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1、 纳米生物材料纳米生物材料1一，纳米材料的概述v纳米技术简介v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21.1 纳米及纳米技术纳米及纳米技术v1 1纳米纳米(nm):1(nm):1毫米毫米(mm)(mm)的百万分之一的百万分之一 1 nm=10 1 nm=10-6-6 mm=10mm=10-9-9m(=10)m(=10)大约等于十个氢原大约等于十个氢原子并列一直线的长度。子并列一直线的长度。v人类头发的直径大约有人类头发的直径大约有6万万至至8万纳万纳米。米。341.1 纳米及纳米技术纳米及纳米技术v所谓纳米技术，是指在0.1100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子运动规律和特性以及
2、对物质和材料进行处理的技术被称为纳米技术。v纳米生物医用材料是指用于对生物医用材料进行诊断、治疗、修复或替代其病损组织、器官或增进其功能的新型高科技纳米材料。5纳米技术在世界各国的情况纳米技术在世界各国的情况v1981年科学家发明研究纳米的重要工具年科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，原子、分子世界从此扫描隧道显微镜，原子、分子世界从此可见。可见。v1990年首届国际纳米科技会议在美国巴尔年首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，纳米技术形式诞生。的摩举办，纳米技术形式诞生。v1991年碳纳米管被人类发现，它的质量是年碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的相同
3、体积钢的六分之一，强度却是铁的10倍，倍，成为纳米技术研究的热点。成为纳米技术研究的热点。62.1 2.1 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:纳米镊子v碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量v称量单个原子重量的“纳米秤”72.1 2.1 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8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 91.2 1.2 纳米材料的基本效应纳米材料的基本效应
4、1.1.界面效应界面效应2.2.尺寸效应尺寸效应3.3.量子效应量子效应 费费米米能能级级附附件件的的电电子子能能级级由由准准连连续续变变为为离离散散能级的现象能级的现象101.界面效应界面效应v 纳纳米米材材料料由由于于大大量量的的原原子子存存在在于于晶晶界界和和局局部部的的原原子子结结构构不不同同于于大大块块晶晶体体材材料料，使使纳纳米米材材料料的的自由能增加，纳米材料处于不稳定状态。自由能增加，纳米材料处于不稳定状态。1.表面效应表面效应 是指微粉的粒径越小，其总表面积是指微粉的粒径越小，其总表面积越大；表面原子数与总原子数之比随粒径变小而越大；表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增
5、大。如当粒径为急剧增大。如当粒径为10 nm(总原子数为总原子数为3104)时，表面原子数总原子数时，表面原子数总原子数=0.20；而当；而当粒度减小到粒度减小到l nm(总原子数为总原子数为30)时，这一比值急时，这一比值急剧上升到剧上升到0.991表面原子的晶场环境和结合能与表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同，具有很大的活性；晶粒的微粒化内部原子不同，具有很大的活性；晶粒的微粒化随着这种活性的表面原子增多，使其表面能也大随着这种活性的表面原子增多，使其表面能也大大增加。大增加。111.界面效应界面效应2.体体积积效效应应主主要要表表现现在在两两个个方方面面：一一是是物物质质体体积积的
6、的缩缩小小虽虽不不会会引引起起物物质质物物性性基基本本参参量量的的变变化化，但但会会使使那那些些与与体体积积有有关关的的物物性性发发生生变变化化，如如磁磁体体的的磁磁畴畴变变小小，半半导导体体中中电电子子的的自自由由路路程程变变短短，等等等等；二二是是物物质质一一般般具具有有由由无无限限个个原原子子组组成成的的物物质质属属性性，而而纳纳米米粒粒子子则则表表现现出出有限个原子集合体的特性。有限个原子集合体的特性。121.尺寸效应尺寸效应v晶体周期性的边界条件遭破坏，颗粒表面层晶体周期性的边界条件遭破坏，颗粒表面层附近原子密度减小，从而导致声、光、电磁、附近原子密度减小，从而导致声、光、电磁、热力
7、学等特性呈现新的小尺寸效应。热力学等特性呈现新的小尺寸效应。v可以分为特殊的光学性质，热学性质，磁学可以分为特殊的光学性质，热学性质，磁学性质，力学性质，电学性质。性质，力学性质，电学性质。13四大特点四大特点:尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。四个方面应用四个方面应用:(1).(1).纳纳米电子学米电子学:拥有崭新拥有崭新功能的电子仪器，有高功能的电子仪器，有高速度及低能量消耗的优点速度及低能量消耗的优点;(2).(2).纳米纳米材料科学材料科学(3).(3).纳纳米生物学米生物学:包括去氧核糖核酸包括去氧核糖核酸(DNA)(DNA)和核糖和核糖核酸核酸(RNA)(RNA)的基因
8、图谱的基因图谱(4).(4).纳纳米医学米医学:发明发明、设计及生产纳米级的新药物。、设计及生产纳米级的新药物。1.3 1.3 特点及应用特点及应用1415纳米颗粒的应用v1力学性能的应用 纳米颗粒具有大的比表面积，活性大并具有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化速度快、可降低烧结温度并提高力学性能。近年来，用纳米颗粒强化为目的的纳米陶瓷材料得到较大进展，为陶瓷材料的发展提供了生机，大量以纳米颗粒为原料或添加料的超硬、高强、高韧、超塑性材料相继问世162磁学性能的应用v纳米微粒尺寸进入一定临界值时就转入超顺磁性状态，例如-Fe、Fe304和-Fe203粒径分别为5nm、16nm、20n
9、m时转变为超顾磁性。另外纳米颗粒材料还可能具有高的矫顽力、巨磁电阻、magnetocaloric效应等性能。因此可用于制备磁致冷材料、水磁材料、磁性液体、磁记录器件、磁光元件、磁存储元件及磁探测器等磁元件。173电学性能的应用v纳米颗敞在电学性能方面也出现了一些独特性。例如纳米金属颗粒在低温下呈现绝线性，纳米钦酸铅、铁酸钡和钦酸钓等颗粒由典型的铁电体变成了顺电体。可以利用纳米颗粒来制做导电浆料、绝缘浆科、电极、超导体、量子器件、静电屏蔽材料、压敏和非线形电阻及鹊绾徒榈绮牧系取184光学性能的应用v纳米颗粒可表现出与同质的大块物体不同的光学特性，例如宽频带强吸收、蓝移现象及新的发光现象，从而可用
10、于光反射材料、光通讯、光存储、光开关、光过滤材料、光导体发光材料、光折变材料、光学非线性元件、吸波隐身材料和红外传感器等领域。195敏感性能的应用v纳米颗粒表面积巨大，表面活性高，对周围环境(温度、气氛、光、湿度等)敏感，因此可用来制作敏感度高曲超小型、低能耗、多功能传感器。v以氧化锡为基体材料，并掺入适当的催化剂或填加剂，可制得对酒精、氢气、硫化氢、一氧化碳和甲烷等气体具有选择性敏感性能的气敏元件。氧化锡对气体灵敏度高低与材料的比表面积有关，通常比表面积越大，气体灵敏度越高。纳米氧化锡颗粒具有明显优越性能，具有更高的气体灵敏度。目前用纳米SnO2颗粒膜制成的传感器已经实用化，可用作气体泄漏报
11、警器和湿度传感器，并且可以随着温度的变化有选择地检测多种气体。vTiO2陶瓷材料不仅对O2、CO、H2等气体有较强的敏感性，而且还可作为环境湿度传感器。20纳米生物材料学的制备方法v1.物理方法物理方法 (1)真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感 应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。(2)物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒，但产品纯子。(3)机械球磨法 采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。21纳米生物材料学的制备方法v2.化学方法化学方法 v1)气相沉积法 利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。v(2)沉淀法 把沉淀剂
12、加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。v(3)水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。v(4)溶胶凝胶法 金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。v(5)微乳液法 两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。222 纳米材料在生物医学上的应用1.纳米载体2.纳米生物器件3.纳米生物组织工程4.纳米医药23纳米载体1.纳米药物载体2.纳米基因载体24纳米药物载体v1 普通载药纳米微粒 v这种剂型的出现背景是基于将一些药物通过药剂学和纳米
13、技术的高度结合，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。252 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10一500nm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，而且改变其药物动力学的特性，使一些免疫系统的慢性病能得到更好的治疗。263 靶向定位载药纳米微粒 v靶向药物能完成从靶器官、靶细胞到最为先进的细胞内结构
14、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。274 载药磁性纳米微粒（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(小鼠、白兔)内后，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
15、导向功能，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。28纳米基因载体vv5 5 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疗目的。v 如：国外有人利用纳米技术可使DNA通过主动靶向作用定位于细胞。将质子DNA浓缩至50200nm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DNA插入细胞核DNA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DNA导入细胞的载体。29纳米生物器件一、纳米机器人一、纳米
16、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。u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。30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31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 32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的方式引入到尿道或胆道里内的方式引入到尿道或
17、胆道里内,直接到达结石所在的部位直接到达结石所在的部位,并并且直接把结石击碎。且直接把结石击碎。332.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 34纳米生物芯片1.基因芯片2.蛋白质芯片35基因芯片v基因芯片(gene chip)的原型是80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11-5-1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。当溶液中带有荧光标记的核酸序
18、列TATGCAATCTAG，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。36基因芯片的测序原理图 37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。38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，可用于蛋白质表
19、达谱分析，研究蛋白质与蛋白质的相互作用，甚至DNA蛋白质、RNA蛋白质的相互作用，筛选药物作用的蛋白靶点等 39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，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。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性结合。v(3)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。v(4)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
20、析一体化。40纳米中药v纳米中药是指运用纳米技术制造的粒径小于100nm的中药有效成分、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子的奇异现象。药物的物理活性、靶向性比普通中药大大提高。41v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。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药的质量和水平以及研制开发具有新药效
21、的中药制剂具有重要的意义。42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。v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。43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4445