纳米生物医学材料纳米材料•纳米材料: 在纳米量级(1~100nm)内调控物质结构制成的具有特异性能的新材料•: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大•: 小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应•纳米材料特性取决于指由尺寸小于100nm 的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维材料或以它们作为基本单元构成的三维材料的总称生物体与纳米结构牙齿、骨骼等生物体中最坚硬的部分，其主要组成为各种无机矿物质，如碳酸钙、二氧化硅、羟基磷灰石等。
这种常见的化合物，在我们的建筑上随处可见，其本身的强度和硬度是有限的，原不足以抵抗外界很大压力。
然而，生物体却创造性的使用了有机、无机杂化的方法，并通过微观尺度上的组装，增强了其机械性能，使得这种矿物质能够满足生物体保护自身的作用。
骨结构示意图软体动物贝壳，尤其是珍珠质部分，主要为碳酸钙的最稳定晶型（方解石或文石）的纳米级有序堆叠结构。
这种结构与建筑上常用的砖泥结构类似，以碳酸钙晶体单元为砖，以有机体如蛋白质等为泥，使用层层堆砌的方式构筑。
研究发现，其所以比普通碳酸钙矿物有着更高的强度和硬度，更好地分散外界压力，保护和支撑生物体均与其纳米结构密切相关。
生物体的纳米级有序结构不仅有利于提升机械性能，在光学性能的提高上也显示了强大的攻效。
一种被称为结构色的生物体显色方式被发现是纳米层次上的有序和无序结构相互作用的结果。
生物体还用特殊组装形式来完成对外界光线的感应，如复眼结构——由表面具有无数纳米结构整齐排列的微米级小眼构成，具有优异的超疏水性，很好的防雾能力；由于生物系统的复杂性，搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期，而且解决实际问题需要多学科长时间地密切协作，这是限制仿生学发展速度的主要原因。
甲壳虫能将糖及蛋白质转化为质轻而强度很高的坚硬外壳？蜘蛛吐出的水溶性蛋白质在常温常压下竟变成不溶的丝，而丝的强度比防弹背心还要坚韧？长颈鹿萤火虫乌龟蝴蝶甲虫蝙蝠冷光二元化武器雷达宇航员的失重现象薄壳建筑物迷彩服仿生——模仿生物的某些结构和功能来发明创造各种仪器设备，这就是仿生。
纳米技术制造仿生生物材料——纳米生物材料将有可能满足临床对高性能组织修复、器官替换的迫切需求，提高疾病的现有诊疗方法的效率，开创新的诊疗途径，在人类康复工程中发挥重要作用。
预期在未来30年内，与医学和健康领域相关的纳米技术的研究将影响产值达4800亿美元的生物医药制造业。
纳米生物医学材料的研究既能满足现实的迫切需求，又有着广阔的应用前景和巨大的社会效益。
纳米生物材料科学研究内容研究生物物质的纳米结构与功能，并以某种生物微观结构的特点进行材料设计与制造的学科无机纳米生物材料有机纳米生物材料复合纳米生物材料纳米金：快速免疫诊断细胞染色DNA 检测药物载体纳米银：抗菌材料金属纳米颗粒材料磁性纳米材料磁性铁氧化体——Fe 3O 4超顺磁性——物理导向性用于细胞分离、探针检测靶分子及病原体、靶向药物载体纳米膜材料生物传感器、微孔过滤器、晶体样细菌表层两亲高分子形成类脂质体、树枝状聚合物，用作基因或药物载体常用作组织工程材料纳米生物医学材料研究热点•纳米生物传感器•纳米器官（骨）•纳米技术与疾病诊治生物传感器的结构识别器换能器信号数据处理固定或靠近固体载体且对被测物质（底物）具有高度选择性的生物分子膜识别分子膜上进行的生化反应并转变成光电信号将电信号放大、处理、显示或记录下来SAMs （自组装单分子膜）:制备识别器的重要方法纳米技术和生物传感技术的结合•表面效应、微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应；•灵敏度大幅提高；•缩短检测时间；•实时分析。
按照纳米材料结构1.纳米粒子；2.纳米线；3.纳米微管和多孔纳米结构；4.光纤纳米生物传感器；5.纳米级微加工纳米颗粒在生物传感器中的应用将功能性纳米颗粒（电学性、光学性和磁性）固定在生物大分子（多肽、蛋白和核酸）上，可制成用于生物信号检测、信号转换和放大的传感器，其可分为声波、光学、磁性和电化学传感器等将功能性纳米颗粒（电学性、光学性和磁性）固定在生物大分子（多肽、蛋白和核酸）上•声波生物传感器纳米胶体修饰检测分子引起石英晶体微天平的频率改变的检测原理示意图光共振固定纳米金属颗粒引起反射光的共振加强荧光标记定位肿瘤金纳米颗粒用于通用的荧光湮灭物的示意图Maxwell D., Taylor M .J.,Nie.S.,J.Am.Chem.Soc.,2002,124:9606-9612磁性生物传感器•磁性材料标记生物分子，结合分子识别，可以实现混合样品的分离、检测等复杂操作。
1、磁性材料标记分子，在磁场梯度下实现样品的分离检测；2、用磁性材料标记肿瘤识别因子，可在体外测定磁性纳米颗粒的体内分布和位置，从而给肿瘤定位。
3、利用纳米颗粒的超顺磁性，把固定抗体的磁性颗粒悬浮在溶液中，然后在瞬时磁场脉冲下，磁化纳米颗粒产生，当磁场消失时，颗粒趋向自由分布，因为没有结合抗体的颗粒呈布朗运动，所以没有检测信号，而结合靶分子的纳米颗粒按照Neel松弛方式运动，产生一个缓慢衰减的磁信号。
电化学生物传感器•胶体金是最常用的金属纳米粒子，可以用于生物素的标记，从而实现信号的检测与放大电学效应：使结合纳米金属颗粒的亲和素与修饰生物素的电极作用时，引起电流的响应；高比表面积：纳米粒子具有很高的比表面积，大大增加了固定分子的数量，从而实现信号的放大；活性中心的增加：作为催化剂的载体时可以大大提高催化剂的性能。
如将酶-胶体金固定在电极表面，可用于H 2O 2、葡萄糖、黄嘌呤等的电化学检测，极大提高了检测的灵敏度。
•采用搀硼硅（SiNWs）制作而成的纳米导线，可以提高生物传感器的电化学检测灵敏度。
•通过在DNA表面覆盖纳米金属颗粒的方法，合成导电的DNA链。
该链在具有导电功能的同时，仍然保持选择性结合其他分子的能力。
•在此传感器上装配所有探测的特制DNA序列，通过检测电导率的变化，能够识别DNA 的异常。
纳米微管和多孔纳米结构•单壁碳纳米管（SWNT）和多壁碳纳米管（MWNT）比表面积大；活性位点多；促进生物分子的电子传递作用；增加固定化生物分子的总量和生物活性SWNT表面固定葡萄糖氧化酶，酶的催化活性比普通碳电极高一个数量级碳纳米管(CNTs)生物传感器自从Lijima于1991年发现CNTs以来，CNTs便由于独特的理化性质：如导体和半导体性质，极高的机械强度，良好的吸附能力，较大的比表面积和长径比，较多的催化位点等而备受科学家们的关注，从结构上来说CNTs可以分为单壁碳纳米管（SWNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs）。
SWNTs MWNTs碳纳米管传感器制作1 利用Nafion（一种阳离子交换树脂）修饰玻碳电极(GC)。
2 通过其磺酸基所带的负电荷静电吸附Thi（硫堇，结构类似亚甲蓝，可用作电子媒介体）构成传感器底层。
3 电极外层使用CHIT（壳聚糖，一种生物相容性高分子）混合包埋MWNTs和HRP。
制成以Thi为介体的H2O2传感器。
传感器制作流程图传感器增敏效应的机理原因可以从几方面来考虑：1. HRP 可以有效地吸附在MWNTs 管壁上；2. MWNTs 也可以利用其独特的三维网络结构深入HRP 的活性中心；3. MWNTs 较大的比表面积也可以对H 2O 2起到富集作用；4. MWNTs 对H 2O 2具有催化作用。
增敏效应机理示意图•单晶硅进行电化学腐蚀；•室温下发射可见光；•高比表面积500m2/cm3；•与现有硅加工技术相容。
表面固定寡核苷酸、生物素或抗体等识别分子，检测光干涉和折射率的变化。
光纤纳米生物传感器•体积微小•灵敏度高•不受电磁场干扰，不需要参比器件•插入细胞内部，单细胞在线测量拉制光纤末梢，并包上铝衣或银皮－表面抗体修饰－放在倒置显微镜的微定位系统中,进行细胞穿刺和检测，PMT 记录产生的荧光。
BPT （苯并吡四醇）最低检出限10-21mol单细胞BPT 含量检测的纳米光纤传感器•集成电路制造工艺和方法光刻薄膜生长/沉积离子注入腐蚀和键合•Nano-electromechanical system (NEMS)纳米微悬臂梁阵列生物传感器表面固定具有不同识别性的分子，构成阵列式传感器McKendry R, Zhang J, et al, Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 99: 9783~9788DNA 检测磁力放大悬臂梁生物传感器细胞、蛋白质、毒素和DNA检测灵敏度可达10-18M磁力放大悬臂梁生物传感器的结构示意图•传感器性能严重依赖于纳米材料•重复性有待提高•纳米材料技术和纳米微加工技术•板载电子系统、样品处理和分析的生物芯片多功能、高灵敏、便携式快速生物传感器•多种传感器集成或传感器阵列•天然骨是由无机矿物质与生物大分子规则排列所组成的复合体,可被看成有机/无机纳米复合材料,有机成分主要是胶原和少量的多糖;无机成分则是磷酸钙盐类,主要是纳米级结晶的羟基灰石"天然骨基质中,水分极少,仅占骨湿重9%,羟基磷灰石占69%,胶原则占20%"羟磷灰石晶体都是板型,平均长度和宽度分别为50nm 和25nm,晶体极薄,一般为1.5(矿化腱)~4.0nm(某些成熟骨)。
板状晶体位于胶原纤维的孔隙区域,成同心圆排列。
纳米组织工程材料——骨•自固化磷酸钙骨水泥•药物控释骨水泥•注射型骨水泥•抗水快凝骨水泥•多孔磷酸钙骨水泥•生物活性骨水泥等研究发现几种磷酸钙盐组成的混合物，能在人体的环境和温度下自行硬化，水化硬化过程中基本不放热，其水化成分最终转OH+H3PO4OH+6H3PO4+17H2OPO4OH+2Ca(OH)2•任意塑型•自行固化•生物相容•逐步降解药物控释骨水泥利用磷酸钙骨水泥（CPC）包埋微囊化药物，形成载药磷酸钙骨水泥固化体。
载抗生素：控制和预防感染载抗癌药：抑制骨肿瘤细胞清创不彻底引起的复发•PMMA: 固化速度快，能较好地强化锥体，但生物相容性差，固化过程放热，损伤周围组织，对血管瘤及锥体转移瘤等的应用较为有效•CPC:纤维素或藻酸盐与CPC混合，使之呈糊状，可达到定点注射、原位固化效果。
•作为骨修复体，材料的多孔性是非常重要的，多孔结构可以增加材料的比表面积，有利于和体液的充分接触，加快材料的降解，为细胞的黏附提供更大的表面，有利于血管的向内生长，同时为大量细胞生长，分泌细胞外基质，充分的物质交换提供足够的空间。
多孔磷酸钙骨水泥SEM成骨细胞在多孔磷酸钙骨水泥表面黏附生长•CPC虽然具有“任意塑型、自行固化、生物相容、逐步降解”特性的统一，但也存在着降解偏慢，材料对骨的长入只有传导作用而无诱导作用。
这是由于材料具有引导新骨形成能力，但无诱导成骨活性的缘故。
