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1、第六章纳米生物材料第1页，此课件共36页哦6.1 纳米材料的概述纳米材料的概述v纳米技术简介纳米技术简介v纳米技术在世界各国的情况纳米技术在世界各国的情况v纳米技术在当代中国的发展纳米技术在当代中国的发展第2页，此课件共36页哦6.1.1 纳纳米及米及纳纳米技米技术术v1纳纳米米（Nanometre，nm）=1毫微米，即十毫微米，即十亿亿分之分之一米（一米（10-9米），相当于米），相当于4个原子的直径或个原子的直径或细细胞内胞内DNA双螺旋双螺旋结结构的半径。构的半径。v所所谓谓纳纳米技米技术术，是指在，是指在0.1-100纳纳米的尺度里，研究米的尺度里，研究电电子、原子和分子运子、原子和分
2、子运动规动规律和特性以及律和特性以及对对物物质质和材料和材料进进行行处处理的技理的技术术被称被称为为纳纳米技米技术术。v纳纳米生物医用材料米生物医用材料是指用于是指用于对对生物医用材料生物医用材料进进行行诊诊断、断、治治疗疗、修复或替代其病、修复或替代其病损组织损组织、器官或增、器官或增进进其功能的新其功能的新型高科技型高科技纳纳米材料。米材料。v纳纳米尺度的米尺度的生物大分子生物大分子能能导电导电、纳纳米微粒的抗菌作用米微粒的抗菌作用等只有在等只有在纳纳米米级时级时才可才可显现显现出来。出来。第3页，此课件共36页哦6.1.2 6.1.2 国外纳米技术进展国外纳米技术进展v朗讯公司和牛津大学
3、朗讯公司和牛津大学:纳米镊子纳米镊子v碳纳米管碳纳米管“秤秤”，称量一个病毒的重量，称量一个病毒的重量v称量单个原子重量的称量单个原子重量的“纳米秤纳米秤”第4页，此课件共36页哦6.1.3 6.1.3 国外纳米技术进展国外纳米技术进展v1990年，IBM公司用原子排出“IBM”镍基底上用35个氙原子排列成英文IBMv纳米存贮器及DNA开关第5页，此课件共36页哦6.1.4 6.1.4 纳米技术在当代中国的发展纳米技术在当代中国的发展v1993年，中科院操纵原子写字v国家纳米科技发展纲要（2001-2010）和国家纳米科技发展指南框架 第6页，此课件共36页哦6.1.5 6.1.5 纳米材料的
4、基本效应纳米材料的基本效应界面效界面效应应尺寸效尺寸效应应量子效量子效应应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 第7页，此课件共36页哦四大特点四大特点:尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。比例大。四四个个方面方面应应用用:(1).(1).纳纳米米电电子子学学:拥有崭新拥有崭新功能的功能的电子仪器电子仪器，有有高速度高速度及低能量消耗的及低能量消耗的优点优点;(2).(2).纳米纳米材料科材料科学学(3).(3).纳纳米生物米生物学学:包括去氧核糖核酸包括去氧核糖核酸(DNA)(DNA)和核糖核酸和核糖核酸(RNA)(RNA)的基因的基因图谱图谱(4
5、).(4).纳纳米米医学医学:发明发明、设计设计及生及生产纳产纳米米级级的新的新药物药物。6.1.6 6.1.6 特点及应用特点及应用第8页，此课件共36页哦6.2 纳米材料在生物医学上的应用1.纳米载体纳米载体2.纳米生物器件纳米生物器件3.纳米生物组织工程纳米生物组织工程4.纳米医药纳米医药纳米聚酯纳米聚酯第9页，此课件共36页哦纳米载体1.纳米药物载体纳米药物载体2.纳米基因载体纳米基因载体第10页，此课件共36页哦 纳米药物载体纳米药物载体 简介：在医药领域，纳米级粒子使药物在人体内的传输更为方便，纳米级粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。例：德国一家医
6、院的研究人员将一些极其细小的氧化铁纳米颗粒，注入患者的肿瘤里，然后将患者置于可变的磁场中，使患者肿瘤里的氧化铁纳米颗粒升温到4547度，这个温度足以烧毁肿瘤细胞，而周围健康组织不会受到伤害。第11页，此课件共36页哦理想的纳米药物载体应具备以下性质：理想的纳米药物载体应具备以下性质：a.具有较高的载药量；b.具有较高的包封率；c.有适宜的制备及提纯方法；d.载体材料可生物降解，毒性较低或没有毒性；e.具有适当的粒径与粒形；f.具有较长的体内循环时间。第12页，此课件共36页哦第13页，此课件共36页哦纳米药物载体分类纳米药物载体分类1 1 普通载药纳米微粒普通载药纳米微粒 v这种剂型的出现背景
7、是基于将一些药物通过这种剂型的出现背景是基于将一些药物通过药剂学和纳药剂学和纳米技术的高度结合米技术的高度结合，使原本因理化性质不稳定而降解破，使原本因理化性质不稳定而降解破坏或因不良反应较大而影响其使用的药物经特殊的方坏或因不良反应较大而影响其使用的药物经特殊的方法高度分散于药物载体中，制成载药纳米微粒，用液法高度分散于药物载体中，制成载药纳米微粒，用液体载体的流动形式给药，从而避免了所提到的缺点。体载体的流动形式给药，从而避免了所提到的缺点。第14页，此课件共36页哦2 控释载药纳米微粒控释载药纳米微粒 v纳米控释系统包括纳米粒子和纳米胶囊，它们是粒子在纳米控释系统包括纳米粒子和纳米胶囊，
8、它们是粒子在10一一500nm间的固体胶态粒子。它与以往的控释制剂不间的固体胶态粒子。它与以往的控释制剂不同，载药纳米微粒的控释过程具有其特定的规定，囊壁溶同，载药纳米微粒的控释过程具有其特定的规定，囊壁溶解和微生物的作用，均可使囊心物质向外扩散。将药物制解和微生物的作用，均可使囊心物质向外扩散。将药物制成纳米制剂后，不但达到缓控释效果，而且改变其药物动成纳米制剂后，不但达到缓控释效果，而且改变其药物动力学的特性，使一些免疫系统的慢性病能得到更好的治疗。力学的特性，使一些免疫系统的慢性病能得到更好的治疗。第15页，此课件共36页哦3 靶向定位载药纳米微粒 v靶向药物能完成从靶器官、靶细胞到最为
9、先进的细胞内靶向药物能完成从靶器官、靶细胞到最为先进的细胞内结构的三级靶向治疗，从而达到病灶部位缓慢释放药物，结构的三级靶向治疗，从而达到病灶部位缓慢释放药物，维持长期局部有效的药物浓度。此类微粒是根据临床需维持长期局部有效的药物浓度。此类微粒是根据临床需要，通过选用对机体各种组织或病变部位亲和力不同的要，通过选用对机体各种组织或病变部位亲和力不同的载体制作载药微粒或将单克隆抗体与载体结合，以使药载体制作载药微粒或将单克隆抗体与载体结合，以使药物能够输送到治疗期望达到的特定部位，因而称之为靶物能够输送到治疗期望达到的特定部位，因而称之为靶向定位给药。向定位给药。第16页，此课件共36页哦4 载
10、药磁性纳米微粒（物理靶向物理靶向）v 载药磁性微粒是在微囊基础上发展起来的新型药载药磁性微粒是在微囊基础上发展起来的新型药物运载系统。这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒物运载系统。这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子作为药物载体静脉注射到动物体子作为药物载体静脉注射到动物体(小鼠、白兔小鼠、白兔)内内后，在外加磁场下，通过纳米微粒的磁性导航，使后，在外加磁场下，通过纳米微粒的磁性导航，使药物移向病变部位，达到定向治疗的目的。国内有药物移向病变部位，达到定向治疗的目的。国内有实验研究出阿霉素免疫磁性造微粒，在进行了免疫实验研究出阿霉素免疫磁性造微粒，在进行了免疫活性检测和体外抑瘤实验后证实其具有抗体
11、导向功活性检测和体外抑瘤实验后证实其具有抗体导向功能，并具有较高的磁响应性，具有较强的靶向定位能，并具有较高的磁响应性，具有较强的靶向定位功能，为靶向治疗肿瘤奠定了结实的基础。功能，为靶向治疗肿瘤奠定了结实的基础。第17页，此课件共36页哦（一）纳米药（一）纳米药 靶向给药：靶向给药：l 口服给药要受到两种首过效应的影响，即胃肠道上皮细胞中酶口服给药要受到两种首过效应的影响，即胃肠道上皮细胞中酶系的降解、代谢及肝中各酶系的生物代谢。许多药物很大一部分系的降解、代谢及肝中各酶系的生物代谢。许多药物很大一部分因首过效应而代谢失效。因首过效应而代谢失效。l 注射途径的非靶向药物可均匀分布在全身循环中
12、，在到达病灶之注射途径的非靶向药物可均匀分布在全身循环中，在到达病灶之前，要经过同蛋白结合、排泄、代谢、分解等步骤，只有少量药物才前，要经过同蛋白结合、排泄、代谢、分解等步骤，只有少量药物才能达到病灶。能达到病灶。l 靶向给药目的就是提高靶区的药物浓度，从而提高药物的利用靶向给药目的就是提高靶区的药物浓度，从而提高药物的利用率和疗效，并降低药物的副作用。纳米药物载体有效的解决了上率和疗效，并降低药物的副作用。纳米药物载体有效的解决了上述问题。述问题。纳米药物载体的应用：纳米药物载体的应用：第18页，此课件共36页哦优势：难溶性药物的溶解与比表面积有关，粒子小，比优势：难溶性药物的溶解与比表面积
13、有关，粒子小，比表面积大，溶解性能就好，利用率高，疗效也好。表面积大，溶解性能就好，利用率高，疗效也好。纳米粒在尺度上下降纳米粒在尺度上下降3 3个数量级，它的表面积就提高个数量级，它的表面积就提高6 6个数量级，个数量级，6 6个数量级就是一百万倍，也就是说其个数量级就是一百万倍，也就是说其疗效就会提高一百万倍。疗效就会提高一百万倍。20012001年，世界上首项将纳米技术应用于中草药加工领域的年，世界上首项将纳米技术应用于中草药加工领域的纳米中药微胶囊生产技术，在西安国家高新技术产业开发纳米中药微胶囊生产技术，在西安国家高新技术产业开发区诞生并通过了产品技术鉴定。区诞生并通过了产品技术鉴定
14、。第19页，此课件共36页哦（二）纳米磁性颗粒（二）纳米磁性颗粒 肿瘤比正常组织更容易被加热，当加热到肿瘤比正常组织更容易被加热，当加热到4343时，癌细时，癌细胞被杀死而正常细胞则不会受到损害。因而高温是一种胞被杀死而正常细胞则不会受到损害。因而高温是一种副作用小而治疗效果好的方法。副作用小而治疗效果好的方法。当在肿瘤周围植人铁磁性材料并加上交替磁场后，就可当在肿瘤周围植人铁磁性材料并加上交替磁场后，就可通过磁滞的损失达到加热肿瘤的目的。通过磁滞的损失达到加热肿瘤的目的。顺磁性的纳米铁氧体颗粒在外加磁场的作用下顺磁性的纳米铁氧体颗粒在外加磁场的作用下 温温度上升到度上升到4545，可达到杀死
15、肿瘤的目的。，可达到杀死肿瘤的目的。第20页，此课件共36页哦纳米基因载体纳米基因载体vv1.1.纳米微粒的基因治疗作用纳米微粒的基因治疗作用v一些特殊的纳米粒子可以进入细胞内结构达到基因治一些特殊的纳米粒子可以进入细胞内结构达到基因治疗目的。如：国外有人利用纳米技术可使疗目的。如：国外有人利用纳米技术可使DNADNA通过主通过主动靶向作用定位于细胞。将质子动靶向作用定位于细胞。将质子DNADNA浓缩至浓缩至50200nm50200nm大小且带上负电荷，有助于其对细胞核的有效入侵，大小且带上负电荷，有助于其对细胞核的有效入侵，而最后反粒而最后反粒DNADNA插入细胞核插入细胞核DNADNA的准
16、确点则取决于纳米的准确点则取决于纳米粒子的大小和结构。还有人研究了一种树突状物的多粒子的大小和结构。还有人研究了一种树突状物的多聚物，由于它有着精确的纳米结构和表面与内部都可聚物，由于它有着精确的纳米结构和表面与内部都可以携带分子的特性使之成为一个很好的以携带分子的特性使之成为一个很好的DNADNA导入细胞导入细胞的载体。的载体。第21页，此课件共36页哦纳米生物器件一、纳米机器人一、纳米机器人)的研制的研制 纳米机器人是纳米生物学中最具诱感力的内容。v动脉粥样硬化的治疗 机器人能够从动脉壁上清除粥样沉积物。这不仅会提高动脉壁的弹性,还会使通过动脉的血液流动状况得到改善。第22页，此课件共36
17、页哦在血管中运动的纳米机器人，它正在使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物第23页，此课件共36页哦纳米机器人在清理血管中的有害堆积物-中国科学院合肥研究院 的研究中国科学院沈阳自中国科学院沈阳自动化所研制动化所研制研制的研制的纳米微操作机器人纳米微操作机器人在1010微米的基片上刻出的字样 第24页，此课件共36页哦肾结石、胆结石的治疗肾结石、胆结石的治疗 将纳米机器人以插入导管将纳米机器人以插入导管将纳米机器人以插入导管将纳米机器人以插入导管的方式引入到尿道或胆道里内的方式引入到尿道或胆道里内的方式引入到尿道或胆道里内的方式引入到尿道或胆道里内,直接到达结石所在的部位直接到达结石所
18、在的部位直接到达结石所在的部位直接到达结石所在的部位,并并并并且直接把结石击碎。且直接把结石击碎。且直接把结石击碎。且直接把结石击碎。第25页，此课件共36页哦2.纳米生物传感器u检查体内疾病 重庆科研人员开发的“OMOM胶囊内镜系统”估计三年内可以上市。该医生长得 像一颗胶囊，把它吞进肚里，消化道内的情景就可以像放电影一样在电脑屏幕上一 目了然 第26页，此课件共36页哦纳米生物芯片1.基因芯片2.蛋白质芯片第27页，此课件共36页哦基因芯片v基因芯片基因芯片(gene chip)的原型是的原型是80年代中期提出的。年代中期提出的。基因芯片的测序原理是杂交测序方法，即通过与一基因芯片的测序原
19、理是杂交测序方法，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法，可以用图法，可以用图11-5-1来说明。在一块基片表面固定来说明。在一块基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针。当溶液中带有荧光了序列已知的八核苷酸的探针。当溶液中带有荧光标记的核酸序列标记的核酸序列TATGCAATCTAG，与基因芯片上，与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列。据此可重组出靶核酸的序列。探针序列。据此可
20、重组出靶核酸的序列。第28页，此课件共36页哦基因芯片的测序原理图 第29页，此课件共36页哦生物芯片的应用v在实际应用方面，生物芯片技术可广泛应在实际应用方面，生物芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物筛选、农作物的用于疾病诊断和治疗、药物筛选、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防、航天等许多领域。它将为人类检测、国防、航天等许多领域。它将为人类认识生命的起源、遗传、发育与进化、为人认识生命的起源、遗传、发育与进化、为人类疾病的诊断、治疗和防治开辟全新的途径类疾病的诊断、治疗和防治开辟全新的途径，为生物大分子的全新设计和药物开发中先
21、，为生物大分子的全新设计和药物开发中先导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提供技术支撑平台。供技术支撑平台。第30页，此课件共36页哦蛋白质芯片v蛋白质芯片是一种高通量的蛋白功能分析技术，可用于蛋白蛋白质芯片是一种高通量的蛋白功能分析技术，可用于蛋白质表达谱分析，研究蛋白质与蛋白质的相互作用，甚至质表达谱分析，研究蛋白质与蛋白质的相互作用，甚至DNA蛋白质、蛋白质、RNA蛋白质的相互作用，筛选药物作用的蛋白蛋白质的相互作用，筛选药物作用的蛋白靶点等靶点等 第31页，此课件共36页哦未来发展方向未来发展方向v（1）建立快速、廉价、高通量的蛋白质表达和纯化方法
22、，）建立快速、廉价、高通量的蛋白质表达和纯化方法，高通量制备抗体并定义每种抗体的亲和特异性；第一代蛋白高通量制备抗体并定义每种抗体的亲和特异性；第一代蛋白检测芯片将主要依赖于抗体和其他大分子，显然，用这些材检测芯片将主要依赖于抗体和其他大分子，显然，用这些材料制备复杂的芯片，尤其是规模生产会存在很多实际问题，料制备复杂的芯片，尤其是规模生产会存在很多实际问题，理想的解决办法是采用化学合成的方法大规模制备抗体。理想的解决办法是采用化学合成的方法大规模制备抗体。v(2)改进基质材料的表面处理技术以减少蛋白质的非特异改进基质材料的表面处理技术以减少蛋白质的非特异性结合。性结合。v(3)提高芯片制作的
23、点阵速度；提供合适的温度和湿度以保持提高芯片制作的点阵速度；提供合适的温度和湿度以保持芯片表面蛋白质的稳定性及生物活性。芯片表面蛋白质的稳定性及生物活性。v(4)研究通用的高灵敏度、高分辨率检测方法，实现成像与研究通用的高灵敏度、高分辨率检测方法，实现成像与数据分析一体化。数据分析一体化。第32页，此课件共36页哦纳米中药v纳米中药是指运用纳米技术制造的粒径小于纳米中药是指运用纳米技术制造的粒径小于100nm的的中药有效成分、有效部位。当物质的颗粒小到中药有效成分、有效部位。当物质的颗粒小到1100nm时，由于其量子效应、物质的局域性、巨大时，由于其量子效应、物质的局域性、巨大的表面及界面效应
24、，会使物质的很多性能发生质变，的表面及界面效应，会使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象。子的奇异现象。药物的物理活性、靶向性比普通中药药物的物理活性、靶向性比普通中药大大提高。大大提高。第33页，此课件共36页哦v特点：特点：v 原药及其复方制剂。在初步的筛选试验中，对某些矿原药及其复方制剂。在初步的筛选试验中，对某些矿物药进行纳米化处理，再进行药效学验研究，结果表物药进行纳米化处理，再进行药效学验研究，结果表明，药物经纳米化处理后出现了某些新的药效学特性。明，药物经纳米化处理后出现了某些新的药效学特
25、性。因此，纳米中药与微米中药相比，最大的特点是能改因此，纳米中药与微米中药相比，最大的特点是能改变中药的药学特性，这对于采用高新技术提升传统中变中药的药学特性，这对于采用高新技术提升传统中药的质量和水平以及研制开发具有新药效的中药制剂药的质量和水平以及研制开发具有新药效的中药制剂具有重要的意义。具有重要的意义。第34页，此课件共36页哦纳米中药面临的问题纳米中药面临的问题v但是，到目前为止，纳米中药从理论走向实际，还但是，到目前为止，纳米中药从理论走向实际，还有许多问题需要进一步解决。首先，要考虑中药纳有许多问题需要进一步解决。首先，要考虑中药纳米化的必要性及其适用范围。米化的必要性及其适用范
26、围。v其次，要考虑纳米中药制备的可行性问题。目前，纳其次，要考虑纳米中药制备的可行性问题。目前，纳米中药的概念虽广为流传，但关于其制备方法却很少米中药的概念虽广为流传，但关于其制备方法却很少有报道。对矿物类中药进行纳米化处理技术上不存在有报道。对矿物类中药进行纳米化处理技术上不存在大问题，常规制备纳米材料的物理、化学方法都可以大问题，常规制备纳米材料的物理、化学方法都可以采用，但对于中药中大量使用的植物类或动物类中药采用，但对于中药中大量使用的植物类或动物类中药材来说可能就有困难了。材来说可能就有困难了。第35页，此课件共36页哦纳米组织工程材料 纳米陶瓷材料、纳米复合材料、纳米碳材料、纳米抗菌材料及创伤敷料、纳米生物活性材料等。制备纳米晶羟基磷灰石或胶原复合的生物硬组织修复材料，复合材料具有纳米级别的天然骨分级结构和天然骨的多孔结构第36页，此课件共36页哦