纳米生物技术和纳米医学

纳米生物技术在医学中的应用

作者：天天论文网 日期：2015-12-30 10:09:07 点击：1

摘 要： 近年来纳米材料和纳米生物技术在临床治疗及临床诊断方面的应用越来越广泛，纳米药物、纳米医用材料、纳米芯片技术、体外诊断试剂逐渐开发并取得了重要进展。主要从纳米医疗和纳米诊断这两方面对纳米材料和纳米生物技术的现状及其发展前景进行了阐述。

关键词： 纳米生物技术；纳米医疗；纳米药物；纳米诊断

纳米技术是20 世纪80 年代发展起来的一门覆盖面极广、多学科交叉的高新技术。当物质到达纳米尺寸后，其性能就会发生突变，出现特殊性能，如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等。近些年，与生物相关的纳米生物技术发展极为迅速，成为国际生物技术领域的前沿和热点，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，纳米医用材料、纳米生物传感器和成像技术以及微型智能化医疗器械等［1］，将导致诊断和治疗手段的新发展［2］。本文对纳米医疗技术及纳米诊断技术两方面的最新进展进行了总结，对纳米生物技术未来的发展前景做出了展望。

1 纳米医疗纳米技术的研究重点之一就是开发安全有效的药物/ 基因传递载体，研究合理的输送和靶向给药［2］。

目前国际上纳米生物技术在临床上的研究范围涉及纳米药物包括纳米给药系统［3］、纳米生物材料［4］、纳米生物相容性器官等领域。

1.1 纳米药物纳米药物通常是指以合成/ 天然材料为载体，将药物通过各种物理或者化学方法引入的体系，也可以是直接将原料药物加工制成的纳米药物晶体。前者又称为纳米给药体系，是本文关注的重点。根据结构和组成不同，纳米药物可以分为纳米粒、纳米球、纳米囊、纳米脂质体和聚合物胶束等。不同于大部分常规药物，纳米药物的生物活性与载体的化学结构和物理性能密切相关。 一方面，可以通过研发各种化学和工艺方法提高载体的性能以提高纳米药物的疗效；另一方面，利用这一特性，结合纳米尺寸固有表面效应和小尺寸效应，赋予纳米药物许多常规药物不具备的优点。

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纳米技术在生物医学方面的应用

作者：张新阳

来源：《科学与财富》2018年第07期

摘 要：纳米技术具有非常高的科学研究价值，纳米技术定义是在纳米尺寸范围内进行的操作、控制、生产的物质和器件的技术。纳米技术发展至今具有空前的规模，其范围宽，领域广。纳米技术在工业催化、能源储备、生物医学、材料等领域内的产品更新提供了强大的技术支持。本文阐述了纳米技术在生物医学方面的应用，并举出相关例子，在最后对纳米虫这一物种进行了简要阐述。

关键词：DNA纳米技术；磁性纳米粒子；纳米医疗；纳米虫

一、纳米技术在生物方面的应用

（1）DNA纳米技术，DNA作为储存遗传信息的载体，一直以来都是科学家们研究和探寻的课题。在这里不得不提到DNA纳米技术，DNA纳米结构的构造主要通过DNA的自组装。自组装是是指通过弱的和较小方向性的非共价键，把原子、离子连接在一起构成纳米结构，这种方法是自然界组装高复杂度材料的主要方法。利用DNA的碱基互补配对可以制备出独立的纳米小结构，DNA模块自组装包括DNA自组装成独立纳米小结构、基于DNA瓦片的无线自组装。自DNA的模块自组装技术发展以来，涌现出大量独具创意的模块，DNA折纸术的出现为传统的自组装技术带来了新的生机，这其中包括经典的DNA折纸术和新型的DNA折纸术。随着DNA纳米技术的发展，DNA自组装体结构越来越精密，DNA组装体也以其独特的性质在生物医药、复合纳米材料、电子芯片等领域展现着广阔的应用前景，比如DNA纳米结构用于组装纳米粒子和蛋白，同时DNA也是开发多功能型检测和载药工具的良好材料。我们有理由相信，DNA纳米技术的发展将会为人类在DNA芯片、纳米器械、生物医药等方面带来新的光明。

（2）磁性纳米粒子固定化酶技术，酶是具有生物催化功能的高分子物质，具有高效性、专一性、反应条件温和、无污染等优点，在食品加工、药学和医学方面有着很大的应用潜力。在20世纪60年代迅速发展起来的固定化酶技术有效的提高了酶的利用率，近年来，纳米粒子作为酶固定化的新型载体，具有良好的生物相容性、比表面积大、颗粒直径小、较小的扩散限制、较高的载酶量及在溶液中稳定存在等优点。纳米材料的粒径尺寸为纳米级，通常介于1～100nm之间，磁性纳米粒子作为当今最受关注的的一类纳米材料，它不仅具备表面效应 、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应4个基本普通纳米粒子效应，同时还具有特殊的磁学性质：超顺磁性、高矫顽力、低居里温度和高磁化率。磁性纳米粒子一般分为天然磁性纳米粒子和人工合成磁性纳米粒子。它的粒径小、比表面积大、表面能高，为不稳定体系，易发生团聚，通常用有机小分子、有机高分子、无机材料对磁性纳米粒子表面进行修饰，使其功能化，降低其表面能，改善其分散性及稳定性，同时使磁性纳米粒子的磁响应强度、表面活性和生物相容性得到改善和提高。现在磁性纳米粒子在α-淀粉酶配体筛选分离研究、脂肪酶抑制剂龙源期刊网

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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：***

学号：************

2 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

广西民族大学学报(自然科学版)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁JOURNALOFGUANGXIUNIVERSITYFORNATIONALITIES2006年12月(NaturalScienceEdition)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Dec.2006纳米技术引发的医学创新󰀁󰀁󰀁纳米医学*薛如庄,蒋士亮(1.广西民族大学校医院,广西南宁530006;2.广西民族大学物理与电子工程学院,广西南宁530006)摘󰀁要:综述了纳米技术在医学领域引发的创新󰀁󰀁󰀁纳米医学及其在临床诊断、纳米药物、组织移植、纳米医用机器等方面的成果.关键词:纳米技术;纳米医学;纳米药物;基因治疗;医用机器人中图分类号:R319󰀁文献标识码:A文章编号:1007-0311(2006)ZJ01-0114-050󰀁引言纳米技术的基本概念是用单个原子、分子制造和操作物质的技术[1~2],是21世纪高科技前沿技术.纳米技术应用前景广阔,几乎涉及现有科学技术的所有领域,世界各国都把纳米技术列为重点发展项目,投入巨资抢占纳米技术战略高地.根据报道,美国等国家纳米技术的研究热点正由半导体芯片领域转向医学领域,纳米医学技术已列入优先发展计划.多少世纪以来,医学主要依赖药物及外科手术来治疗和修复病变机体.虽然抗生素的临床应用可以干扰和破坏致病菌在体内生长和繁殖,但在大多数情况,机体的痊愈仍需依靠自身免疫功能.外科手术虽然确实能为患者除去有病的组织和重新构建健康的组织,然而即使依靠现代医学最精巧的手术刀,也无法修复毛细血管、细胞和分子水平的缺陷.因此,调整和重新组建人体自身组织细胞的结构和功能,加强自身免疫系统,刺激机体组织的自我修复及再构建的能力,是当代医学的一个重要任务.当前医学家和纳米技术科学家,正在探索开发用于操纵生物分子的纳米技术工具来调节生命和死亡、疾病和健康,这是纳米技术应用于医学领域引发的创新󰀁󰀁󰀁纳米医学.纳米医学内容涉及面广,发展迅速,本文只从疾病诊断、纳米药物、组织移植和纳米医用机器等几个方面作简单介绍.1󰀁临床诊断[1~4]诊断是临床工作第一个重要的环节,是治疗的前提和依据.疾病的诊断往往要对病人做一系列的检体、试验、X线及共他诊断技术的检验并对检验结果进行综合分析才能确诊,时间长,成本高,病人也痛苦.在医学检验学领域,使用纳米技术的新型诊断仪,只需检测少量血液,就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病.20世纪80年代末,国外开始研究纳米超顺磁性氧化铁造影剂.这种纳米超顺磁性氧化铁静脉注射人体内只在肝脏和脾脏被网状内皮细胞吸收,因为肝脏内的网状内皮细胞是由被称作枯否细胞的巨吞噬细114*收稿日期:2006󰀁10󰀁27.作者简介:薛如庄(1946󰀁),女,江西吉安人,广西民族大学校医院副主任医师.胞构成的,它可以吞噬氧化铁颗粒.恶性肿瘤细胞中仅含有极少量的枯否细胞,没有大量吸收氧化铁颗粒的作用.纳米氧化铁造影剂就是利用正常细胞和恶性肿瘤细胞之间这种功能差别,显示出对这些病灶诊断的特异性.纳米氧化铁在正常细胞和肿瘤细胞中数量不同,导致信号强度的差别.正常组织吸收纳米氧化铁表现为黑的低信号,而病灶不吸收纳米氧化铁表现为亮的信号,因而,病灶和正常组织在磁共振图像上就会有较大的对比度.这种造影剂90年代已用于临床,由于工艺复杂,价格昂贵,难以广泛应用.中国医科大学陈丽英教授等进行的超顺磁性氧化铁超微颗粒研究,通过动物实验证明,可发现直径3mm以下的肝肿瘤.这项成果不仅成本低而且操作方便,有广泛的应用价值.若应用于临床,将使肝肿瘤的早期诊断变得容易,每年一度的正常体检便可进行,这对肝肿瘤的早期诊断、早期治疗有着十分重要的意义.采用超微全颗粒制成全溶胶,接上抗原或抗体就能进行免疫学的间接凝集试验,可用于快速诊断.如将全溶胶妊娠试剂加入孕妇尿中,未妊娠呈无色,妊娠则呈显著红色.生物细胞分离是生物细胞学研究中十分重要的技术,在医疗临床诊断中有广阔的应用前景.以往的细胞分离技术主要采用离心法,利用密度梯度原理进行分离,时间长,效果差.20世纪80年代初,国外开始利用纳米微粒进行细胞分离,建立了用纳米SiO2微粒实现细胞分离新技术,美国等先进国家已将这种技术用于临床诊断.例如,在妇女怀孕8星期左右,其血液中就开始出现非常少量胎儿细胞分离出来,方法简便,价格便宜,并能准确判断胎儿细胞是否有遗传缺陷,比以往常常采用的价格昂贵并对人体有害的羊水诊断技术优越得多.美国科学家贝蒂指出,利用纳米微粒进行细胞分离技术,很可能在肿瘤早期血液中检查出癌细胞,实现癌症的早期诊断和治疗.同时他们还在研究用纳米微粒检查血液中的心肌蛋白,以帮助治疗心脏病.纳米细胞分离技术的基本原理和过程是:第一步,先制备尺寸在15~20nm的SiO2纳米微粒,其结构一般为非晶体.再将其表面包覆单分子层.包覆层的选择主要依据所分离的细胞种类而定,一般选取与所要分离的细胞有亲和作用的物质作为附着层.这种SiO2纳米粒子包覆后所形成的复合体的尺寸约为30nm.第二步,制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液,适当控制胶体浓度.第三步,将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中,再经过离心技术,利用密度原理,使所需要的细胞很快分离出来.纳米细胞分离方法的优点是:易形成密度梯度;易实现纳米SiO2粒子与细胞的分离.纳米技术应用于疾病诊断,使临床诊断、检测技术向微型、微观、微量、微创或无创、快速、实时和智能化的方向发展.2󰀁纳米药物[1][3~4]英国科学家预言21世纪人类寿命将活到120岁,还有的科学家说可活到150岁.从国外资料有关生化纳米材料的研究和发展情况看,这些预言不是没有根据的.一方面,应用纳米技术可以早期诊断,获得早期治疗,不至于使疾病由潜在发展为显著,由轻症发展为重症,由单纯病变发展为复杂并发症甚至危及生命.另一方面,用生化纳米材料和纳米技术制成的纳米药物滤去了制剂的有害成分和产生的污染,从而保护了人体;纳米粒子尺寸一般比生物体内细胞、红血球小得多,用纳米微粒制成的药物可以直接注射到病灶部位或在外加磁场下通过纳米微粒的磁性导航移向病变部位,达到定向治疗目的;纳米药物还具有缓释、控释作用,可以实现口服、静脉注射、敷贴等多种给药途径,能穿过组织间隙并被细胞吸收,可以通过毛细血管、血脑屏障,从而极大提高医疗效果、减少副作用.因此,在生化纳米时代,改变遗传因子,延长人类寿命是可能的.2.1󰀁纳米抗菌药纳米Ag+、ZnO、TiO2、和C-18󰀁粒子因其内部有特殊的结构而带有不饱和的负电荷,因而具有强烈的阳离子交换能力,对病菌、细菌有很强的吸附固定作用,从而起到抗菌作用,是良好的纳米抗菌材料.我国安信纳米生物科技(深圳)有限公司开发生产的󰀁广谱速效纳米抗菌颗粒󰀁,是目前国际上最安全的抗菌、杀菌剂,剂量最小、功效最高.这种直径只有25nm的棕色纳米抗菌微粒,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物均有强烈的抑制和杀灭作用,同时还具有广谱、亲水、环保无耐药性和无毒等多重性能,是最理想的全天然杀菌材料.该产品开发成功,标志着我国纳米材料在医学领域的应用达到世界先进水平.2.2󰀁纳米抗癌药武汉理工大学李世普教授研究发现,某些纳米材料可杀死癌细胞,有效地抑制肿瘤生长,而对正常细115增刊󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀂薛如庄,蒋士亮/纳米技术引发的医学创新󰀁󰀁󰀁纳米医学胞组织丝毫无损.1993年李世普教授发现纳米羟基磷灰石是对付癌细胞的有效武器,并用于癌症治疗.北京医科大学等权威机构做的细胞生物试验表明,这种纳米粒子可以杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种癌细胞,而对正常细胞丝毫无损伤.李世普教授这一研究成果引起了国际关注.纳米材料要具备杀死癌细胞、不损伤正常细胞的奇效必须具备两个条件:一是纳米粒子具有20~100nm之间超微尺度;二是纳米粒子要呈󰀁均匀分布󰀁.SharmaP等人用聚乙烯吡咯烷酮包覆紫松醇制得纳米粒子抗癌药物,以荷瘤小鼠进行实验,其疗效较同浓度游离紫松醇明显增加.2.3󰀁智能󰀁󰀁󰀁靶向药物在超临界高压下,细胞会󰀁变软󰀁,纳米生化材料微小易渗透,使药学家能改变细胞基因设计开发出基因药物.最近德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹,在水中溶解后注入肿瘤部位,使癌细胞部位完全被磁场封闭,充电加热温度达47󰀁,慢慢杀死癌细胞,而肿瘤附近的机体组织中不存在磁性微粒,因此温度不会升高,也不会受到伤害.美国密西根大学的JamesR.Baker博士正在研制一种仅有20nm的微行󰀁智能炸弹󰀁,能够通过识别癌细胞的化学特征攻击癌细胞,甚至可以钻入单个癌细胞内将它炸毁.科学家正在模仿健康人体内的葡萄糖检测系统研制一种智能药物,它能够被植入皮下,监测血糖水平,在必要时释放出胰岛素,使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处在正常状态.美国麻省理工学院(MIT)的RobertLanger等人设计、推出了一个微型药房:一种具有上千细微药囊的微型芯片,每个药囊可容纳25nl的任何药物(如止痛剂和抗生素等).目前这个芯片的大小还相当于一个10美分的硬币,准备把它做得更小,并安上一个󰀁智能化󰀁的传感器,使它可以适时适量地释放药物.2.4󰀁纳米中药华中科技大学徐碧华教授提出了纳米中药的科学概念,并作为研究中药的一种新思路.纳米中药是指运用纳米技术制造的、微粒小于100nm的中药有效成分、有效部分、原药及其复方制剂.用亲脂型二元纳米协同界面包覆的中药成分,将使人类健康的头号威胁󰀁󰀁󰀁心脑血管疾病得到更加有效的治疗,并使中药走向世界.因为这样的纳米中药将具有普通中药数万倍的物理活性(治疗效果),可以畅通无阻地到达脂肪堆积而造成的血管栓塞和组织病变部位,并因亲和而与脂肪溶和,同时释放出治疗的有效成分,从而使药物的耙向性提高数百万倍.世界上首项将纳米技术应用于中草药加工领域的纳米级中药胶囊生产技术,已在西方国家高新技术产业开发区诞生,并通过产品技术鉴定,其中甘草微胶囊微粒平均粒径19nm.2.5󰀁保健品上海中医研究所与滨海县首乌制品有限公司的科研人员,将纳米技术引入首乌加工工艺中,成功研制出一种冲泡简便、营养丰富的多元素󰀁速溶󰀁首乌粉,检测表明是一种药用价值较高的保健补品,目前已成批销往香港、台湾及内地市场.国内还开发出超微粒灵芝孢子粉.巴西研究人员开发出一种可以装在脚上来增强脚力的轻型纳米材料驱动装置,可以用来辅助高龄者步行及保健等,将来也期望运用在运动选手的训练及娱乐器材上.纳米智能药物的出现,使临床医疗向微量、功能性和智能化发展.3󰀁生物组织移植[1~3]应用纳米技术操纵生物分子,在分子层次和水平上调节生命和死亡、疾病和健康,是纳米医学主要特征和任务.当前在基因治疗和细胞移植等方面已取得了激动人心的成果.3.1󰀁基因治疗科学家们设想,如果能像工人用工具去修理汽车上的引擎那样用微小的工具去修理细胞,就能修复异常基因而治疗这样的疾病.实现这个目标的关键,一是制造比DNA生物分子还小的微型工具,二是这种微小工具必须安全有效而不触发人体免疫反应.美国密西根大学医学院免疫学家Baker和他的同事,在20年前研制出一种称为󰀁树状聚合体󰀁的合成分子(dendrimers),可以在nm尺度下被加工处理,它可以嵌入DNA,并能绕过免疫防御系统的监控而通过免疫屏障进入患者靶细胞.树状聚合体是由众多的纳米单体一步步构成的,表面可被制造成一个致密的分子层,这层分子可作为钩子,去钩住一些有用的分子,在它内部也可以携带一些分子,这些特性使得树状聚合体变成一个非常有用的输送体,可以悄悄的运输DNA进入宿主的靶细胞.将装载了DNA的树状聚合体注入人体组织,由于树状聚合体的大小恰好可以诱发细胞膜的正常内吞噬作用,从而细胞变形使DNA树状聚合体的复合116广西民族大学学报(自然科学版)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2006年12月󰀁增刊