常用的纳米生物材料

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

1 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/ 2 血红蛋白纳米胶束或胶囊的尺寸满足实际要求；在化学键合和胶束化、胶囊化的过程中血红蛋白不变性，血红素结构和功能不受干扰。

纳米材料在日常生活中的应用

纳米材料是一种非常小型的材料，其尺寸约为1到100纳米。由于其小尺寸特性，纳米材料在许多领域中都有广泛的应用，包括电子学、生物医药学、化学、能源学和材料学等。近年来，纳米材料在日常生活中的应用也越来越多，下面就来介绍一些。

1. 纳米银材料在消毒领域的应用

银是一种广泛用于清洗和消毒的材料，而纳米银材料的消毒效果更加突出。由于纳米银材料的粒径非常小，其表面积比普通银材料大几百倍。这意味着更多的银原子可以与环境中的细菌和病毒接触，从而杀死它们。纳米银材料可以应用于医院、食品工业、以及个人卫生用品等场合中。

2. 纳米材料在防晒霜中的应用

纳米二氧化钛是一种常用的防晒剂成分，因为它能够吸收紫外线，并转化为热能。纳米二氧化钛具有非常小的颗粒大小，这意味着它能够均匀分散在防晒霜中，并能够对肌肤进行更好的覆盖和保护作用。此外，纳米二氧化钛对于皮肤的刺激比某些化学防晒剂更小，从而使其更适合于敏感肌肤人群使用。

3. 纳米材料在涂料中的应用

纳米材料已经开始在涂料中得到广泛应用，因为它们有许多有益的性质，如防水、防污、自清洁等。在一些城市中，建筑物外面已经涂上了这种涂料，并表现出了长久不褪色、自清洁的效果。同样的，汽车和飞机也在使用这种涂层，这样可以帮助它们减少污垢堆积和氧化。

4. 纳米材料在催化剂领域的应用

一些纳米材料具有催化性能，如纳米白金和纳米铜等。这些材料广泛用于化学工业、石油和天然气生产、以及汽车排放处理等领域。由于纳米材料的高比表面积，使得它们与废气接触的面积更大，从而提高了催化反应的效率，使得催化剂处理工作更加高效。

5. 纳米材料在生物医药学领域的应用

纳米材料也被广泛应用于生物医学。纳米药物可以通过皮肤、肌肉和静脉注射等方式进入人体，从而舒缓或治疗各种疾病。纳米材料的小尺寸使得它们可以反应更多的生物分子，如细胞、酶和受体等。这意味着纳米药物可以更好地针对特定类型的细胞和分子结构，从而提高了治疗效果和无副作用的程度。

暑

假

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论

文

题 目: 纳米材料及其应用

学 院 软件与通信工程学院

学生姓名 XXX 学 号 XXXX

专 业 电子科学与技术 届 别 2011届

指导教师 白耀辉博士 李刚博士 尧文元博士

二O一一 年 七 月

纳米材料及其应用

内容摘要

1.纳米材料定义

2.国内外研究进展

3.应用领域及原理

应用领域

◇纳米技术在陶瓷领域方面的应用

◇纳米技术在微电子学上的应用

◇纳米技术在生物工程上的应用

应用原理

◇量子尺寸效应

◇小尺寸效应

◇纳米材料的热学特性

◇纳米材料的磁学特性

◇纳米材料的光学特性

4.制备方法

◇激光诱导化学气相沉积法

◇低温等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）

◇液相法制备纳米材料

一． 纳米材料定义

纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100~102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。

从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。

在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷，和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100 nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3 nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。

纳米材料的分类

纳米材料是指具有结构尺寸在1-100 nm范围内的材料，它们具有表面积极大、比表面强度高、力学性能优越、电子特性可调等特点，使其在生物医学、光电子器件、环境保护、能源储存等领域具有巨大的应用前景。

纳米材料可以分为两大类：一类是合成材料，包括金属纳米粒子、半导体纳米粒子和复合材料等；另一类是自然材料，主要包括矿物质纳米粒子、生物分子纳米粒子和天然复合材料等。

1. 金属纳米粒子

金属纳米粒子是纳米材料中最常见的材料，包括金属、金属氧化物和金属氮化物等，具有独特的电磁、光学、力学和化学特性，可用于微电子器件、光学元件、磁性记忆介质、生物传感器、环境污染治理和生物医学研究等领域。

2. 半导体纳米粒子

半导体纳米粒子是指由半导体材料制成，尺寸在几纳米到几十纳米之间的微粒，具有独特的电子、光学和热学性质，广泛应用于太阳能电池、光电敏开关、显示器件、信息记录器件和生物传感器等领域。

3. 复合纳米材料 复合纳米材料是将有机材料和无机材料联合制备而成的新型材料，结构复杂，表面附着有机分子，使其具有表面活性、抗氧化性、生物相容性等优异性能，可用于生物医学、环境保护、能源储存等领域。

4. 矿物纳米粒子

矿物纳米粒子是指以矿物结构为基础，尺寸在1-100

nm范围内的粒子，具有优异的力学性能、良好的耐腐蚀性和抗氧化性，广泛应用于环境保护、材料改性、催化剂制备等领域。

5. 生物分子纳米粒子

生物分子纳米粒子是指以生物分子为基础，尺寸在1-100 nm范围内的粒子，具有生物相容性、生物活性等优异性能，可用于生物传感器、药物载体、疫苗制备等领域。

6. 天然复合纳米材料

天然复合纳米材料是指以天然物质为主，经过精细处理而制成的复合材料，具有生物相容性、耐腐蚀性、抗氧化性等优异性能，可用于生物医学、环境保护、能源储存等领域。

综上所述，纳米材料可分为合成材料和自然材料，合成材料又可分为金属纳米粒子、半导体纳米粒子和复合材料，自然材料又可分为矿物质纳米粒子、生物分子纳米粒子和天然复合材料等。纳米材料具有表面积大、比表面强度高、力学性能优越、电子特性可调等特点，可用于微电子器件、光学元件、磁性记忆介质、生物传感器、环境污染治理和生物医学研究等领域。