第六章纳米生物学
纳米生物学是物理学与生物学的交叉学科。所谓纳米生物学有两层含义，一个是应用纳米技术这一新工具、新技术来促进对生物系统的理解。同时，如何在纳米水平上微观地、定量地研究生物问题。纳米生物学包括那米医学、纳米生物技术和纳米生物材料等。
第一节DNA分子结构和复制过程
1953年，生物化学家James Watson和Francis Crick首次发现了DNA（脱氧核糖核酸）的双螺旋结构后，涌现了许多前所未有的DNA生物技术，广泛用于造福于人类的伟大事业。近年来，由于高分辨的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope,STM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscopy,AFM）的应用，使得人类已经能够成功地观察到了DNA分子的双螺旋结构，如图6-1所示DNA分子的直径为2nm,双螺旋的螺距为3.4nm。因此，DNA 的特征尺寸是在纳米技术的尺度范围之内，属于纳米生物学的研究内容之一。
DNA分子的结构模型如图6-2所示。DNA分子的双螺旋结构是由两条磷酸核糖主链相互缠绕形成。在DNA分子中。总共有4种碱基，分别为A（腺嘌呤碱基，adenine）,T(胸嘧啶碱基，thymine),C（胞嘧啶碱基，cytosine）和G（乌嘌呤碱基，guanine）。这4种碱基通过严格配对后构成了DNA分子中的两种不同的碱基对，其中A和T由两个氢键相连配对，C和G则由三个氢键相连配对（图6-3），十分严密。在一个DNA双螺距内共有10个碱基对，相邻两个碱基对之间的间距为0.34nm，相互旋转36o，10个碱基对共旋转360o，正好为一个螺距。
DNA分子在复制时，先断开A—T和C—G碱基对的氢键，使
两条磷酸核糖主链解开。然后，用解开的两条磷酸核糖主链作为模板，
分别复制出新的DNA分子（图6-4）。这就使在两条新复制的DNA分
子中都含有一条复制前的磷酸核糖主链（称为父辈主链），它们的遗传
密码与复制前的DNA分子的遗传密码完全相同，这也就是为什么DNA
分子可以通过复制把遗传信息传给下一代。由于DNA分子的复制率很
高，一小段DNA在数小时内可以完成数百万次的复制过程，并始终保
持它的遗传信息不变。
第二节人类基因组计划和应用
1990年，国际人类基因组织（The Human Genome Organization,HUGO）和美国国家卫生研究院（National Institute of Health,NIH）向美国国会提交了美国“人类基因组计划（Human Genome Project,HGP）”联合项目的5年计划，这个计划也被称为“生命科学阿波罗登月计划”。美国国会随即批准了这个计划，并拨款30亿美元，计划以15年的时间来完成这项庞大的人类基因组计划，以确定人类基因中约32亿个碱基对（base pairs）的DNA排列顺序，并希望寻找出人体10万个或更多的基因。与此同时，日本、德国、英国、法国等发达国家也先后投入巨款加入到这项研究计划中来。我国于1994年才长势启动人类基因组计划，1998年在中国科学院遗传研究所建立了人类基因研究中心，1999年7月，中国政府向国际人类基因组申请加入人类基因组研究计划后，承担了1℅的测序任务，即人的第3号染色体短臂上3千万个碱基对，成为参加人类基因组研究计划中的唯一发展中国家。这项被称为“生命科学阿波罗登月计划”的人类基因组计划的庞大之处在于该计划要对人体细胞核中约32亿个碱基对的DNA序列和人体内数万个基因作定位的描图，并同时要阐明它们的功能，确定它们的序列位置和排列组合方式，以及它们在重组及变异过程中的某些规律，从而来破译人类的全部遗传密码。这项研究计划的重大意义还在于它可以支持和推动生命科学中一系列重大基础研究，如基因组遗传语言的破译，基因的机构与功能关系，生命的起源和进化，细胞
发育的分子机理，以及疾病发生的机理等。同时，该项计划的实施还可以促进信息科学、材料科学与生命科学的更加紧密的结合，激发相关科学与技术的发展。
1999年12月1日，人类基因组全部破译了人体23对染色体中第二小的第22号染色体。该染色体共有3 350万个碱基对，并构成了679个基因，其中最长的一个DNA的片段有2 300万个碱基对。如果按一个螺距（3.4nm）中含有10个碱基对来计算，这个最长的DNA竟长达7.82mm,这是人类基因组测序研究中发现的最长的DNA片段。第22号染色体的基因长度范围1 000个碱基对（约长0.34μm）到58.3万个碱基对（约长198μm），平均长度为19万个碱基对（约长64μm）。同时研究还发现，第22号染色体的基因主要与人的先天性心脏病、免役功能低下、精神分裂症、智力低下和许多恶性肿瘤如白血病等有关。
经过长达10年的不懈努力，美国总统克林顿和英国首相布莱尔于2000年6月26日联合宣布了人类基因组草图绘制完成的消息，这一时间比原定于2001年完成的日期整整提前了一年。与此同时，中国政府也宣布我国科学工作者顺利完成了其中的1℅人类基因的测序工作。人类基因中草图的绘制成功将标志着人类将要从真正认识人类自身开始，来不断揭开人类生命和疾病的奥秘，这时21世纪中伟大的科学贡献。无疑，2000碾月26日是人类历史上“值得载入史册的一天”。
2001年2月12日，由美、中、日、德、英、法等6个国家参加的人类基因组计划和美国塞莱拉公司（Celera Genomics,CRG）联合公布了在“人类基因组草图”（95℅）的基础上经过整理、分类和排列的分析结果。“基因信息”的结果表明，人类的基因组由31.647亿个碱基对组成，共有约3.3万个（人类基因组计划公布）~3.9万个（瑟雷拉公司公布）个基因，比低等动物果蝇仅多2万个（果蝇基因数为1.36万个），比线虫多1万个，远小于原先10万个基因的估计。对此，人类基因组计划研究所所长、首席科学家柯林斯作评论说，“看来人类基因组序列这部‘书’并没有原先想象的那么复杂”，“人类基因总数少，说明人类在使用基因方面很节约，与其他物种相比更高效。原来认为一种基因只负责一种蛋白质，现在看来是不准确的，每个基因负责合成三种蛋白质。”
瑟雷拉公司的总裁兼首席科学家文特尔（J.Craig Venter）敏锐地指出，发现人类基因数少这一事实的意义非常重要，因为它将会改变我们原有的关于“一种基因仅于一种疾病有关”的观念。这就说明虽然人类基因组图谱揭开了人类生命和疾病的奥秘，但是应用基因检测来诊断疾病可能不是最准确的方法，可能蛋白质检测会更准，因为蛋白质是维持人体存活的分子功能（产生能量、分解废物、对抗感染…）的执行者，而基因仅是细胞提供指令以制造蛋白质而已。因此，随着人类基因组计划的实施，蛋白质组学也得到了同步的飞速发展，逐渐成为一门新兴的学科。2001拈月初，美国、日本与德国等十个国家的研究机构作出决定，在2002年秋天组成又一个大型国际研究组织（人类蛋白质组计划），预计用15年的时间来完成人体内多达30万的蛋白质机能的解析任务。这将成为继人类基因组计划之后，人类生命科学领域的又一个非常重大的举措。有关调查表明，仅在美国今后的5年内，与人体蛋白质组学相关的产业将会得到成倍的扩大，其产值有望从目前的5.6亿美元扩大到2005年的27.7亿美元。
人类基因组计划预计将在2003年最终完成精确度达99.9℅的人类基因图谱，作为纪念DNA双螺旋结构发现50周年的一份厚礼。到那时，人类会得到更加准确的基因总数目，揭开人类遗传的全部信息和疾病的根源。最终破译操纵着人类生、老、病、死的绝大多数遗传信息的人类基因组图谱，将会对人类疾病的诊断，新药的研制和新医疗方法的探索带来一场史无前例的革命，对生命科学和生物技术的发展也将起到无可估量的推动作用。也许在不久的将来，基因技术不仅可以帮助人类寻找到人体致病的根源，也可以根据某个人的遗传信息制造出针对这个人的生化药物，甚至可以改变人体的DNA ，在制造新生命的同时能够自由地选择下一代的性别，操纵他们的智商，设计他们的性格和某发面的运动能力。
利用基因技术，科学家可以开发转基因水果和蔬菜，将疫苗植入水果和蔬菜中，这些食品不仅营养丰富，而且还有保健功能，吃了这种水果和蔬菜就能起到对某种疾病的免疫作用，不再需要打防疫针，同时转基因技术还可以延长水果和蔬菜的保险期，提高它们的抗病能力。转基因技术在应用于人体本身可以增加细胞的增殖能力，延长细胞的寿命，减缓人的衰老进程，使人益寿延年。
利用基因技术，可以用来消灭害虫。让基因改造后的苍蝇在与它的同类繁殖时就会将它携带的有毒基因传播给它们的下一代，使它们的后代因无药可解而死于非命，从而使整个种群断子绝孙彻底灭亡。利用这种技术，人类可以按照自己的意愿消灭各种各样的害虫，给人类带来极大的经济利益，营造更好的生活环境。
我国政府对人类基因研究非常重视。除了1999年正式参与国际人类基因组计划测序工作并承担了1℅的测序任务外，早在1994年国家自然科学基金委员会就投入360万元正式实施了《中华民族基因组若干位点基因结构的研究》重大项目，并将在“十五”期间继续设立积极因组研究的重大项目。为了保证我国能够在这一重大研究领域不断取得突破，在世界上占有一席之地，国家科技部在北京和上海分别建立了人类基因研究中心，每个中心投入的研究经费都高达上千万元人民币。中国科学院于1998年8月在遗传研究所建立了人类基因组研究中心暨北京华大基因组研究中心，不但高质量地完成了我国承担的国际人类基因组计划1℅的基因图谱测序工作，还建成了我国最大的基因组及生物信息技术研究中心和生产基地。现在该中心正在开展与我国工农业发展和健康水平密切相关的基因组研究，如中国超级水稻基因组、家猪基因组、中华民族基因组多态性以及疾病相关多态性等十几项重要研究项目。2001年4月2日，我国自行研制的第一台峰值速度高达每秒4 032亿次的曙光3000型超级计算机落户于杭州华大基因研究中心，这为我国基因数据的分析和计算提供了强有力的手段，也表明了我国对人类基因技术的极大重视。
第三节纳米医学
人们的常识都知道，人体是由多种器官组成的。人体器官是由各种细胞组成的，细胞的尺度大约在微米至毫米之间。细胞是人体器官组织的基本单元，人体器官就是各种细胞的不同组合构成的，从而使不同器官具有不同的功能。但是，细胞还不是构成人体组织的最小单元，细胞还是由无数的更小的生物分子构成的，生物分子包含各种各样的蛋白质、DNA、核酸等。所以，人体的最基本成分是生物分子。具有不同生物活性的生物分子在人体中扮演着不同的角色，有着不同的作用和分工。只要构成人体活性的生物分子出现故障，就会导致人体细胞的异常或死亡，使人体感到不适或生病、衰老，甚至死亡。因此，从微观的角度来讲，给患有疾病的人治病就是要修复这些出现异常的生物分子。然而，目前的医学水平还远没有达到修复人体生物分子的水平。只有纳米技术才可以揭示人体生物分子的微观构造，它在医学上的应用就是那米医学。纳米医学的本质就是在分子水平上研究和认识人体的生命组成，解释人体的复杂的生命过程，最终在分子尺度的水平上进行人体疾病的诊断、治疗以及预防。为了实现那米医学技术，一个重要的内容就是创造有分子组成的并具有类似于人体器官组织功能的极其微小的纳米装置和机构。利用这些装置和机构，可以方便地植入人体，用它来改善人体的生命系统。同时，这些微小的装置和机构还可以随意出入细胞内外，完成各种各样的特殊的医疗使命。如：修复发生畸变的基因；扼杀处于萌芽状态或发生癌变的癌细胞；及时捕捉侵入人体的细菌和病毒并立即消灭，防止发生疾病；探测人体内化学成分和生物化学成分的变化，适时地释放相应的药物或人体所需的微量物质，及时地改善人体的健康状况。
纳米技术将会给医学带来一场前所未有的革命，大幅度地提高人类健康水平，使人们真
正能够达到延年益寿的目的。可以预见，纳米技术可望在以下己方面得到突破和应用是为期不远的事情。
（1）在分子的水平上认识和理解病变的机理
在已完成的人类基因序列图谱草图绘制的基础上，人类对人体本身的认识可望达到分子级的水平上，并能在细胞的分子结构和分子的基因水平上认识和理解病变的机理，为彻底根治疾病提供理论基础。
（2）大幅度地提高医学诊断和疾病检测的精度
现在常用的人体诊断检测仪器是CT（计算机断层造影术）和核磁共振术，它的分辨率是在mm级。正在研究的被称为“分子雷达”的光学相干层析术（OCT）的分辨率可达1 μm,能以每秒2 000次的速度快速地完成生物体内细胞的动态成像，可以实施观察活细胞的动态过程和变化，即使是单个细胞出现的病变也可以准确地检测出来。当这种新仪器在临床应用后，就能够及早发现细胞的病变从而把疾病“扼杀在萌芽状态中”，不会像现在那样等到生命垂危时才被CT 或核磁共振检查出癌症的病变。不久的将来，人类癌症的早期诊断和及时得到有效的治疗就会变成现实。
应用纳米技术，研制使用于不同的诊断和检测目的能够直接插入人体不同部位活细胞内的微型探测器。由于微型探测器及其传感器很小，插入活细胞内部都不会干扰细胞的正常生理过程，但却能够获取活细胞内反映其功能状态的动态信息，为临床疾病的诊断和治疗提供客观依据。
（3）纳米医用机器人和完全可控的体内显微手术
研制能够在血液和细胞中工作的纳米医用机器人。这种机器人极其微小能够在血管中游走，可以用来捕捉和移动单个细胞，也可用来清除血管壁上、心脏动脉上的脂肪沉积物，大大减少或根除心血管疾病的发病率。医用机器人还可以在人体组织的间隙里清楚病毒细菌或癌细胞，像传统的外科手术一样修复心脏、大脑和其它器官等。除此之外，利用纳米医用机器人在人体内行走自如的能力，可进行定位给药把药直接送到需要部位，也可在人体内实施显微注射将要直接注射到产生病变的细胞内，达到最快最好的疗效。同时，纳米医用机器人还可以对人体进行定期的健康检查。
（4）研制出可以攻克和杀死任何肿瘤和病毒的特效药物
随着人类基因组计划的成功实施，不断破译人类基因的遗传语言，搞清楚基因机构与功能之间的内在关系，从而明确生命起源和进化的过程以及细胞的发育、生长与分化的分子机理，最终找出人类各种疾病发生的真正原因。在不断揭示人类疾病原因的基础上，应用纳米技术，将研制出各种特效药物，直接杀死任何肿瘤癌细胞和病毒，完全修复受损的人体细胞组织。
（5）基因治疗
国际人类基因组计划的成功实施和超过预想的研究进度，使得人类对自己的遗传机理有了更加清楚的认识，对基因和疾病之间的关系有了更深层次的了解。因此，直接根据基因的变化，从根本上治疗人类疾病的“基因治疗”方法得到了飞速的发展，成为众多科学家追逐的研究方向，具有广阔的前景的医疗应用技术。与此相关的生物和医学研究机构及其相应的产业部门都把“基因治疗”视为开发生命科学、生物技术、医疗手段、试剂与药物等方面极具潜力和商机的非常重要的领域。仅到1998年，全世界就有22个国家和地区批准实施了近240个“基因治疗”的临床实验计划，其中我国有2个实验计划，近3 000位病人接受着这种治疗。目前，正在进行的“基因治疗”实验研究计划难以数计。
对基因治疗来说，其实质就是用人工合成的方法，根据基因的标准样本，制造出一个目的基因，供治疗使用。所以，基因治疗的主要目标就是用“好”基因去取代“有毛病”的基因，纠正人体基因的缺陷，达到治疗的目的。要真正实施基因治疗必须解决三大关键技术，
其一是人工合成在基因治疗中所需要的“好”基因，其二是研制出能将人工合成的“好”基因送到人体内的运载工具，其三是寻找到人体内能够接受“好”基因的细胞。只有上述三大关键技术有了突破，真正解决，才能使基因治疗的效果更好，治愈率更高，更加安全可靠。1991年12月复旦大学遗传研究所薛京伦教授成功地完成了我国首例基因治疗后，正朝着临床的方向发展。很快我们也可以享受到基因治疗所带来的福音，不治之症（癌症、艾滋病）的患者将回看到新的生命曙光。
第四节生物计算机和分子机械
纳米生物学的另一个重要研究领域是生物计算机，生物计算机的主要研究目的是寻找或制造一些特定的生物分子，这些生物分子能够更加快速地完成计算机的基本的计算和储存功能，用来代替目前的半导体计算机中央处理器（CPU）和存储器。已有研究表明，以蛋白质分子材料制造的生物计算机，不但体积小、质量轻、好能少、环境适应性强，而且运算速度和信息储存能力均比现有的计算机高出数亿倍。当前，美国、日本和俄罗斯等国已在生物计算机的原型器件及其系统研究方面进行了大量的工作，取得了很大的进展。美国和俄罗斯研制的细菌视紫红蛋白质计算机处理器，就具有非常独特的热、光、化学特性和良好的稳定性。它的奇特的光学循环特性就可以用于信息的储存，估计有望代替当今计算机的信息处理和存储。有人预计美国在3~5年内就能大批量生产这种计算机。因为生物计算机所用的材料可以通过基因技术改造后的细菌大量生产，所以生物计算机的造价要比半导体计算机的造价低得多。
由于DNA含有大量的遗传密码——基因，这些基因通过生物化学反应传递遗传信息，可以代代相传，所以科学家正在探讨应用遗传物质DNA制造具有全新概念的DNA生物计算机。DNA计算机就是利用DNA分子的这种遗传信息传递方式来实现计算功能的。DNA 分子中的密码相当于计算机存储的数据，在某钟酶的作用下DNA分子发生生物化学反应，从一种基因代码变成另一种基因代码，相当与一组数据变成另一组数据，完成了一次运算。如果将反应前的基因代码作为系统的输入数据，反应后的基因代码作为运算结果，只要控制合适就可利用这种反映过程制成DNA计算机。一方面，这种计算机是基于分子反应，因此运算速度非常快；另一方面，由于每个DNA分子含有大量基因，DNA分子的存储容量十分巨大。正因如此，DNA计算机可以做的很小，且消耗能量却很小。
人们正在探索的希望能够利用生物分子的某些特殊运动机制来实现的纳米生物机械是纳米生物学的另一个重要研究内容。人类已经能够进行单个原子和分子任意操纵的今天，研制出具有特殊运动机制的纳米生物机械将不是可望而不可及的了。美国加洲硅谷的人造分子研究所（Institute for Molecular Manufacturing,IMM）已经设计出各种不同用途的人造分子及起由这些分子构成的运动机构，象纳米齿轮、纳米马达、纳米轴承、生物分子泵、多自由度分子机器人等。美国国家宇航局（NASA）Ames研究中心专门研究设计了用钠米碳管和C60分子构成的分子机械，如纳米齿轮传动系统和纳米直线位移机构。运用这些人造分子及纳米生物机械今后就可望制造便于进入微小空间的微型系统。
2000年2月，日本东京大学就已宣布，首次研制成功可自由控制转速的分子齿轮。该分子齿轮是由两个直径约1 nm的卟啉分子夹着一个直径约0.1nm金属离子。将卟啉分子和金属离子放入一种溶液中，并加热到特定的温度，就可以使卟啉分子和金属离子组合成分子齿轮。目前的问题是这种分子齿轮只能分别单独旋转，若要构成一个齿轮系统，必须将多个分子齿轮按一定要求和方式组合起来。这正是科学家努力的方向。
第五节生物新片技术
随着现代生物学和现代医学的突飞猛进的发展，人类基因组计划的实施及其相关学科的发展，不仅人类基因组序列完成了初步测定，而且，越来越多的动植物、微生物以及病毒细菌的基因组序列也得以测定，因此基因组数据正在以前所未有的速度迅速增长。面对庞大的数据，如何研究分析如此众多的基因在生命过程中所担负的功能自然成为生命科学研究领域中的重要内容。为此生物心片（biochip ）技术——一项计算机心片制造技术与生命科学研究相结合的新兴技术——在90年代初期就应运而生了。生物新片技术是随着人类基因组计划的实施而诞生发展起来的。它是基因生物学与微米/纳米技术相结合的产物也是解开基因之迷的有效手段，同时也将给生命科学和医学带来一场革命。
大家都知道，传统的计算机芯片的工作本质是对0和1这两个二进制数字进行高速的各种运算。生物芯片的本质是借助于生化反应进行生物信息的快速平行分析。用微点阵技术把成千上万的生物信息集成在一块很小的芯片上，就能使一些传统的生物学分析工作在这一块很小的芯片内进行，迅速地对基因、抗原和活体细胞等分析检测。用生物芯片制作的各种不同用途的生化分析仪器不仅体积小、重量轻、成本低、防污染、便于携带和耗费样品、试剂少等优点，而且分析过程全部自动化分析过程极快。可以预见，生物芯片技术将会在生物学和医学基础研究、疾病诊断、新药开发以及农业、食品、环保等许多重要领域得到广泛的运用。美国著名的杂志《财富》在1997年就高度评价生物芯片技术，“在20世纪科技史上有两件事影响深远。一件是微电子芯片，它是计算机和电子仪器的心脏，它使我们的经济结构发生了翻天覆地的变化，给人类带来了巨大的财富，改变了我们的生活；另一件是生物芯片，它将改变生命科学和医学的研究方式，革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平，从而改变整个世界的面貌。”正是因为生物芯片技术对人类的未来产生如此重要的影响，1998年美国科学促进会（AAAS）将生物芯片评为当年的世界十大科技突破之一。
生物芯片技术通常包括基因芯片、蛋白质芯片以及芯片实验室三大部分。
基因芯片（genechip），又称DNA芯片(DNAchip)，是生物芯片中最基础的，研究开发最早最为成熟也是应用最广的生物芯片。基因芯片像计算机芯片一样能够存储大量的信息，只是基因芯片中传递信息的信使是DNA分子。基因芯片是由基因探针构成，每个基因探针是一段人工合成的碱基序列。当在探针上接有被检测的物质后，根据碱基互补原理就可以识别被测物质的特定基因。当前，世界各国已经开发出很多种基因芯片，像检测HIV（爱滋病）基因和肿瘤基因的芯片以及研究药物新陈代谢时基因变化的细胞色素芯片等都已应用于临床。
蛋白质芯片与基因芯片的原理基本相同，但是，蛋白质芯片利用的不是基因的碱基对而是抗体与抗原结合的特异性，亦即免疫反应来实现蛋白质的检测。因为蛋白质芯片是以蛋白质为检测对象，就更接近生命活动的物质层面。
芯片实验室是基因芯片技术和蛋白质芯片技术的进一步完善和向整个生化系统领域拓展的结果。芯片实验室是一个高度集成化的生物分析系统，集样品制备、基因扩增、核酸标记与检测等功能为一体，将生化分析的全部过程集成在一个芯片上完成。美国普杜大学开发的一种芯片实验室技术，将生化实验室的专用仪器微缩在一片芯片上，其大小不到常规仪器的千分之一。这项成果使得在一块小小的硅片上堆积几十个甚至几百个生化“实验室”，每个“实验室”都能进行复杂的生化检测和分析。芯片实验室的应用可以大大减少研究和分析费用，大大提高效率。
自从1991年首次提出DNA生物芯片的概念后，迅速成为各国生物技术领域的一个重要热点。开展这方面研究较多的国家有美国、中国、法国、俄罗斯、以色列、英国、墨西哥、
印度等国家。2001年全世界生物芯片的市场可达170亿美元，运用生物芯片技术的市场每年约1 800亿美元。
我国生物芯片研究工作始于1998年，主要集中在军事医学科学院、清华大学、北京大学、复旦大学、东南大学和中国科学院，在基因芯片、蛋白质芯片和芯片实验室的研制和开发上已经取得了很多突破性的进展。在人体肿瘤诊断、基因图谱表达、转基因农产品检测、新孕儿缺陷监测、乙肝与丙肝病毒检测、爱滋病毒检测等都已在临床广泛应用。清华大学生物芯片研究开发中心程京教授研制出世界上第一个1cm2大小的多力生物平台系统，利用它可以在指甲大小的芯片上建立微缩的芯片实验室。
生物芯片技术是一项综合性的高新技术，它与生物、化学、医学、光学、精密加工、微电子技术、信息技术等多种科学技术领域，是一个学科交叉性很强、应用范围很广的新兴学科。随着纳米技术的发展和应用的广泛扩大，人们会研制出纳米尺度的生物芯片。当然，纳米生物芯片的制作会对芯片技术提出更高的要求，因为随着尺度的减小，芯片的集成度增大，芯片内反应物的量减少，芯片产生的信号就变得更加微弱，对信号检测器的精度要求自然就更加高了。
第七章纳米电子学
过去半个多世纪的历史表明，电子器件的发展对人类社会起着巨大的推动作用。电子管、晶体管、大规模集成电路的出现都对人类的进步有显著的影响，特别是计算机出现以后，微电子器件被广泛应用于人类社会各个领域。电子学的未来的发展，将以“更小、更快、更冷”为目标，只有在这三方面都得到同步发展，电子技术才能取得新的重大发展。
美国国防高等技术研究厅（DARPA），不久前提出的超电子学（ultra electronics）研发计划，就是根据“更小、更快、更冷”的发展目标，要求未来的电子器件要比现有的微电子器件的存储密度高5~100倍，速度快10~100倍，功耗则要小于现在器件功耗的2%。最终希望达到“双十二”，即1012位的存储器容量（1Terabit）和每秒1012次的运算速度（1 000亿次/秒）而且廉价节能。要实现这一目标，电子器件的尺寸必将进入纳米技术的尺度范围，即要小于100nm。因此，微电子器件过度到纳米电子器件是21世纪的必然。
第一节微电子技术发展的限制
半个世纪以来，微电子技术领域已经发生了两次重大技术革命，一次是晶体管取代真空电子管，二是集成电路取代传统的导线连接电路。这两次技术革命对人类一计算机和信息技术为基础的新技术的发展起到了巨大的推动作用。特别是超大规模集成电路的出现，导致了现代计算机和通信技术翻天覆地的变化。
集成电路的集成度越高，电路中的晶体管的尺寸就越小。集成电路的制程精度一般用最小线宽来表示。1971年，英特尔的4004芯片，时钟速度为108 kHz，内有晶体管2 300个，制程精度（最小线宽）为10 μm；到1999年，英特尔的PentiumⅢ芯片（奔腾Ⅲ芯片），时钟速度已经高达1 GHz，内有晶体管2 800 万个，制程为0.18 μm。Pentium 4电脑芯片
的时钟速度达1.7GHz，制程首次达到了0.13 μm。30年来，计算机芯片的速度和集成度都提高了约13 000倍，制程则从10 μm缩小到0.13 μm（130nm），用于集成电路加工的光刻精度提高了约76倍。按照莫尔定律的发展趋势，到2010年微电子器件的尺寸和集成电路的最小线宽都将小于100 nm,达到现代微电子学光刻技术的极限，现有的光刻技术将无能为力而失败。因为，现行的深紫光光刻技术(deep ultraviolet lithography)深紫光的波长为240nm，它的光刻理论极限是100nm。现行的光刻技术无法加工小于100nm的最小线宽，这是微电子学技术急待突破的技术限制。
芯片微处理器是通过逻辑“门”的开或关来工作的，而“门”的开或关的状态，取决于有无电流通过。要使微处理器中的逻辑门正常工作需要数百个甚至上千个电子的电流，随着芯片集成度和时钟速度的提高，所需要的电子数还会进一步增加。然而，芯片内线宽的减小会导致单位时间内流过逻辑门的电子数大幅度递减少，当电子数减至数十个数量级时，逻辑门在判断“开”或“关”时就会处于不确定状态，使逻辑门无法正常工作。这是电子行为对微电子学的技术限制。
目前，电子器件功耗过大也是微电子学技术发展的又一个主要限制。当今的微电子器件，即使通过芯片的新设计制作方法（多层芯片设计技术及其芯片中采用的铜线连接技术等）和光刻加工技术的改进（超紫外光刻技术），虽然在一定程度上可以提高电路的集成度，但由于目前的微电子器件的工作电流很大，功耗也很大。特别是随着芯片的集成读和时钟速度大幅度提高，电子在电路中流动的速度越来越快，功耗也会呈级数增加，最终导致芯片不能正常工作。同时由于功耗太大芯片会过热，造成芯片寿命缩短，可靠性降低。
总之，目前微电子器件的光刻技术、电子行为和功耗过大是当前微电子技术进一步发展的三大限制。它的突破要依靠纳米电子学技术的发展。
第二节纳米电子技术的主要领域
纳米电子技术是以在纳米电子学理论为基础，开发下一代微电子器件—纳米电子器件的技术总称。它的研究范围主要是三个方面：纳米电子学理论、纳米电子器件和纳米电子材料及其组装技术。
一、纳米电子学
纳米电子学是纳米电子器件的理论和技术基础。纳米电子学的发展，将基于纳米尺寸显著的物理特性。目前人们已经认识到，其特性除材料固有的特性外，还与维数和尺寸有密切的关系。在纳米物理长度内，出现的主要新效应有：量子相干效应（Quantum interference effect），A-B效应（Aharonov-Bohm effect），即弹性散射不破坏电子相干性，量子霍尔效应（Quantum Hall effect），普适电导涨落（Universal conductance flutuations）特性，库仑阻塞（Coulumb blockade）效应，海森堡不确定效应（Heisenberg uncertainty）等。
在纳米系统中失去了宏观体系的统计平均性，其量子效应和统计涨落为主要特性，纳米电子学就讨论这些特性的规律和利用其规律制成功能器件的学科。目前人们正在争论的一个问题是：量子计算能否实现？其基础是与信息加工有关的量子系统的基本特性，主要有：（1）叠加性（Superposition），量子计算可以存在经典Boolean态的任意复杂的结合；（2）相干性（interference），在叠加中中的并行计算路径，类似粒子通过干涉仪可能彼此加强或消弱，与它们的相位有关；（3）牵连性（Entanglement），一个完全量子系统的某个定义态与它的部分态不相对应；（4）不确定性（Uncertainty），即使没有干扰，也不能精确地知道一个量子态是否被占据。这样，量子信息加工系统显示了某些与传统情况惊人的不同。
量子计算思想先由IBM的C.H.Bennett提出，引起理论和实验科学家的兴趣，做了很多
工作。1996年3月又报道了量子计算的逻辑门实验结果，对此也有人怀疑。法国巴黎第六大学的S.Haroche等人认为一些观点是可取的。但是，由于还有许多问题有待解决，实验证明还难以做到，实现量子计算还只是梦想。
二、纳米电子器件
Moore定律提出以后，曾有相当一部分人认
为下一代的器件是分子电子器件，其理论基础是
分子电子学。经过几年的工作逐渐认识到，在微
电子器件与分子电子器件之间，有个过渡时期—
—纳米电子器件，即信息加工的功能元件不是单
个分子，而是原子团——有限个原子构成的纳米
尺度得体系（含102~109个原子）。这样，实现
微电子器件“更小”，走向纳米电子器件的方向
就有两个：以Si、GaAs等为主的无机材料的固
体电子器件尺寸小下去，与基于化学有机高分子
和生物学材料组装功能材料尺度大起来，两者的交叠构成21世纪初期新型电子和光电子器件——跨世纪的信息功能器件。这个构想表明在图7-1中，图中固体科技与化学发展的影线带交叠的区域就是21世纪初期的基础科学与高技术研究领域。因此，纳米电子学的理论、材料和加工技术都将与有机/无机材料的组装有关。
1、单电子晶体管
单电子晶体管（Single Electron Transistor, SET）是基于库仑堵塞效应（Coulomb Blockade Effect）和单电子隧道效应（Single-Electron Tunnel Effect）的基本物理原理，而出现的一种新型的纳米电子器件。它在未来的微电子学和纳米电子学领域将占有重要的地位。
单电子晶体管是库仑阻塞效应和单电子隧道效应的直接应用，单电子晶体管具有功耗低、灵敏度高和易于集成等优点，被认为是传统的微电子MOS器件之后最有发展前途的新型纳米器件。单电子晶体管于1994年首先由日本科学家在实验室研制成功，使用的硅和二氧化钛材料的结构尺寸都达到了10nm左右的尺度。单电子晶体管的研制近几年已经走向成熟，成为纳米电子器件研究的热点，不少国家都研制出不同尺度和结构的单电子晶体管基型器件。
单电子晶体管的结构原理如图7-2所示。单电子晶体管由两个隧道结串联组成，两个隧道结分别称为源（source）与漏（drain），与其相连接的中间部位称为岛（central island），也叫栅极（gate），由置于其旁边的门电极控制，能够实现单电子控制使SET处于开或是关状态。
图7-3是纳米尺度单电子晶体管的基本构造。它的两个隧道结有两条纳米尺度的TiOξ线组成，它们对电子隧穿时构成的势垒（TiOξ/Ti）高度为285meV。中心岛区域是由TiOξ
围着的金属Ti材料部分组成。晶体管的源极和漏极分别接在金属Ti上，栅极则连接在Si 基板上。这种型式的栅极被成为背向式栅极。
单电子晶体管的中心岛（栅极）是由几个单分子构成时，其尺度就在分子尺度内。目前用作栅极的材料有液晶分子、C60(碳60分子)和碳纳米管等。图7-4是用C60和碳纳米管构成中心岛的分子尺度的单电子晶体管的实例。其中（a）为C60与Au（金）制备的源极和漏极之间的间隙可达1nm，并形成两个隧道结。在(b)中，碳纳米管生长在具有两个金属电极（如Pt）的表面上，在碳纳米管和金属电极之间的两个接触点处形成两个隧道结。
2、纳米尺度的单电子存储器
超高密度信息存储器主要是数字0和1的存储，它是纳米电子学的重要内容之一。用制作单电子晶体管的加工方法，也可以加工出利用单电子隧道效应的单电子存储器。图7-5是一种单电子存储器的结构原理图。这种单电子存储器具有一个控制单个电子隧穿的多隧道结C tt（由5~7个单隧道结组成，每个隧道结的长度和宽度均为15nm）和一个用于电子存储的电容C gt，电子存储节点通过存储器栅极电容C g与一个用于检测存储电子数量的单电子晶体管中心岛藕合连接。计算表明，存储电容C gt和栅极电容C g分别为4?10-19F和3.4?10-21F，C g和C gt相比要小两个数量级以上，因而C g的藕合连接不会对节点处存储的电子数产生影响。在整个器件中，共有4个电极，其中1个电极（V MEM）用于电子的存储控制，另外3个电极分别是测量用单电子晶体管的源极（V S）、漏极（V D）和栅极（V G）。
对于某些特定材料的薄膜两边加一电压，当达到一定值时，器件可能由绝缘状态（0态）转为导电状态（1态）。通过某种刺激（如反向电场、电流脉冲、光或热等）又可使器件由0态恢复到1态。这种通过电实现0与1状态转变的器件，称之为点开关器件。当外电场消失
时，0或1状态能够稳定存在，即具有记忆特性，称之为存储器件。这种开关记忆特性发现于无机半导体材料的薄膜器件，近20年来，科学家也在探索有机或无机金属复合薄膜制造开关记忆元件。含碳的有机及有机金属化合物由于体积小、重量轻、组成及结构多变、易于裁剪和组装，潜在成本低，更重要的是提供了超快响应的可能性。
三、纳米电子材料及其组装技术
纳米电子材料是人们积极探索的重要领域，由于它的特性是体积小（<109个原子）、纯度更高（杂质缺陷少，<10-8）信号功率更低（pJ）、信号的写入读出的响应速度快（ns），吸引不少科学家关注。其中，无机和有机复合膜的结构与特性的研究是热点，不断出现新的研究报道。研究、制造纳米电子材料最重要的问题是工具和手段。目前，扫描探针显微镜（SPM）不仅是表面分析的有力工具，也是进行纳米加工、原子操纵、制造纳米器件的有力武器。近年来，人们在探索超高密度信息的读写方法和有关材料结构性能分析、表征时也借助于SPM。SPM有多种衍生结构，其中用于信息读写研究的主要有：扫描隧道显微镜（STM）、原子电力显微镜（ASM）、扫描隧道谱（STS）、扫描近场光学显微镜（SNOM）、磁力显微镜（MFM）等。用SPM技术可以实现样品的纳米尺度观测、加工，同时可以利用针尖与样品之间的电压、电流、近场光束和磁极作用，进行信号的写入、读出和擦除。
第三节纳米电子技术发展概况
以微电子器件为基础的计算机和自动化电器进入社会各个领域，成为发达国家的主要经济支柱之一。微电子器件发展的小型化趋势引导人们关注纳米技术，这即是微电子器件小型化的必然趋势，也是纳米电子器件的诱人应用前景召唤。
目前，研究纳米电子器件有两条途径：一是微电子器件逐渐小下去的方法，称为自上而下路线；二是利用有机/无机分子组装功能器件，称为自下而上路线。现在的研究侧重于后者。考虑到计算机主要机构分为动态随机处理器和永久存储器，因此一般研究包含两个方面：一是单电子现象和单电子功能器件结构；二是超高密度数字存储。近几年来，在这方面取得了进步很快，取得了很多可喜成果。
2000年12月英特尔公司说，最新研制成功30nm晶体管，这一突破将使电脑芯片速度在今后5到10年内提高到目前的10倍。2001年4月美国IBM公司科学家宣布，他们用纳米碳管制造出了第一批晶体管，这种晶体管只有现有硅晶体管的500分之一，并发明了可以大量制作的技术。同年英特尔公司宣布，他们已经在实验室研制出只有20nm的晶体管；朗讯贝尔实验室用一个单一的有机分子制造出接近1nm的纳米晶体管，这种纳米晶体管以碳为基础，以包含氢和硫的有机半导体分子为晶体管材料，以金原子层为电极。2001年8月IBM宣布研制成功全球首个单一分子芯片，向着发展功能更强大、耗电量更少的下一代电脑迈出了新的一步。IBM研制成功的“是非门”，其功能是令输出和输入状态相反，它是电脑中最基本的逻辑电路之一。2001年7月，《科学》周刊报道，一种能在室温下正常工作的单电子晶体管载荷兰实验室诞生。这种晶体管以纳米碳管为基础，依靠一个电子来决定“开”和“关”的状态，，它只有1nm宽、20nm长，整体上还不足人的头发丝直径的500分之一。由于它具有微型化和低耗能的特点，因而可成为分子计算机的理想材料。早在2月21日，以北威洲纳米研究联合会和埃森大学为首的多家德国科研机构，在利用单个电子作为纳米电路开关的研究中取得初步进展。由55个金原子在平面分布形成的所谓“纳米簇”同样可以达到通过电路的接通和断开代表二进制中的“1”和“0”。
英国利物浦大学的科学家在英国《自然》杂志上报告说，他们使用硫醇分子作为纳米电路的导线。这种分子呈链状，硫醇基位于分子末端。每个硫醇基都能与一个金原子发生反应，
与其稳固地结合。美国科学促进协会评出的2001年十大科学技术突破中，连接纳米晶体管、纳米导线和纳米开关的分子水平电路荣登榜首。专家们说，今年在分子水平计算技术的飞跃有可能为未来诞生微小但极端高速、功能强大的机器铺平道路，例如制造可“钻”进人体内诊断疾病的微装置。如果纳米电路能被应用到更复杂的仪器中，将无疑成为今后几十年科技突破的动力之一。
日本继2000年底开发成功由4个单电子晶体管构成的加法运算电路后，NTT公司最近又研制出“硅单电子移动元件”，把3个硅电极用20nm粗细的硅连线连接起来，通过改变电压控制单个电子在细线内移动。它所消耗的电力是现有电子元件的十万分之一，但目前工作温度为-284?C，与工业水平尚有距离。日本理化研究所开发纳米布线技术也取得了进展。科学家在石墨板上制作了联乙炔化合物膜，然后用扫描隧道显微镜的微小探针施加瞬间电压，制作了宽3nm、长200~300nm的“电线”，进而又利用这种纳米“电线”制造出单电子晶体管原型。日本大阪府立大学科学家用碳纳米线圈制作显示器用电子枪获得成功。这项技术不触犯美国专利，因此有可能成为日本的独特技术。这种电子枪是“场致效应显示器（FED）”的心脏。它发射出的电子能在荧光屏上显示出图像。
我国对纳米技术的研究应用十分重视，多年来国家自然科学基金一直重视并多渠道优先支持纳米科技，特别是纳米电子学的研究。在国家自然科学基金的连续资助下，1997年9月北京大学利用综合学科优势，成立“北京大学纳米科学与技术中心”。该中心目前承担以信息科学部为主立项的国家自然科学基金委跨学科重大项目“纳米电子学基础研究”等多项基金项目的研究任务。纳米化学研究室刘忠范教授课题组，首先以双功能分子自组装膜为基础，用疏基为主的双功能团分子，成功的在金（Au）膜表面组装金纳米粒子；对硫化镉（CdS）纳米粒子的耦联层由双疏基分子乙二硫醇在金表面形成自装膜，成功地构成了“单电子隧道结/纳米岛”结构。北大顾镇南教授课题组在多年碳富勒烯研究的基础上，进一步研究了碳纳米管的制备、结构和特性，掌握了有效制造和提纯碳纳米管技术，与纳米电子学研究室薛增泉教授课题组合作，把单壁碳纳米管分离将切割制得的短单壁碳纳米管组装到晶态金薄膜表面，实现了单壁碳纳米管分离地站立在金膜表面。通过交叉学科的多年卓有成效的合作研究，有关超高密度信息存储膜的研究工作，得到了国内外同行专家的好评。后来与美国橡树岭国家实验室合作研究计算模拟，于1998年春季报告，关于超高密度信息存储，信号写入点达到了1.3nm，是当时国际上的最好水平，此成果被我国两院院士评为1997年我国十大科技进展之一。到2001年我国科学家研制出世界上信息存储密度最高的有机材料，在纳米级的有机薄膜材料上，一个个直径仅有0.6nm的信息存储点井然有序，从而在超高密度信息存储研究上再创“世界之最”，因而关于超高密度存储膜的研究一直被国际同行关注。
组装分离的单壁碳纳米管技术，对开展碳纳米管的机构和特性的基础研究、应用开发有重大意义，主要做了如下工作：（1）制造扫描探针显微镜的针尖。首次将碳纳米管组装到扫描隧道显微镜针尖上，得到了金薄膜晶粒大晶粒和高定向石墨原子分辨像。（2）研究碳纳米管的电学特性。纳米导线具有显著的非线性和量子效应，通常输运的是有限个电子，这些都是研究纳米电子器件的基础。组装在STM针尖上的单壁纳米管，可以在与基底垂直方向上进行测量，显著地减小了环境的影响，提高测量温度。将组装在金膜上的单壁纳米碳管室温下测得了具有量子特性的I—V曲线。（3）场电子显微镜（FEM）样品。用场电子显微镜研究了单壁碳纳米管的电子发射，显示了令人惊奇的纳米管开口端碳原子的排列结构，这是首次观测到的具有原子分辨能力的场电子发射像。在组装单壁碳纳米管的基础上，高亮度相干电子源，高效场发射电子源，极高分辨率的显示器件等有新应用前景的器件研究。从最基本的单壁碳纳米管切入，开展纳米电子学研究可能是纳米科技发展的重要途径。
西安交通大学朱长纯教授率领的小组采用新的技术途径，引导碳纳米管有序、定向生长在导电的硅片衬底上，并进而研制出功能完备的场发射像素管。在1cm2硅片上有序排列的
上亿个碳纳米管在电子的“轰击”下，“CHINA”字样清晰可见。因其纯度高、有序性好，场发射性能大大提高，在碳纳米管平板显示器的实用化进程中做出了中国人的独特贡献。这种纳米管显示器不仅体积小，重量轻，大大省电，显示质量好，而且响应时间仅为几微秒，从-45~+85℃都能正常工作，因此拥有极其广阔的市场前景。
国家重点基础研究规划纳米领域首席科学家张立德研究员率领的研究小组，不久前成功地合成出只有头发丝5万分之一细的纳米级同轴电缆，解决了超高密度集成电路的元件之间的连接问题。同轴纳米电缆除可用于高密度集成元件的连接外，还可作为微型工具和微型机器人的部件；其硬度和金刚石差不多，可制成钻头，是制造纳米器件的极佳工具。肉眼看不见的纳米电缆将改变我们未来生活的许多方面。我国科学家有关同轴纳米电缆的论文国际引用以几十次。
佳隆（烟台）实业有限公司电子材料厂是一家专业从事微米、亚微米、纳米级显示器件用电子浆料研制、生产和经营的高新技术企业，该企业追踪世界尖端技术，聚焦电子领域，大力研制、开发纳米涂膜材料，先后承担并完成国家科技型中小企业技术创新基金重点支持项目、国家863计划项目、国家级火炬计划项目、山东省科技攻关计划项目和高科技发展计划项目等。他们利用自行研制的复合纳米粉体技术，成功研制、开发出显示器用、防静电、防眩光、防辐射绿色环保功能的“三防”纳米涂层材料，实现了国内从单一纳米粉体制备复合粉体在电子工业应用上的重大突破，特别是在纳米粒子的分散、分级和干燥技术方面及复合纳米粒子的浆料制备方面有特色和创新，填补了我国纯平显象管、显示管用“三防”纳米材料方面的空白，打破了美国、日本等少数国家在该领域的垄断，并列为国家高新技术研究发展计划（863）项目和山东省重点科技攻关计划项目。在此基础上，他们积极研制、开发新功能、新特性的新物质，拓展纳米涂膜材料应用领域。
在纳米电子学研究的两个方面：室温单电子器件和超高密度信息薄膜研究，我国都达到国际领先水平。研究纳米电子器件，用它组建未来的计算机和自动器，成为未来科技和经济的重要基础，具有不可估量的科学意义。在这个领域中的研究，大家都处在同一起跑线上，抓住机遇，努力奋斗，有希望做出处于国际先进水平的研究工作。
纳米生物医学材料的应用 摘要：纳米材料和纳米技术是八十年代以来兴起的一个崭新的领域,随着研究的深入和技术的发展,纳米材料开始与许多学科相互交叉、渗透,显示出巨大的潜在应用价值,并且已经在一些领域获得了初步的应用。本文论述了纳米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米高分子材料、微乳液以及纳米复合材料等在生物医学领域中的研究进展和应用。 关键字：纳米材料；生物医学；进展；应用 1. 前言 纳米材料是结构单元尺寸小于100nm的晶体或非晶体。所有的纳米材料都具有三个共同的结构特点:(1)纳米尺度的结构单元或特征维度尺寸在纳米数量级(1~100nm),(2)有大量的界面或自由表面,(3)各纳米单元之间存在着或强或弱的相互作用。由于这种结构上的特殊性,使纳米材料具有一些独特的效应,包括小尺寸效应和表面或界面效应等,因而在性能上与具有相同组成的传统概念上的微米材料有非常显著的差异,表现出许多优异的性能和全新的功能,已在许多领域展示出广阔的应用前景,引起了世界各国科技界和产业界的广泛关注。 “纳米材料”的概念是80年代初形成的。1984年Gleiter首次用惰性气体蒸发原位加热法制备成功具有清洁表面的纳米块材料并对其各种物性进行了系统研究。1987年美国和西德同时报道,成功制备了具有清洁界面的陶瓷二氧化钛。从那时以来,用各种方法所制备的人工纳米材料已多达数百种。人们正广泛地探索新型纳米材料,系统研究纳米材料的性能、微观结构、谱学特征及应用前景,取得了大量具有理论意义和重要应用价值的结果。纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理领域中的热点,是当前国际上的前沿研究课题之一[1]。 2. 纳米陶瓷材料 纳米陶瓷是八十年代中期发展起来的先进材料,是由纳米级水平显微结构组成的新型陶瓷材料,它的晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等都只限于100nm量级的水平[2]。纳米微粒所具有的小尺寸效应、表面与界面效应使纳米陶瓷呈现出与传统陶瓷显著不同的独特性能。纳米陶瓷已成为当前材料科学、凝聚态物理研究的前沿热点领域,是纳米科学技术的重要组成部分[3]。 陶瓷是一种多晶材料,它是由晶粒和晶界所组成的烧结体。由于工艺上的原因,很难避免材料中存在气孔和微小裂纹。决定陶瓷性能的主要因素是组成和显微结构,即晶粒、晶界、气孔或裂纹的组合性状,其中最主要的是晶粒尺寸问题,晶粒尺寸的减小将对材料的力学性能产生很大影响,使材料的强度、韧性和超塑性大大
纳米材料在医学领域的应用研究进展 【摘要】在最近几年，纳米材料和纳米技术迅速发展，得到了科学界的重视。由于纳米材料的特殊的尺寸效应，纳米颗粒、纳米管以及各种纳米技术在医学方面的应用正蓬勃发展，势头十足。但在医学领域发展的同时，人们也逐渐认识到其中的一些问题，如纳米材料的生物毒性等。本文主要综述纳米科技在基医学、药学、临床医学和预防医学中的应用研究进展、问题及改进。 【关键词】纳米材料纳米科学纳米技术药物载体医学生物毒性毒理学 1 引言 纳米仅是一个长度单位，1 nm = 10-9m，当物质进入纳米尺度时，会展现出特有的理化性质，如: 小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等［1］。随着纳米技术的不断发展，各种纳米材料逐渐进入了我们的视野。碳纳米材料主要包括碳纳米管、富勒烯［2］、石墨烯和纳米钻石及其衍生物，是目前应用非常广泛的一类纳米材料，现有的研究结果表明，碳纳米材料在组织工程、药物/基因载体、生物成像、肿瘤治疗、抗病毒/抗菌以及生物传感等生物医学领域中具有潜在的应用前景。 2 纳米材料在医学领域的应用 2. 1 纳米材料在生物医学领域的应用 应用于生物体内应用的纳米材料，它本身既可以是具有生物活性，也可以不具有生物活性，但它在满足使用需要时还必须易于被生物体接受，而不引起不良反应。目前纳米微粒在这方面的应用十分的广泛，如生物芯片、纳米生物探针、核磁共振成像技术、细胞分离和染色技术、作为药物或基因载体、生物替代纳米 材料、生物传感器等很多领域［3］。 纳米探针一种探测单个活细胞的纳米传感器，探头尺寸仅为纳米量级，当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA 损伤。一些高选择性和高灵敏度的纳米传感器可以用于探测很多细胞化学物质，可以监控活细胞的蛋白质和感兴趣的其他生物化学物质。随着纳米技术的进步，最终实现评定单个细胞的健康状况。使用纳米生物荧光探针可以快速准确的选择性标记目标生物分子，灵敏测试细胞内的失踪剂，标记细胞，也可以用于细胞表面的标记研究。
无机纳米材料在生物医学的应用 班级：材料科学与工程（1）班 姓名：何丽莉 学号：201473030107
摘要：主要介绍了几种介绍了介孔二氧化硅、纳米碳等非金属类纳米材料，以及磁性铁、氧化铈、银纳米粒子、金纳米粒子、镍等金属类纳米材料，比较了不同来源无机纳米材料的发展、特点、优势，明确了无机纳米材料具有环境友好、成本低、生物相容性好及低毒性等特点，综述了无机纳米材料在生物医药、临床诊断、疾病预防等生物医学方面的研究与应用。 关键词：无机纳米材料生物医学 Abstract: This paper mainly introduces several kinds of the mesoporous silica, nano carbon and other non metal nano materials, and magnetic iron, cerium oxide, silver nanoparticles, gold nanoparticles, nickel and other metal nano materials, compared the development of different sources of inorganic nano materials, features, advantages, the inorganic nano material is environmentally friendly low cost, good biocompatibility and low toxicity characteristics, the application of inorganic nano materials in the biomedical, clinical diagnosis, disease prevention research and application in biomedicine. Keywords: inorganic nano materials biomedicine
纳米生物学研究中的新技术* 刘 丹 郭 振 王振兴 张 凝 姚雪彪 (中国科学技术大学微尺度国家实验室,合肥230026) 摘 要:大量的生物结构,从核酸,蛋白质,病毒到细胞器,其线度在1 100纳米之间,生物结构虽然很小,但异常复杂,又格外活跃,表现出很多特定的生物学功能,纳米生物学就是在纳米水平阐明生物分子作用规律的一门新兴学科,通过对生物大分子超微结构的解析和操纵,获得单个分子在生命活动中的详尽信息,从而在单分子水平上探寻影响人类健康的恶性疾病的发病机理,并最终能够利用对单分子进行微尺度操纵的技术进行治疗。纳米生物学是一个非常有意义,但又神秘莫测的领域,但广阔的应用前景已经昭示了这一交叉学科强劲的生命力。本文将着重介绍原子力显微镜和光镊在纳米生物学研究中的重要应用。 关键词:纳米生物学 单分子 生物大分子 微尺度 The Latest Progresses in Nano biological Technology* LIU Dan GUO Zhen WANG Zhenxing ZHANG Ning YAO Xuebiao (Hefei National Laboratory for Physical Sciences at Microscale,University of Science and Technology of China,Hefei230026) Abstract:Recent advancement in single molecule detection techniques enables us to visualize the dy namic behaviour and reaction kinetics of indiv idual biological molecules inside living cells.Single molecule visualiz ation p r ovides a direct w ay to quantif y,w ith a high sp atial and temporal resolu tion,biological events inside cells at the single molecule level.Nano biology is a new discipline that aims to elucidate the molecular f unction and r egulation of bio molecules at nano scale.I n this essay, we highlight r ecent p rogresses on single m olecule visualiz ation in cell biology. Key words:nano biology,single molecule,biological molecules,nano scale 在纳米生物学研究技术中,原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)和光镊(optical tw eezers)应用最为广泛。原子力显微镜是20世纪80年代问世的扫描探针显微镜的(scanning probe microscope,SPM)的一种。它的放大倍数远远超过了常规的光学显微镜和电子显微镜镜,其极限达到了10亿倍,可以直接观察物质的分子和原子。另外,AFM的样品制备非常容易,还可以在模拟生物学环境中使用,这些优势使它广泛应用于蛋白质大分子的拓扑学分析、多蛋白复合物结构解析等方面的研究。在对AFM的针尖进行一些特殊的处理之后,它可以粘附生物大分子,从而使我们可以利用微 *基金项目:本文部分实验由国家973项目(2002CB713700)及中科院知识创新工程(KSCX2 2 01)支持。
自然界（例如生物体）存在的纳米材料及其特性功能 摘要:纳米是一个长度单位，指的是一米的十亿分之一。纳米技术技，则是在纳米尺度(1到1000纳米之间)上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的技术。在纳米技术中，纳米材料是其主要的研究对象与基础。事实上，纳米技术并不神秘，也并不是人类的专利。早在宇宙诞生之初，纳米材料和纳米技术就已经存在了，比如，那些溶洞中的石笋就是一纳米一纳米的生长起来的，所以才千奇百怪；贝壳和牙齿也是一纳米一纳米的生长的，所以才那样坚硬；植物和头发是一纳米一纳米生长的，所以才那样柔韧；荷叶上有用纳米技术生长出来的绒毛，所以才能不沾水，就连人类的身体，也是一纳米一纳米生长起来的，所以才那样复杂。在地球的漫长演化过程中，自然界的生物，从亭亭玉立的荷花、丑陋的蜘蛛，到诡异的海星，从飞舞的蜜蜂、水面的水黾，到海中的贝壳，从绚丽的蝴蝶、巴掌大的壁虎，到显微镜才能看得到细菌… 应该说，它们个个都是身怀多项纳米技术的高手。它们通过精湛的纳米技艺，或赖以糊口，或赖以御敌，一代一代，在大自然中地顽强存活着，不仅给人们留下了深刻的印象，而且给现代的纳米科技工作者带来了无数灵感和启示。 关键词 :纳米材料；生物纳米材料；仿生材料。 一，纳米材料 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。 1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。 真正有意识的研究纳米粒子可追溯到20世纪30年代的日本的为了军事需要而开展的“沉烟试验”，但受到当时试验水平和条件限制，虽用真空蒸发法制成了世界第一批超微铅粉，但光吸收性能很不稳定。 到了20世纪60年代人们开始对分立的纳米粒子进行研究。1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。1984年德国萨尔兰大学（Saarland University)的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒子直径为6nm的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。
纳米材料在生物医学上的应用论文 纳米材料在癌症治疗方面的应用现状及展望 纳米材料在癌症治疗方面的应用现状及展望 前言：尽管我们现在生活在高科技时代，科技很发达，人类的平均寿命比七、八十年代高了很多，但是癌症仍然是人类健康的头号杀手。即使在发达国家，也是如此。目前癌症在临床上可以进行手术、放疗、化疗等方法，但是大多只能杀死或转移癌细胞，但不能完全清除癌细胞，随时有可能复发。归根到底，癌症还是因发现晚、治愈难而成为致死的重要原因。到目前为止，癌症的有效治疗和诊断仍然是现代医学面临的严峻考验。纳米材料的出现为癌症的及早诊断、治疗带来了希望。 一、纳米材料在癌症早期检测和诊断方面的应用 （1）纳米粒子作为一种多功能的击靶对照反差试剂的候选物作为所有的临床成像。例如，Emory大学 聂书明教授的研究小组首次用聚合物纳米颗粒层 和聚乙二醇包裹的量子点在活体内同时对肿瘤进 行定位和成像。还有，中国医科大学陈丽英教授 将超顺磁性氧化铁纳米粒子进行相应的包裹或与 靶特异性分子联结后作为造影剂使用，可以发现
直径3毫米以下的肝肿瘤，结果清晰可靠。【1】（2）哈佛大学查尔斯.利伯尔领导的研究小组阐述了采用硅纳米导线陈列装置来检测血浆中癌细胞内过 度表达的微量标记蛋白质。【2】 （3）血管栓塞术可用于晚期肝、肾恶性肿瘤的治疗。 磁性纳米微球可以做得更小，且易于进入末梢血 管，在磁场作用下具有磁控导向、靶位栓塞等优 点。例如，多柔比星纳米微粒—碘油乳剂肝动脉 栓塞治疗肝癌。【3】 （4）美国弗拉迪米尔.托洛伊林为首的研究小组，把含有纳米微粒的化疗剂和称为2c5的抗体连接，在 轰击人体癌细胞，通过这种方法可以减缓不同肿 瘤的生长速度。【4】 二、纳米材料在癌症临床上的应用 （1）加拿大多伦多大学马格瑞特公主医院的科学家们研制了一种无毒、可生物降解和具有高灵敏度的 有机纳米颗粒。可广泛适用于癌症治疗和药物传 递通过它将装载的药物导入到肿瘤中进行靶向性 治疗。【4】 （2）通过对纳米粒子的修饰，可以增加其对肿瘤组织的靶向特性，实现对恶性肿瘤的靶向治疗，避免 抗肿瘤药物对正常细胞的损伤。【3】
纳米技术在医学上的应用 随着科学技术的进步和发展，纳米材料学和生物医学的结合越来越紧密，纳米材料在生物医学领域的应用已取得了很大进展，并展现出良好的发展势头和巨大的发展潜力。纳米技术的兴起，对生物医学领域的变革产生了深远的影响。纳米材料具有许多传统材料所不具备的独特的理化性质，因此在生物医学、传感器等重要技术领域有着广泛的应用前景。纳米材料在生物医药领域的应用主要有纳米药物、抗菌材料、生物传感器等。 纳米药物 纳米药物与传统的分子药物的根本区别在于它是颗粒药物，而广义的纳米药物可分为两类：一类是纳米药物载体，即指溶解或分散有分子药物的各种纳米颗粒，如纳米球、纳米囊、纳米脂质体等；第二类是纳米药物，即指直接将原料药物加工成的纳米颗粒，或利用崭新的纳米结构或纳米特性，发现基于新型纳米颗粒的高效低毒的治疗或诊断药物。前者是对传统药物的改良，而后者强调的是把纳米材料本身作为药物。是否能实现细胞和亚细胞层次上药物的靶向传递和智能控制释放，是降低药物毒副作用、提高治疗效果的共性问题。纳米粒子介导的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术，在药物输送方面具有许多优越性。目前，用作药物载体的材料是否能实现细胞和亚细胞层次上药物的靶向传递和智能控制释放，是降低药物毒副作用、提高治疗效果的共性问题。纳米粒子介导的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术，在药物输送方面具有许多优越性。目前，用作药物载体的材料 抗菌材料 抗菌材料是指具有抗菌或杀菌功能的材料，其主要机理为：干扰细胞壁的合成、损伤细胞膜、抑制蛋白质的合成和干扰核酸的合成等4点。目前，抗菌材料使用的方法主要是通过添加抗菌剂或化学改性的方法使材料具有抗菌的效果。 通过表面化学改性方法将抗菌剂接枝到电纺纳米纤维表面，控制接枝反应在纳米纤维的表面进行，不影响纤维膜的本体力学性能。此外，纳米纤维巨大的比表面被具有高密度抗菌基团的聚合物链覆盖，并稳定、牢固地以共价键结合，这不仅大大提高了抗菌效率，小剂量即可产生强的抗菌作用，而且还具有长效及重复使用的优势，可以有效避免抗菌剂污染等问题。 生物传感器 生物传感器是信息科学、生物技术和生物控制论等多学科交叉融合而形成的新兴高科技领域。随着微电子机械系统技术、纳米技术不断整合入传感器技术领域，生物传感器越来越趋向于微型化。在纳米技术中，纳米器件的研究水平和应用程度标志着一个国家纳米科技的总体水平，而纳米传感器又是纳米器件研究中的一个最重要的方向。 由中国科学院理化技术研究所唐芳琼研究员带领的纳米材料可控制备与应用研究组，在纳米增强的酶生物传感器研究方面取得了重要进展。此研究成果是采用四氧化三铁纳米颗粒构建高灵敏度葡萄糖生物传感器。研究表明，该生物传感器具有良好的抗干扰性，在实际血清的检测中表现出很好的检测效果，与现有临床方法检测结果相比，标准偏差均在3％以内，具有很强的实用性。 纳米技术医学应用的展望 虽然纳米医学刚刚问世，但其发展的巨大潜力已经展示在我们面前。21世纪
《纳米材料导论》 学院：材料与化学工程学院 专业：电化学 姓名：张博 学号：541304060149
纳米技术在生物和医学上的应用 摘要：纳米技术与生物化学、分子生物学整合将对21世纪的生物医学产生深刻的影响。它将利用生物大分子进行物质的组装、分析与检测技术的优化、并将药物靶向性与基因治疗等研究引入微型、微观领域，用纳米生物技术检测是否患有癌症只用几个细胞。 20世纪80年代才开始研究的纳米技术在90年代获得了突破性进展。最近美《业周刊》列出了21世纪可能取得重大突破的三个领域：一是生命科学和生物技术；二是从外星球获取能源；三是纳米技术。所谓纳米技术(Nanotechnology)是指在小于100 nm 的量度范围内对物质和结构进行制造的技术，其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米技术在新世纪将推动信息技术、生物医学、环境科学、自动化技术及能源科学的发展，将极大的影响人类的生活，衣、食、住、行、医疗等方面。本文将围绕纳米技术给21世纪的生物医学可能带来影响作一概述。 1 纳米生物学的研究对象 有人把在纳米尺度(水平)上研究生命现象的生物学叫做纳米生物学。纳米结构通常指尺寸在1 nm～100 nm范围的微小结构。1纳米等于10-9m，即1m的十分之一。我们知道，细胞具有微米(10-6m)量级的空间尺度，生物大分子具有纳米量级的空间尺度。在它们之间的层次是亚细胞结构，具有几十到几百纳米量级的空间尺度。显然在纳米水平上研究生命现象的纳米生物学，它的研究对象就是亚细胞结构和生物大分子体系。由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径即利用纳米微粒进行细胞分离、疾病诊断，利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。 2 纳米技术在生物医学方面的应用
科技创业 ＰＩＯＮＥＥＲＩＮＧＷＩＴＨＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＭＯＮＴＨＬＹ 月刊 科技创业月刊２００７年第８期 １９９０年在美国召开了第一届纳米技 术国际学术会议，成为纳米科技发展进步的一个重要标志。１９９９年，美国的ＲｏｂｅｒｔＡＦｒｅｉｔａｓＪｒ出版了《 纳米医学》，表明了纳米科技的发展已促使人们开始多方面考虑并且探索纳米科技在医学临床诊治、药物学等方面的应用。纳米技术作为一项新兴技术，在生物医药领域具有十分广阔的应用前景。 １纳米技术 纳米是英文ｎａｎｏｍｅｔｒｅ的译名，像米、 厘米、毫米等一样，是一个长度单位。１纳米（ｎｍ）为１０－９米，也即百万分之一毫米，相当于一根头发丝直径的五万分之一。更形象地讲，如果把１ｎｍ的物体放在乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上。在纳米尺度上，由于物质的量子效应，物质的局域性和巨大的表面、界面效应，形成的材料性能发生了由量变到质变的飞跃，从而突变或产生奇异的新现象。 纳米技术是指在纳米尺度上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性，通过组建和利用纳米材料来实现特有功能和智能作用的高科技先进技术。这一基本概念普遍认为由美国著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者ＲｉｃｈａｒｄＦｅｙｎｍａｎ在一次题为《在物质底层有很大的空间》的演讲中提出，“为什么我们不可以从另外一个方向出发，从单个的分子甚至原子开始组装，以达到我们的要求……如果有一天能按照人们的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇迹”。 纳米技术涵盖领域广泛，包括纳米材料学、纳米生物学和纳米显微学等方面，它建立了一种崭新的思维方式，使人类能够 利用越来越小、越来越精确的物质和越来越精细的技术成品来满足更高层次的要求。目前，由于纳米技术具有的独特优势以及人们对健康和重大疾病防治等问题的日益关注，纳米技术开始广泛应用于生物医药领域。 ２纳米技术在生物医药中的应用 方兴未艾的纳米技术把人类对微观世 界的认识带入了一个全新的境界，同时也为人类战胜疾病、提高健康水平提供了更为有力的武器。就目前而言，纳米技术在生命领域的应用前景已逐渐展现，并且许多设想已经逐渐实现，可以预见纳米技术将渗透至生物医药研究和应用的方方面面。 ２．１万能的机器人 １９８６年，美国预见研究所的工程师埃 里克?德雷克斯勒说：“我们为什么不制造出成群的、肉眼看不见的微型机器人，让它们在地毯或书架上爬行，把灰尘分解成原子，再将这些原子组装成各种物品。这些微型机器人不仅是搬运原子的建筑工人，同时还具有绝妙的自我复制和自我修复能力。” 同时，还有些科学家设想将蛋白质芯片或基因芯片组装成尺寸比人体红细胞还小的纳米机器人，使其具有某些酶的功能，它是纳米机械装置与生物系统的有机结合，在生物医学工程中可充当微型医生，解决传统医生难以解决的问题。将这些纳米机器人注入血管内，可按照预定程序，直接打通脑血栓，清洁心脏动脉脂肪沉积物等，达到预防和治疗心脑血管疾病的目的。 除此以外，不同的组合方案还可组装出其他功能的纳米机器人，例如，有的可以吞噬病菌、杀死癌细胞；有的可以作为人体 器官的修复工具，修复损伤的器官和组织等，以完成整容手术或其他器官修复手术；有的可以进行基因装配工作，除去基因中错误或有害的ＤＮＡ片段，并将正常的 ＤＮＡ片段装配进染色体，使机体正常运 作。 ２．２灵敏的检测器 癌症是人类死亡率极高的疾病之一， 但以目前的医疗诊断水平，癌症一旦被确诊通常已发展到晚期，即已无药可救或已过最佳治疗时期。科学家设想，可制造出纳米传感器植入体内，监控早期癌变信号分子的产生，通过与外界特定的声信号或其他信号的相互作用，将内部信号转化为外部信号。 另外，近年来科学家正尝试应用纳米技术的新型检测仪器和诊断试剂，只需检测少量血液中蛋白质和ＤＮＡ就可诊断出某人患各种疾病的可能性。国内外研究者正致力于脑肿瘤、肝癌、肺癌、白血病等癌症的早期纳米诊断手段的研究，并取得了一定的成绩。 ２．３多彩的标记物 科学家根据ＣＤ唱机中激光二极管的 发光原理，研制出半导体纳米晶体。这种微型的无机晶体被称作量子点，可通过对其大小的控制，使其经同一光源激发后，发出红、黄、蓝等多种颜色的光。又因量子点比传统有机染色小分子更稳定，目前得到了广泛应用。例如，研究者可用量子点附着在不同基因序列组成的ＤＮＡ分子上，通过比较标记的基因序列与已知序列找出哪些基因在特定细胞或组织中表达较为活跃；当用量子点标记蛋白质或其他物质时，技术人员可动态跟踪标记物在体内的过程，从而使其应用于一些疾病的诊断。 纳米技术在生物医药中的应用 夏 涛 （华中师范大学第一附属中学 湖北 武汉 ４３０２２３） 摘 要 纳米技术是在纳米尺度上研究物质的特性，通过组建和利用纳米材料来实现特有功能和智能作用 的高科技先进技术。介绍了纳米技术在生物医药中的应用现状和前景，并分析了纳米技术在生物医药领域应用中的纳米材料安全性和成本问题。 关键词 纳米技术 纳米材料 生物医药 中图分类号 ＴＤ３８３：Ｒ３１９文献标识码 Ａ 收稿日期：２００７－０４－１７ ８６
纳米技术的应用对各行各业的帮助很大，其中，生物医学方面，已经取得了较为喜人的成果。生物医学方面应用较多的是纳米材料，它的种类形态多样，有的呈粉末状，也有的是纤维状，块状，不可否认的是所具备的性能十分独特。本文从诊断、治疗两大方向进行介绍。 一、在诊断方面的应用 1.遗传病诊断 纳米技术有助于诊断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕8个星期时，血液中开始出现少量胎儿细胞。利用具有纳米级大小孔洞的半透膜或特殊的合成纳米管等，可把胎儿细胞分离出来进行诊断。不需要进行羊水穿刺。 目前美国已将此项技术应用于临床诊断中。 2.病理学诊断 肿瘤诊断较为可靠的手段是建立在组织细胞水平上的病理学方法，但存在着良恶性及细胞来源判断不准确的问题。利用原子力显微镜可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点。通过寻找特异性的异常纳米级结构改变，以解决肿瘤诊断的难题。 二、在治疗方面的应用 1、纳米化增加药物吸收度
1）增大药物的表面积促进溶解。 2）药物大分子就能穿透组织间隙，也可以通过人体细小的毛细血管。而且分布面极广。 3）应用于中药制剂。药物的物理活性、靶向性比普通中药大大提高。 2、纳米医用材料 纳米银粉：银在纳米状态下的杀菌能力产生了质的飞跃。只需要用极少量的纳米银即可产生强大的杀菌作用。 智能药物：美国正在设计一种纳米“智能炸弹”，它可以识别出癌细胞的化学特征。这种“智能炸弹”很小，仅有20纳米左右，能够进入并摧毁单个的癌细胞。 纳米技术与生物医学的结合，为医学界提供了全新的思路，纳米材料在医学领域的应用取得了显著效果。 纳米材料在医学方面应用广泛，南京东纳生物科技有限公司是一家集产学研于一体的高新技术型企业，可提供相关产品，更多详情欢迎登陆官网查看！
纳米技术在生物医学中的应用(一) 摘要纳米技术与生物化学、分子生物学整合将对21世纪的生物医学产生深刻的影响。它将利用生物大分子进行物质的组装、分析与检测技术的优化、并将药物靶向性与基因治疗等研究引入微型、微观领域，用纳米生物技术检测是否患有癌症只用几个细胞。 关键词纳米技术；纳米生物学；DNA纳米技术 20世纪80年代才开始研究的纳米技术在90年代获得了突破性进展。最近美国《商业周刊》列出了21世纪可能取得重大突破的三个领域：一是生命科学和生物技术；二是从外星球获取能源；三是纳米技术。所谓纳米技术(Nanotechnology)是指在小于100nm的量度范围内对物质和结构进行制造的技术，其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术〔1〕。纳米技术在新世纪将推动信息技术、生物医学、环境科学、自动化技术及能源科学的发展，将极大的影响人类的生活，衣、食、住、行、医疗等方面。本文将围绕纳米技术给21世纪的生物医学可能带来影响作一概述。 1纳米生物学的研究对象 有人把在纳米尺度(水平)上研究生命现象的生物学叫做纳米生物学。纳米结构通常指尺寸在1nm～100nm范围的微小结构。1纳米等于10-9m，即1m的十亿分之一。我们知道，细胞具有微米(10-6m)量级的空间尺度，生物大分子具有纳米量级的空间尺度。在它们之间的层次是亚细胞结构，具有几十到几百纳米量级的空间尺度。显然在纳米水平上研究生命现象的纳米生物学，它的研究对象就是亚细胞结构和生物大分子体系。由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径即利用纳米微粒进行细胞分离、疾病诊断，利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。2纳米技术在生物医学方面的应用 2.1测量和控制生物大分子 纳米技术与扫描探针显微镜(Scanningprobemicroscopes,SPMs)相结合，便具有了观察、制造原子水平物质结构的能力，为生物医学工作者提供了直接在亚细胞水平或分子水平研究生命现象的应用前景〔2，3〕。扫描探针显微镜是指利用扫描探针的显微技术，常用的有扫描隧道显微镜(STM,它是ScanningTunnelingMicroscope的简称)和原子力显微镜(AFM,它是AtomicForceMicroscope的简称)。STM的原理是利用电子隧道效应测量探针和样品间微小的距离，又将探针沿样品表面逐点扫描，从而得到样品表面各点高低起伏的形貌。当探针和样品表面间的距离非常近达到一个纳米时，同时在它们之间施加适当电压，在它们之间会形成隧道电流，这就是电子隧道效应。这时探针尖端便吸引材料的一个原子过来，然后将探针移至预定位置，去除电压，使原子从探针上脱落。如此反复进行，最后便按设计要求“堆砌”出各种微型构件。 Hafner(1999)等〔4〕报道了碳纳米管的制备方法，整个过程如同用砖头盖房子一样。隧道电流的大小和探针与表面间的距离有关，因此通过隧道电流的测量可以确定这距离的值。STM 观测的样品要有导电性，用AFM就没有这种要求。AFM的原理是用探针的针尖去“触摸”样品表面，将探针沿表面逐点扫描，针尖随着样品表面的高低起伏作上下运动。用光学方法精确测量针尖这种上下运动，就可以得到样品表面高低起伏的图像。用AFM还可以测量分子间作用力的大小以及不同环境中分子间作用力大小的变化。扫描探针显微镜又是操作生物大分子的工具。用它们可以扭转或拉伸生物大分子，从而研究单个生物大分子的运动学特性。STM和AFM在平行于样品表面的方向上的空间分辨率达到0.1nm。已知样品中原子间距离的量级是0.1nm，所以STM和AFM的空间分辨率达到了分辨单个原子的水平。它的时间分辨率取决于要扫描的样品范围和像素点数目，用它们测量固定观测点时，时间分辨率达到ns甚至ps，扫描一幅面积是10nm×10nm的样品时，中等象素密度的时间分辨率约是1秒〔5〕。显而易见，利用STM、AFM等技术，好象使用“纳米笔”一样，可以操纵原子分子，在纳米石
纳米技术在医学上的应用 1.关键词：纳米技术医学 2.Keywords：nanotechnology medicine 3.ISI检索结果 表1-1每年出版的文献数 表1-2每年的引文柱状图 从以上两个柱状图可以看出21世纪之前关于纳米技术在医学上的应用的研究几乎为零，但是一进入21世纪国内外关于纳米技术在医学上的应用逐年增加，每年的引文数更是呈指数倍增长，在2013年更是达到了最大出版量。虽然出版 作者记录数占总记录数的百分比FERRARI M 12 1.064% SEIFALIAN AM 11 0.975% LANGER R 10 0.887% DYGAI AM 9 0.798% JAIN KK 9 0.798% MIROSHNICHENKO LA 9 0.798% SIMANINA EV 9 0.798%
表1-3主要研究成员分析 从上表的数据可以看出，就算是发表文献最多的研究者也只发表了12篇，说明专攻纳米技术在医学上应用的人很少，都是从事相关研究的，说明此项目与 表1-4主要研究机构分析 从上表可以看出，关于纳米技术在医学上的应用的研究比较分散，因为取了前17个机构的数据，而其发表的文献数只占了总记录数的21.543%，而绝大部
SPAIN 49 4.344% SWITZERLAND 39 3.457% CANADA 36 3.191% JAPAN 33 2.936% AUSTRALIA 26 2.305% FRANCE 25 2.216% 总合1002 88.838% 表1-5主要国家地区分析（选取发表数占2%以上） 从上表中可以看出，美国、中国和英国占总发表数的53.635%，其中美国就占了38.475%，说明美国研究纳米技术在医学上应用的水平站在世界的顶端，其次就是中国，说明中国在这方面的研究也比较先进。从另一方面来说，纳米技术在医学上的应用将会被广泛的应用，我们的健康水平也能相应的提高。 4.合成路线 ①With tetrabutylammomium bromide,dihydrogen peroxide,bromine in water,Time= 8h,T=65℃,92% ②With copper(l) iodide,potassium iodide,Time= 5h,T= 200℃ , Inert atmosphere,Finkelstein reaction,100%. ③With potassium fluoride,Pd(3wt)/C in N,N-dimethyl-formamide,Time=7h,T=130℃, p= 1500.15Torr, Inert atmosphere,Hiyama Coupling,92%. ④With hydrogen bromide,tri-n-butylhexadecylphosphonium bromide,Time=0.2h,T=115℃,93%.
生物医学中纳米材料的作用 1用于生物医学的纳米材料 1·1细胞分离用纳米材料 病毒尺寸一般约80~100nm,细菌为数百纳米,而细胞则更大,所以利用 纳米复合粒子性能稳定、不与胶体溶液反应且易实现与细胞分离等特点,可将纳米粒子应用于诊疗中实行细胞分离。该方法同传统方法相比,具有操作简便、费用低、快速、安全等特点。美国科学家用纳米粒子 已成功地将孕妇血样中微量的胎儿细胞分离出来,从而简便、准确地判 断出胎儿细胞中是否带有遗传缺陷。 1·2纳米材料用于细胞内部染色 利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏感水准和亲和力的显 著差异,选择抗体种类,将纳米金粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体 混合,制备成多种纳米金/抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各 种器官和骨骼系统结合而形成的复合物,在白光或单色光照射下表现某 种特征颜色(如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色),从而给各种组 合“贴上”了不同颜色的标签,因而为提升细胞内组织的分辨率提供了 一种急需的染色技术。 1·3纳米药物控释材料 纳米粒子不但具有能穿过组织间隙并被细胞吸收、可通过人体最小的 毛细血管、甚至可通过血脑屏障等特性,而且还具有靶向、缓释、高效、低毒且可实现口服、静脉注射及敷贴等多种给药途径等很多优点,因而 使其在药物输送方面具有广阔的应用前景。德国科学家将铁氧体纳米 粒子用葡萄糖分子包覆,在水中溶解后注入肿瘤部位,使癌细胞和磁性 纳米粒子浓缩在一起,通电加热至47℃,可有效杀死肿瘤细胞而周围正 常组织不受影响;挪威工科大学的研究人员,利用纳米磁性粒子成功地 实行了人体骨骼液中肿瘤细胞的分离,由此来实行冶疗;SharmaP等1用聚乙烯吡咯烷酮包覆紫松醇制得的纳米粒子抗癌新药,体内实验以荷瘤
项目名称：纳米生物材料的合成、组装及在生物医 学领域的应用 首席科学家：李峻柏国家纳米科学中心 起止年限：2009.1至2013.8 依托部门：中国科学院
一、研究内容 拟解决的关键科学问题 本项目研究的主要关键科学问题是：通过模拟生物膜的结构与功能，利用分子组装技术制备具有纳米孔隙的生物材料，研究它们在生物体中的兼容性，作为药物支架如何担载和释放药物及在体外的稳定性，确定其作用机理和影响因素；探索组装的生物材料在生物体中的状态与排除功能，建立合成体系与生物体之间的联系与作用机制，研究其代谢过程，具体地： 1.通过模拟生物膜（生物相容的磷脂/蛋白质复合双层囊泡）研究和揭示细胞膜 和其它生物膜的精细结构、生物功能及其相互关系； 2.分子组装，纳米模板合成和气/液界面相分离等组装单元的结构特征、组装过 程、驱动力、影响因素和调控技术； 3.处于这些组装体中的生物活性物质的状态和功能评价，它们与组装体之间的 相互作用和影响，寻求保持其生物活性的措施； 4.这些具有生物功能的组装体进入人体后的有益效果、作用机制、代谢过程和 可能危害。 考虑到各课题研究的具体对象、问题和目标不同，除上述共同的关键科学问题外，还各有其特殊的科学和技术问题要解决： 1.纳米孔隙的药物载体：构造生物兼容、生物降解的多功能化胶囊，包裹不同 类型药物的最佳方法及药物的缓释；生物界面化胶囊及包裹药物胶囊的靶向释放，不同的类型中空胶囊作为药物和基因载体；智能化微胶囊的构造以及可控性研究；负载药物微胶囊的体外细胞试验及动物试验；多功能微胶囊用于药物载体的包裹和释放机理研究。 2.红血球替代物 聚合物/血红蛋白纳米胶束（胶囊）：官能化乳酸共聚物的 设计与合成，保证在水环境中实现自组装形成纳米胶束或胶囊；引入含有易与血红蛋白反应的官能团，保证反应不影响血红蛋白中的血红素活性中心； 反应基团有足够数量，保证组装体中有足够的血红蛋白浓度；构筑聚合物/
纳米技术在医学领域的应用 和重要影响 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
纳米技术在医学领域的应用和重要影响 摘要：纳米技术与生物医学的结合, 为医学界提供了全新的思路和便利, 纳米材料在医学领域的应用取得了显著效果。随着纳米材料在生物医学领域更广泛的应用, 临床医疗将变得节奏更快、效率更高, 诊断、检查更准确, 治疗更有效, 人们的生命安全将得到更大的保障。 关键词：纳米材料，纳米技术，生物医学，应用，重要影响 “纳米（nm）”是一种度量长度的单位，一个纳米是百万分之一毫米，也就是十亿分之一米，大约相当于45个原子串起来的长度。根据2011年10月18日欧盟委员会通过的纳米材料的定义，纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1nm-100nm之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。简单来说就是，一种由具有尺寸在100nm以下的微小结构的固体颗粒组成的材料。纳米技术是指一种在单个原子与分子层次上对物质的数量、种类和结构形态等进行精确的识别、观测和控制的技术，并在纳米尺度（1—100nm）内研究物质的特性和相互作用来达到创制新物质的高新技术。这项技术是在20世纪80年代末、90年代初才逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学科，它具有创造新生产工艺、新物质和新产品的巨大潜能和前景，它将在21世纪掀起一场新的产业革命。 科技快速发展的今天, 科学技术的各个领域相互融合、渗透,其中纳米科技的发展促进了高新技术一体化的进程, 引起了科技界的高度重视。我国著名科学家钱学森曾经预言“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点,会是一次技术革命, 从而将是21世纪的又一次产业革命”。纳米技术的发展正越来越成为世界各国科技界所关注的焦点,谁能在这一领域取得领先,谁就能占据21世纪科学的制高点。 美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域迅猛发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪的应用，医学纳米技术已经被列为美国优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断，2004年，美国国立卫生研究院所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、
纳米材料在生物医学领域的应用 摘要目前应用于生物医学中的纳米材料的主要类型有纳米碳材料、纳米 高分子材料、纳米复合材料等。纳米材料在生物医学的许多方面都有广泛的应用前景。 关键词纳米材料生物医学应用 1 应用于生物医学中的纳米材料的主要类型及其特性 1.1 纳米碳材料 纳米碳材料主要包括碳纳米管、气相生长碳纤维也称为纳米碳纤维、类金刚石碳等。 碳纳米管有独特的孔状结构[1],利用这一结构特性,将药物储存在碳纳米管中并通过一定的机制激发药物的释放,使可控药物变为现实。此外,碳纳米管还可用于复合材料的增强剂、电子探针(如观察蛋白质结构的AFM探针等)或显示针尖和场发射。纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂,以低碳烃类化合物为碳源,氢气为载体,在873K~1473K的温度下生成,具有超常特性和良好的生物相溶性,在医学领域中有广泛的应用前景。类金刚石碳(简称DLC)是一种具有大量金刚石结构C)C键的碳氢聚合物,可以通过等离子体或离子束技术沉积在物体的表面形成纳米结构的薄膜,具有优秀的生物相溶性,尤其是血液相溶性。资料报道,与其他材料相比,类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低,对白蛋白的吸附增强,血管内膜增生减少,因而类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要的应用价值。 1.2 纳米高分子材料 纳米高分子材料,也称高分子纳米微粒或高分子超微粒,粒径尺度在1nm~1000nm范围。这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能,可用于药物、基因传递和药物控释载体,以及免疫分析、介入性诊疗等方面。 1.3 纳米复合材料 目前,研究和开发无机-无机、有机-无机、有机-有机及生物活性-非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的新途径,并逐步向智能化方向发展,在光、热、磁、力、声[2]等方面具有奇异的特性,因而在组织修
纳米材料在医药方面的应用
纳米材料在医药方面的应用 摘要：本文介绍了什么是纳米材料，纳米材料在生物医学领域的最新应用及研究状况,简要列举了纳米生物材料在医药学应用的最新实例，并对其前景进行了展望。 关键词：纳米材料生物医药最新应用展望 正文：纳米是一个微小的尺度单位，纳米是十亿分之一米（109-），大约是单个原子直径的4倍，通过对在纳米尺度上新现象、新过程的观察，纳米技术为人们提供了许多性能独特的工具、材料、器件和系统]1[。当前纳米技术的研究正快速地从观察和发 现向设计和制造复杂的纳米尺度集合体转变纳米技术研究将是系统的、基于多学科的纳米技术具有巨大的潜能，可望取代现有大多数技术，创造新的工业，并在能源、环境、通信、计算、医药、空间探索、国家安全和基于材料的任何领域中改变基础的科学模型。 我们知道，细胞具有微米(106-m)量级的空间尺度，生物大分子具有纳米量级的空 间尺度。在它们之间的层次是亚细胞结构，具有几十到几百纳米量级的空间尺度。显然在纳米水平上研究生命现象的纳米生物学，它的研究对象就是亚细胞结构和生物大分子体系。由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径即利用纳米微粒进行细胞分离、疾病诊断，利用纳米 微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等]2[。 1、纳米材料在医药、医学领域的应用 目前纳米材料在生物医学领域已经得到广泛的应用，在基础医学、药物学、临床医学和预防医学方面，纳米材料作用的发挥都已不容忽视]3[。纳米材料在生物医学中检测、诊断。药物治疗以及健康预防等方面都取得了很好的发展。 1.1纳米材料在医学检验诊断技术方面的应用 生物医学起源于诊断，没有很好的诊断手段就没有很好的治疗和预防，目前随着科学技术的发展，诊断手段越来越高明、先进，得到了前所未有的发展。纳米材料在检验诊断中主要应用于三个方面：[1]利用纳米材料跟踪生物体内活动，对生物体内元素的积累和排除作出判断。[2]利用纳米颗粒极高的传感灵敏效应对疾病进行早期诊断]4[。利用纳米材料的特性去化验检测试样从而辅助治疗。 在具体应用方面的典型有量子点的荧光效应、磁性纳米材料的磁效应、纳米材料的吸附作用等等。 1.2纳米材料在药物治疗方面的应用 纳米生物材料，具有生物兼容性、可生物降解、药物缓释和药物靶向传递等良好特性已在药物治疗方面取得了很大成功。 药物纳米载体具有高度靶向、药物控制释放、提高难溶药物的溶解率和吸收率优