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1、 新型纳米生物医药材料 班级：光信 121学号：3120242021姓名：郭晨论文题目：纳米技术在生物方面的应用 纳米技术在生物方面的应用（一）所谓纳米技术(Nanotechnology)是指在小于100 nm的量度范围内对物质和结构进行制造的技术，其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米技术在新世纪将推动信息技术、生物医学、环境科学、自动化技术及能源科学的发展，将极大的影响人类的生活，纳米技术涉及面十分广泛包括物理学化学生物医学和材料等有关的领域。纳米技术及其应用正在不断发展对许多科技领域产生了巨大的影响。随着人们对生命领域的认识的不断深入可以认为生物世界是由纳米级单元构成并且生
2、命生物学提供了一个新的研究领域即在纳米水平上对细胞和生命进一步认识相应地对生命本身细微结构认识的深入将使人们不断得到启迪有助于对细胞行为更好调控促进新兴研究领域的发展因此纳米与生物的结合不仅对探索生命本质具有重大科学意义而且具有重要的应用价值。【1】（二）纳米生物学的研究对象有人把在纳米尺度(水平)上研究生命现象的生物学叫做纳米生物学。纳米结构通常指尺寸在 1 nm100 nm 范围的微小结构。1 纳米等于 10-9m，即 1m 的十亿分之一。我们知道，细胞具有微米(10-6m)量级的空间尺度，生物大分子具有纳米量级的空间尺度。在它们之间的层次是亚细胞结构，具有几十到几百纳米量级的空间尺度。显
3、然在纳米水平上研究生命现象的纳米生物学，它的研究对象就是亚细胞结构和生物大分子体系。由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径即利用纳米微粒进行细胞分离、疾病诊断，利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。1 纳米机械生命系统是由纳米尺度上分子的行为所控制的F1-ATPase(F1-三磷酸腺苷酶)是细胞中精巧的分子马达之一，它位于线粒体内是一种用于合成ATP(三磷酸腺苷可以用于推动许多生物合成反应在能量循环中起关键作用还充作特殊生理活动作功分泌吸收和传导等的初级能源)的大型嵌膜复合体。自然界中有一些细菌可以靠摆动其鞭毛而运动，鞭毛的
4、根部就像一个微小的马达它的中心是一个由蛋白质构成的转子，转子周围是一个由六个蛋白质结构组成的环每个蛋白质分子都具有ATP 酶的活性通过将ATP 分解成ADP 而获得的能量就可以使转子旋转带动鞭毛摆动。Montemagno 等4在活细胞内能源机制启发下制造出了一种分子马达，这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础把金属镍制成的螺旋桨嫁接到三磷酸腺苷酶分子中轴上，制造了400 个分子马达浸于ATP 溶液后其中395 个保持不动但另5个则转动起来转速达到8 r/s 这种马达只在显微镜下才能被观察到，其镍螺旋桨相对来说较长达到750nm 。根据拍摄到的画面研究人员观察到一个尘埃粒子先被旋转的螺旋桨吸入和甩出的
5、情景。6 Montemagno 希望最终有一天能够利用这种装置将某些药品运送到体内的任何地方比如将化疗药物直接运送到肿瘤以减少对正常细胞的损伤。更深入的研究将允许科学家们利用分子水平上的研究结果将无机装置与自分子马达相结合创造杂交系统和全新纳米机械器件。人们设想利用化学能的分子马达驱动的纳米机械与阀泵和传感器组成集成器件这类器件，能对肌体内外的变化作出反应。例如可探测有害化学物质的纳米传感器，当被有害物质激活后这种传感器内的马达就打开阀门释放出可见的物质示警，利用小型自给自足能量的器械可以探测并鉴别土壤中的油类或化学污染同时绘制出它的分布和浓度图或是根据探测的体内变化调控药物的施用7等。纳米机
6、械还可以利用DNA 基本元件碱基的配对机制做成采用DNA 为燃料的镊子，研究人员设计出三条DNA 链A B 和C 利用碱基配对机制使A 的一半与B 的一半结合A的另一半与C 的一半结合在A 连接B 与C 的地方有一个活动枢钮，这样就构成了一个可以开合的镊子。而其每条臂只有1nm 长一般情况下镊子保持开的状态，利用另一条设计好的DNA 链D 使它分别与B 和C 上碱基未配对的部分结合就把B 和C 两臂拉到一起使镊子合上，同时D 仍留出一部分未配对的碱基再添加一条DNA 链E 使它与链D 上碱基未配对的部分结合把D 拉离镊子，即能使镊子重新张开。重复添加链D 和链E 的过程可使镊子反复开合由于这个
7、镊子的开合需要在DNA 链D 和链E 的作用下才能进行故将DNA 称为这种镊子的燃料。2 纳米生物标记细胞染色是用光学显微镜和电子显微镜研究细胞组织的一项十分重要的技术。未加染色的细胞组织由于衬度低很难用光学显微镜和电子显微镜进行观察，为了解决这个问题已经发展了多种染色技术。纳米粒子的出现为建立新的更加有效的染色技术提供了途径。文献10介绍了比利时的Demey 博士在乙醚的黄磷饱和溶液中用抗坏血酸或柠檬酸把金从HAuCl4 水溶液中还原成金纳米粒子其粒径为30- 40 nm 并由此制备了金纳米粒子-抗体的复合体(即将金的纳米粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合) 这些复合体与细胞组织相结合，就
8、相当于给各种组织贴上了标签由于纳米粒子的光学特性在显微镜下呈现自己的特征颜色，使得在光学显微镜和电子显微镜下衬度差别很大各种组织容易被分辨。生物标记是广泛用于临床的可视化的技术之一利用纳米粒子的小尺寸效应。美国California的Bruchez 等经过10 年的研究9,10 合成了一系列不同粒径的CdSe 等纳米粒子得到了其粒径对荧光波长(或能带宽度)的响应规律。从实验中可见CdSe InP InAs 等半导体纳米粒子的荧光峰值位置随纳米粒子粒径减小向短波方向移动，并有十分明显的间隔，可以用于荧光生物标记。他们将不同粒径(5nm 和3nm)的样品注入3T3 鼠纤维原细胞中然后用激光或紫外灯照
9、射表面包覆半导体纳米晶 CdSe, InP, InAs 在不同尺寸时的发射光谱 (粒径对波长的不同响应)CdSe 纳米晶尺寸2.1nm, 2.4nm, 3.1nm, 3.6nm, 4.6 nm (从右至左) InP 纳米晶尺寸寸3.0nm, 3.5nm, 4.6 nm (从右至左)InAs 纳米晶尺寸2.8nm, 3.6nm, 4.6nm, 6.0 nm.观察到两种不同的颜色即红色和绿色从荧光分析表明发绿光的5nm 颗粒位于纤维中而发红光的3nm 粒子位于细胞核中他们认为该半导体纳米粒子作为荧光生物标记将优于染料。在诊断和显影方面具有更广泛的应用前景【2】3 纳米技术改进生物传感器所有疾病过程
10、如细胞的癌前病变都伴随着被感染的细胞的化学变化，而这些亚细胞和分子水平的变化一般早于细胞形态学方面的变化和肌体症状的出现。能够反映这种变化的技术在原理上都可以作为一种疾病的早期诊断工具，因此可以感知这种变化的生物传感器在癌变早期诊断中有应用前景。纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术，在这两者之间存在着许多技术交叉，其中，纳米生物传感技术已然引起了研究领域的广泛关注。 生物传感器是一类特殊形式的传感器，由固定化的生物敏感材料作为识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器及信号放大装置构成,具有接受器与转换器的功能,从而能够检测多种生命和化学物质
11、。纳米技术主要是针对尺度为1 nm100 nm之间的分子世界的一门技术。该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域，因此有着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等，呈现出常规材料不具备的优越性能。纳米技术引入生物传感器领域后，提高了生物传感器的灵敏度和其它性能，并促发了新型的生物传感器的发展。但纳米生物传感器还正处于起步阶段，目前仍有具有很大的研究价值和应用空间。例如：酶传感器 酶传感器是最早发展起来的生物传感器。利用酶在生化反应种特殊的催化作用，可使糖类、醇类、有机酸、氨基酸、激素、三磷酸腺营等生物分子，在常温下迅速被分解或氧化。反应
12、过程中消耗或产生的化学物质即可用转换器转变为电信号记录下来。1967年,Updike SJ和Hicks GP把葡萄糖氧化酶固定化膜和氧电极组装在一起，制成了第一代酶传感器免疫传感器 ： 免疫传感器是由特异抗体与载体结合而成，其对特定的抗原分子具有选择性的识别能力。利用纳米金的特异性强、非特异性吸附作用小、电子密度大等特点,可以改善免疫传感器的灵敏性。：DNA传感器 DNA传感器是一种伴随着基因工程技术发展而开发出来的一种新型生物传感器。纳米粒子的特殊结构,使其具有其他材料无法比拟的良好的光学和电学性质。再加上它的生物相容性,使其成为DNA生物传感器的理想材料。将纳米颗粒引入DNA传感器,可提高
13、固载的DNA量,能增强和放大很多电化学检测信号,使DNA的检测更加灵敏、可靠。此类传感器可用于检测靶DNA,测定DNA序列、 DNA突变等。【3】4 生物芯片与微加工技术朝纳米尺度发展一样，某些种类的生物芯片的研究也正在向纳米量级发展。研究人员发现一些天然分子的生物自组装能力完全可以用于制作纳米器件。例如用胶原质做导线抗体做夹子、DNA 做存储器、膜蛋白做泵等等。虽然目前尚无成功的纳米芯片出现，人们利用分子的自组装特性制作了一些结构如直径为0.5nm 长30nm 的脂质管、直径0.7nm 的圆形多肽纳米管和显微分子齿轮等。这些利用分子来设计和装配类似仪器零件的研究为纳米芯片的开发打下了良好的基
14、础生物芯片技术。另外一个重要并具有应用价值的发展方向是为新药的开发提供高通量乃至超高通量筛选的技术平台 17,19在生物芯片的下列领域纳米技术也充满希望(1) 进一步减小测试尺度增加检测容量在每个实验中允许研究更多基因(2) 提高其灵敏度(3) 探索这类系统在临床甚至作为体内实时传感器等方面的应用【4】5 纳米生物医药学从原理上来讲药物颗粒的尺寸可由微米减小至纳米甚至更小尺寸。由于纳米粒子和生命细胞的尺寸相近将有利于药物溶解于体内环境增加其稳定性发挥药效。纳米靶向药物制剂 ： 在医学领域中，纳米材料最引人注目的是作为靶向药物载体，用于定向给药，使药物按照一定速率释放于特定器官（器官靶向）、组织
15、（组织靶向）和特定细胞（细胞靶向）。这种具有识别肿瘤和杀死肿瘤双重功能的药物又称为生物导弹。纳米生物导弹直接用于治疗各种细胞水平的疾病，对病变组织和细胞有特异性杀伤作用。纳米药物载体作为抗肿瘤药物的输送系统，将药物或基因输送到肿瘤细胞和器官已达到直接的治疗效果。 目前，纳米药物载体按材料的形态可分为纳米脂质体、固体脂质纳米粒、纳米囊和纳米球、聚合物胶束以及纳米混悬剂等，而按照粒子的特性和生物性能则可分为免疫纳米粒、磁性纳米粒、磷脂纳米粒以及光敏纳米粒等。国内外药物研究领域对此已有大量的研究，结果表明，药物的毒副作用在降低的同时，其生物利用度也得到有效的提高，对载体进行设计和修饰后，还可起到缓慢
16、释放而延长药效的作用。纳米中药 ：中药作为中华民族的传统瑰宝，随着世界对天然药物需求的不断增加，传统中药产业已经成为优势突出、最具潜力的经济增长领域，发展前景十分广阔。我国拥有丰富的药用动物、植物、矿物资源和历史悠久的中医药经验。中药医学本应在科技高度发展的今天得到发扬光大，但目前却遇到了发展瓶颈，毒性问题就是其中的一个阻碍。将纳米技术引人中药研究的思路可能可以解决存在的问题，“纳米中药”这一概念也应运而生。纳米中药是直接提取中药的有效成分然后用纳米药物载体包裹，或将有效部位直接纳米化。而起到降低中药毒性的作用。同时，应用脂质体、纳米颗粒、胶体溶液、纳米乳等技术将中药（主要是有效成分、有效部位或提取物）运送到人体的病患部位，可以降低某些中药的副作用，增强药物靶向性，提高治疗效
