领域的应用: NIH 癌症研究所(NCI) 最近提出了一项《癌症纳米技术计划》, 研究的重点: ①预防和控制癌症: 发展能投递抗癌药物的
纳米级设备, 并开发能投递多重抗癌功能疫苗的纳米装备。②早期诊断: 开发植入
式早期侦测癌症生物标记的生物附着分子探测器来收集与癌症相关的生物标记, 用
于体内或体外分析, 再用无线装置将分析数据传输给医师; 发展能同时收集大量生
物标记进行大量光谱分析的平台性装置。③影像诊断: 设计智能形可注入靶向对比
介质, 其解析度应达到可辨识单个癌细胞, 并开发可以将构成肿瘤的多个癌细胞的
生物和进化多样性加以区分的纳米装置。④多功能治疗设备: 开发可以兼具诊断和
治疗的纳米装置, 并开发可以依据检测药物有效性来控制药物释放时间模式的智能
装置。⑤癌症护理和生活质量的改善: 设计可以改善慢性癌症所引发的常见疼痛、
沮丧、没有食欲、恶心、呼吸困难等症状, 并提供理想性投药的纳米级装置。
7. 纳米材料的生物安全性研究: 随着纳米科技的迅速发展, 纳米材料越来越
多地走进百姓日常生活, 但这些具有独特理化性质的材料, 对人体健康和环境将带
来潜在的影响, 目前已经引起科学界和政府的广泛关注。纳米材料进入生物体的途径、体内代谢、与生物大分子的相互作用、细胞毒理学等方面的研究正在逐步深入, 并取得了一定的成果。但有关纳米材料生物安全性评估体系的建立还是一个十分艰
巨任务。