浅谈生物医学中的纳米技术 生物技术与人类论文 5110369022 胡琦伟
浅谈生物医学中的纳米技术 ——生物技术与人类论文 5110369022 胡琦伟
浅谈生物医学中的纳米技术 胡琦伟 (上海交通大学信息安全工程学院学院，上海市，200240) 摘要： 随着21世纪纳米技术的不断发展，其在生物医学领域的作用也愈发凸显， 本文从对纳米技术的简介开始，从医学材料和具体运用两个方面介绍纳米技术在 生物医学中的运用。 关键词：纳米技术，生物医学 Review of nanotechnology in biomedicine Hu Qiwei (Information Security,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,PR China.) Abstract:With the development of nanotechnology in the 21*century,it becomes more and more useful in biomedicine.This paper starts from a brief introduction of nanotechnology,and present application of nanotechnology in biomedicine from Biomedical Materials and Concrete application. Key words:nanotechnology,biomedicine (一)简介 纳米材料被誉为21世纪的新材料。 广义的纳米材料是指3维尺寸中至少有1维处于纳米尺寸，即1~100m的范围。纳米材 料在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。如果按 维数，纳米材料的基本单元可分为三类： 零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。 一维，指在空间中有两维处于纳米尺度，如纳米四、纳米管、纳米棒等。 二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。 因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维、二维的基本单元又分可称为量子 点，量子线，量子阱。 纳米材料的物理化学性质不同于微观原子、分子，也不同于宏观物体，纳米介于宏观世界 与微观世界之间。纳米粒子的这类特殊类型结构导致它具有体积效应，表面效应，量子尺寸效 应和宏观量子隧道效应等，而纳米材料具有特殊的光学、力学、磁学、电学、超导、催化性 能、耐蚀、机械性能等。纳米材料被广泛的用作催化剂、润滑剂、建筑材料、陶瓷材料、气 敏材料、绝缘材料、纺织材料、发光材料、木材、灭火剂、生物医学材料等。 纳米技术是明天的主流技术，是一个能带来更美好生活、潜力巨大的新领域，已经成为世 界各国高技术发展中战略竞争的热点。自二十世纪八十年代中期纳米科技兴起以来，各国政 府和企业界纷纷投入了人力、财力来发展纳米技术，加入国际竞争，在许多领域已经取得了巨 大的技术进步。纳米技术将成为21世纪世界经济增长的一个主要发动机，并将引发一场新的
浅谈生物医学中的纳米技术 胡琦伟 （上海交通大学信息安全工程学院学院，上海市，200240） 摘要： 随着 21 世纪纳米技术的不断发展，其在生物医学领域的作用也愈发凸显， 本文从对纳米技术的简介开始，从医学材料和具体运用两个方面介绍纳米技术在 生物医学中的运用。 关键词：纳米技术，生物医学 Review of nanotechnology in biomedicine Hu Qiwei (Information Security, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, PR China.) Abstract: With the development of nanotechnology in the 21 st century, it becomes more and more useful in biomedicine. This paper starts from a brief introduction of nanotechnology, and present application of nanotechnology in biomedicine from Biomedical Materials and Concrete application. Key words: nanotechnology, biomedicine （一）简介 纳米材料被誉为 21 世纪的新材料。 广义的纳米材料是指 3 维尺寸中至少有 1 维处于纳米尺寸,即 1~100 nm 的范围。纳米材 料在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。如果按 维数，纳米材料的基本单元可分为三类： 零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。 一维，指在空间中有两维处于纳米尺度，如纳米四、纳米管、纳米棒等。 二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。 因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维、二维的基本单元又分可称为量子 点，量子线，量子阱。 纳米材料的物理化学性质不同于微观原子、分子,也不同于宏观物体,纳米介于宏观世界 与微观世界之间。纳米粒子的这类特殊类型结构导致它具有体积效应,表面效应,量子尺寸效 应和宏观量子隧道效应等,而纳米材料具有特殊的光学、力学、磁学、电学、超导、催化性 能、耐蚀、机械性能等。纳米材料被广泛的用作催化剂、润滑剂、建筑材料、陶瓷材料、气 敏材料、绝缘材料、纺织材料、发光材料、木材、灭火剂、生物医学材料等。 纳米技术是明天的主流技术,是一个能带来更美好生活、潜力巨大的新领域,已经成为世 界各国高技术发展中战略竞争的热点。自二十世纪八十年代中期纳米科技兴起以来,各国政 府和企业界纷纷投入了人力、财力来发展纳米技术,加入国际竞争,在许多领域已经取得了巨 大的技术进步。纳米技术将成为 21 世纪世界经济增长的一个主要发动机,并将引发一场新的
工业革命，它所带来的经济价值是难以估量的。当前纳米科学与技术正在飞速地向前发展并 不断与各个学科交叉与融合，产生出新的研究领域和新的学科生长点。特别是近几年来，纳米 科技快速向生物医学领域渗透，纳米生物医学正在迅速形成一个崭新的研究领域，该领域的进 步与发展将为现代生物学和医学的研究提供全新的技术和视点。 (二)医学领域的纳米材料 生物医用材料是用于和生物系统结合、治疗或替换生物机体中的组织、器官或增进其功 能的材料。在此方面，纳米材料在生物医用材料上有广泛的应用前景。纳米材料在本世纪很 可能成为生物医用材料的核心材料，这是因为生物体的骨骼、牙齿、肌健等都发现有纳米结 构存在；贝壳、甲虫壳、珊瑚等天然材料具有特异的力学性能，据分析，它们是由某种有机 粘合剂连接的有序排列的纳米碳酸钙颗粒构成的。从仿生的观点来看，纳米生物医用材料是 重要的发展方向。颗粒在1一100um范围内的材料被称为纳米材料。纳米颗粒的粒径比毛 细血管通路还小一至二个数量级，因而可用磁性纳米材料作定向载体，通过磁性导航系统将 药物输送到病变部位释放，增强疗效，被称为“生物导弹”。纳米微粒用作药物控制释放和 基因转染的载体，能直接将基因或药物输送到癌细胞和器官进行治疗，特殊的纳米粒子还可 进人细胞内部结构从而达到基因治疗的目的。用纳米生物传感器可对疾病进行早期检测，纳 米微机械可修复人体细胞和组织，纳米人工器官的排斥率大大降低。纳米材料在生物医学领 域尽可一展身手，而将纳米微粒与其它材料相复合制成各种各样的复合材料更可以产生许多 新奇的优良特性。简而言之，纳米生物医用材料就是纳米材料与生物医用材料的交叉。开展 纳米生物医用材料的研究无疑将会为人类社会的进步做出巨大的贡献。 1.纳米高分子医用材料 纳米高分子材料的超微颗粒尺度1-10m,这些颗粒是通过微乳液聚合而成的。它有两 种主要特性效应：表面效应和体积效应。表面效应一一超微颗粒的表面原子数与总原子数之 比随着颗粒直径的变小而增大。表面原子的晶场环境和原子结合能与内部原子的很不相同， 表面原子因为缺少部分相邻原子而出现不饱和状态，因而具有很大的活性，所以它的表面能 大大增加，它愿意与其他的原子相结合而趋于稳定。体积效应一一由于在体积中超微颗粒所 包含的原子数减少，使带电能级间歇加大，因为能级间歇的不连续使物质的物理性质发生异 常。以上两种效应使粒子的官能团密度加大，选择性吸附能力增加，达到吸附平衡的时间缩 短，粒子的胶体稳定性提高。这样，纳米高分子材料在医学的免疫分析、药物控制释放载体、 介人性诊断等方面获得广泛应用。 2.纳米无机医用生物材料 生物陶瓷（如磷酸钙、生物玻璃、氧化铝等）是一类重要的生物医用材料，在临床上己有 广泛的应用，主要用于制造人工骨、骨螺钉、人工齿、牙种植体以及骨的仿内固定材料等。 纳米陶瓷的制备，将会使陶瓷材料的强度、硬度、韧性和超塑性都大为提高，一些科学家指 出：纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径，纳米陶瓷材料将会比传统陶瓷有更广泛的应用和 发展前景。 3.纳米生物医用复合材料 纳米无机/有机生物医用复合材料的构想源于天然组织，实际上，人体的绝大多数组织都 可以视为复合材料，其中牙齿和骨骼就是由纳米磷灰石晶体和高分于组成的纳米复合材料， 它们都具有良好的力学性能，通过对天然硬组织的模仿，人们己经制备出一些纳米生物医用 复合材料。 (三)纳米技术在医学领域的应用 纳米尺度下的物质世界及其特性是人类较为陌生的领域，也是一片崭新的研究领域。纳米
工业革命,它所带来的经济价值是难以估量的。当前纳米科学与技术正在飞速地向前发展并 不断与各个学科交叉与融合,产生出新的研究领域和新的学科生长点。特别是近几年来,纳米 科技快速向生物医学领域渗透,纳米生物医学正在迅速形成一个崭新的研究领域,该领域的进 步与发展将为现代生物学和医学的研究提供全新的技术和视点。 （二）医学领域的纳米材料 生物医用材料是用于和生物系统结合、治疗或替换生物机体中的组织、器官或增进其功 能的材料。在此方面，纳米材料在生物医用材料上有广泛的应用前景。纳米材料在本世纪很 可能成为生物医用材料的核心材料，这是因为生物体的骨骼、牙齿、肌健等都发现有纳米结 构存在;贝壳、甲虫壳、珊瑚等天然材料具有特异的力学性能，据分析，它们是由某种有机 粘合剂连接的有序排列的纳米碳酸钙颗粒构成的。从仿生的观点来看，纳米生物医用材料是 重要的发展方向。颗粒在 1 一 100um 范围内的材料被称为纳米材料。纳米颗粒的粒径比毛 细血管通路还小一至二个数量级，因而可用磁性纳米材料作定向载体，通过磁性导航系统将 药物输送到病变部位释放，增强疗效，被称为“生物导弹”。纳米微粒用作药物控制释放和 基因转染的载体，能直接将基因或药物输送到癌细胞和器官进行治疗，特殊的纳米粒子还可 进人细胞内部结构从而达到基因治疗的目的。用纳米生物传感器可对疾病进行早期检测，纳 米微机械可修复人体细胞和组织，纳米人工器官的排斥率大大降低。纳米材料在生物医学领 域尽可一展身手，而将纳米微粒与其它材料相复合制成各种各样的复合材料更可以产生许多 新奇的优良特性。简而言之，纳米生物医用材料就是纳米材料与生物医用材料的交叉。开展 纳米生物医用材料的研究无疑将会为人类社会的进步做出巨大的贡献。 1.纳米高分子医用材料 纳米高分子材料的超微颗粒尺度 1-10nm，这些颗粒是通过微乳液聚合而成的。它有两 种主要特性效应:表面效应和体积效应。表面效应——超微颗粒的表面原子数与总原子数之 比随着颗粒直径的变小而增大。表面原子的晶场环境和原子结合能与内部原子的很不相同， 表面原子因为缺少部分相邻原子而出现不饱和状态，因而具有很大的活性，所以它的表面能 大大增加，它愿意与其他的原子相结合而趋于稳定。体积效应——由于在体积中超微颗粒所 包含的原子数减少，使带电能级间歇加大，因为能级间歇的不连续使物质的物理性质发生异 常。以上两种效应使粒子的官能团密度加大，选择性吸附能力增加，达到吸附平衡的时间缩 短，粒子的胶体稳定性提高。这样，纳米高分子材料在医学的免疫分析、药物控制释放载体、 介人性诊断等方面获得广泛应用。 2.纳米无机医用生物材料 生物陶瓷(如磷酸钙、生物玻璃、氧化铝等)是一类重要的生物医用材料，在临床上己有 广泛的应用，主要用于制造人工骨、骨螺钉、人工齿、牙种植体以及骨的仿内固定材料等。 纳米陶瓷的制备，将会使陶瓷材料的强度、硬度、韧性和超塑性都大为提高，一些科学家指 出:纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径，纳米陶瓷材料将会比传统陶瓷有更广泛的应用和 发展前景。 3.纳米生物医用复合材料 纳米无机/有机生物医用复合材料的构想源于天然组织，实际上，人体的绝大多数组织都 可以视为复合材料，其中牙齿和骨骼就是由纳米磷灰石晶体和高分于组成的纳米复合材料， 它们都具有良好的力学性能，通过对天然硬组织的模仿，人们己经制备出一些纳米生物医用 复合材料。 （三）纳米技术在医学领域的应用 纳米尺度下的物质世界及其特性是人类较为陌生的领域,也是一片崭新的研究领域。纳米
技术与生物技术将促进高新技术产业的发展，纳米生物技术与医学相结合，极大地促进了基础 医学研究技术的完善、临床诊断技术的革新及治疗水平的提高。近年来国内外在生物大分子 的分离、精细结构分析、纳米药物载体和纳米药物、纳米生物材料、纳米人工组织、器官、 纳米生物传感器和成像技术等方面的研究取得了重大突破。 1.纳米检测技术 (1)细胞分离 细胞分离是医学研究中十分重要的技术之一，纳米细胞分离技术的出现解决了医学界乃 至生物学界快速获取细胞标本的难题。20世纪80年代初期建立了用纳米SO2微粒实现细 胞分离的新技术：将15~20m的SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮 溶液中，通过离心技术，利用梯度原理，快速分离所需要的细胞。这种细胞分离技术在临床医学 诊断上有着广阔的应用前景。 (2)细胞染色 传统的细胞染色技术为光学显微镜和电子显微镜观察细胞的结构提供了巨大的帮 助。纳米微粒的出现，为建立新的细胞染色技术提供了新的途径。 2.纳米诊断技术 (1)对比剂 在纳米生物材料方面，纳米粒还可被广泛应用成为一种很好的对比剂，为医学影像学诊断 助一臂之力。纳米氧化铁对比剂是一种水性胶质，静脉注射后，氧化铁颗粒被血液带到身体的 各部位，并在肝脏和脾脏被网状内皮细胞吞噬。肝脏内的枯否细胞可以吞噬氧化铁颗粒：而恶 性肿瘤细胞仅含有极少量的枯否细胞，没有大量吞噬氧化铁的作用。纳米氧化铁对比剂正是 利用了正常细胞和恶性肿瘤细胞之间的这种功能差别，从而显示出对病灶诊断的特异性。在 磁共振图像中，由于正常组织吸收纳米氧化铁表现为暗的低信号，而病灶不吸收纳米氧化铁表 现为亮的高信号。这样，病灶与正常组织在磁共振图像上会有明显的差异。 (2)光学相干层析术 光学相干层析术的分辨率可达1个微米级，较CT和核磁共振术的精密度高出上千倍。它 能以每秒2000次的速度完成生物体内活细胞的动态成像，观察活细胞的动态，发现单个细胞 病变，但是不会像X线、CT、磁共振那样杀死活细胞，被誉为“分子雷达”。 (3)病理诊断 免疫组织化学己在临床病理诊断中广泛使用，但大多数免疫组织化学只能定性而不能作 定量诊断。应用纳米级粒子可进行定量免疫组织化学分析，提高该方法的敏感性，并对免疫组 织化学过程进行标化，减少标本固定、组织处理等过程对结果的影响。 (4)传感器诊断 纳米传感器的应用越来越广泛，纳米传感器比用荧光传感器染料预处理再检测的常规方 法在测定亚细胞水平的化学物质方面更加可靠。例如在糖尿病治疗中可将纳米生物传感器置 于真皮层检测葡萄糖水平从而指导给药。 (5)肿瘤早期诊断 目前肿瘤早期诊断的病理学方法不能准确的判断肿瘤良恶性及细胞来源。隧道扫描显微 镜和原子力显微镜的问世能够在纳米尺度上了解生物大分子精细结构及其与功能的关系，并 动态获取生命信息。利用原子力显微镜可以在纳米水平揭示肿瘤细胞的形态特点，通过寻找 特异性的异常纳米结构改变而解决肿瘤诊断的难题.。 3.纳米治疗技术 (1)纳米药物和基因载体 纳米粒子介导的药物（基因）输送是纳米医学领域的一个关键技术，其优势体现在能够直 接将药物分子或遗传物质运送到细胞中，特别是可以通过健康组织把药物送到肿瘤等靶组织
技术与生物技术将促进高新技术产业的发展,纳米生物技术与医学相结合,极大地促进了基础 医学研究技术的完善、临床诊断技术的革新及治疗水平的提高。近年来国内外在生物大分子 的分离、精细结构分析、纳米药物载体和纳米药物、纳米生物材料、纳米人工组织、器官、 纳米生物传感器和成像技术等方面的研究取得了重大突破。 1.纳米检测技术 （1）细胞分离 细胞分离是医学研究中十分重要的技术之一,纳米细胞分离技术的出现解决了医学界乃 至生物学界快速获取细胞标本的难题。20 世纪 80 年代初期建立了用纳米 SiO2 微粒实现细 胞分离的新技术:将 15~20 nm 的 SiO2 包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮 溶液中,通过离心技术,利用梯度原理,快速分离所需要的细胞。这种细胞分离技术在临床医学 诊断上有着广阔的应用前景。 （2）细胞染色 传统的细胞染色技术为光学显微镜和电子显微镜观察细胞的结构提供了巨大的帮 助。纳米微粒的出现,为建立新的细胞染色技术提供了新的途径。 2.纳米诊断技术 （1）对比剂 在纳米生物材料方面,纳米粒还可被广泛应用成为一种很好的对比剂,为医学影像学诊断 助一臂之力。纳米氧化铁对比剂是一种水性胶质,静脉注射后,氧化铁颗粒被血液带到身体的 各部位,并在肝脏和脾脏被网状内皮细胞吞噬。肝脏内的枯否细胞可以吞噬氧化铁颗粒;而恶 性肿瘤细胞仅含有极少量的枯否细胞,没有大量吞噬氧化铁的作用。纳米氧化铁对比剂正是 利用了正常细胞和恶性肿瘤细胞之间的这种功能差别,从而显示出对病灶诊断的特异性。在 磁共振图像中,由于正常组织吸收纳米氧化铁表现为暗的低信号,而病灶不吸收纳米氧化铁表 现为亮的高信号。这样,病灶与正常组织在磁共振图像上会有明显的差异。 （2）光学相干层析术 光学相干层析术的分辨率可达 1 个微米级,较 CT 和核磁共振术的精密度高出上千倍。它 能以每秒 2000 次的速度完成生物体内活细胞的动态成像,观察活细胞的动态,发现单个细胞 病变,但是不会像 X 线、CT、磁共振那样杀死活细胞,被誉为“分子雷达”。 （3）病理诊断 免疫组织化学已在临床病理诊断中广泛使用,但大多数免疫组织化学只能定性而不能作 定量诊断。应用纳米级粒子可进行定量免疫组织化学分析,提高该方法的敏感性,并对免疫组 织化学过程进行标化,减少标本固定、组织处理等过程对结果的影响。 （4）传感器诊断 纳米传感器的应用越来越广泛,纳米传感器比用荧光传感器染料预处理再检测的常规方 法在测定亚细胞水平的化学物质方面更加可靠。例如在糖尿病治疗中可将纳米生物传感器置 于真皮层检测葡萄糖水平从而指导给药。 （5）肿瘤早期诊断 目前肿瘤早期诊断的病理学方法不能准确的判断肿瘤良恶性及细胞来源。隧道扫描显微 镜和原子力显微镜的问世能够在纳米尺度上了解生物大分子精细结构及其与功能的关系,并 动态获取生命信息。利用原子力显微镜可以在纳米水平揭示肿瘤细胞的形态特点,通过寻找 特异性的异常纳米结构改变而解决肿瘤诊断的难题.。 3. 纳米治疗技术 （1）纳米药物和基因载体 纳米粒子介导的药物(基因)输送是纳米医学领域的一个关键技术,其优势体现在能够直 接将药物分子或遗传物质运送到细胞中,特别是可以通过健康组织把药物送到肿瘤等靶组织
中。载有高分子和蛋白质的磁性纳米粒子作为药物载体，静脉注射到动物体内，在外加磁场的 作用下通过纳米粒子的磁性导航，使其移向病变部位，以达到治疗的目的。 (2)纳米药物 利用纳米技术研制的新一代抗菌药物，药物颗粒直径只有25n,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。作为一种全新的抗感染颗粒，纳米抗菌药物 不同于目前所有抗感染药物，具有广谱、亲水、环保、遇水后杀菌力更强、不会诱导细菌耐 药性等多种性能，更有利于疾病的治疗。以这种抗菌颗粒为原料，成功地开发出了创伤贴、溃 疡贴等纳米医药类产品。 (3)纳米生物材料 将纳米技术与组织工程技术相结合，构建具有纳米拓扑结构的细胞生长支架也正在形成 “个崭新的研究方向。相对于微米尺度纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞生长的自然环境 更为相似，纳米拓扑结构的构建有可能从分子和细胞水平上控制生物材料与细胞间的相互作 用，引发特异性细胞反应，对于组织再生与修复具有潜在的应用前景和重要意义。 (4)纳米人工细胞、组织和器官 人造红细胞已成为纳米技术的标志性成果输送氧的能力是同等体积天然红细胞的236 倍，可应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等。我 国科学家把纳米技术用于心脏病手术，这项研究把一种网状聚脂型材料做成的套子包裹在心 脏表面，帮助心脏收缩以防扩大，治疗顾固性心力衰竭。 (三)纳米材料与纳米技术的具体应用 1.纳微米结构材料与组织引导再生和组织替代 生物材料的拓扑形貌是影响细胞行为的重要因素之一，生物材料表面拓扑结构对细胞行 为的影响早在一个世纪以前就被发现.即细胞能够根据下层材料表面的拓扑形貌而取向生 长。二十世纪60年代，人们开始利用材料的表面拓扑结构调控细胞行为，认为拓扑结构的空间 和深度是决定细胞与材料表面反应的关键因素。随着纳米生物医学研究的进展，研究者发现 细胞能够通过“接触诱导”感应基底材料的纳米拓扑结构，产生强烈的响应。人们开始注意 到，相对于微米尺度，纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞生长的自然环境更为相似，纳米拓扑 结构的构建有可能从分子和细胞水平上控制生物材料与细胞间的相互作用.引发特异性细胞 反应，对于组织再生与修复具有潜在的应用前景和重要意义。近年来有关纳米拓扑结构的构 建以及对细胞行为影响的研究报道迅速增加，正在形成一个崭新的研究方向，研究内容涉及纳 米结构的不同构建方法、纳米拓扑结构对细胞粘附、增殖、分化、调亡以及细胞外基质重建 等行为的影响和可能发生机制等众多方面。 2.纳米粒子与药物（基因）运送及重大疾病的早期诊断与治疗 纳米技术与生物医学相结合将为现代诊断和治疗技术带来革命性的进步其影响将涉及 分子诊断和治疗技术、分子生物学技术以及生物工程技术等许多方面。近年来功能性纳米粒 子的研究与开发为以上先进的技术提供了重要的基础。传统的给药方式主要是口服和注射。 但是新型药物的开发特别是蛋白质、核酸等生物药物，要求有新的载体和药物输送技术，以尽 可能降低药物的副作用，并获得更好的药效。粒子的尺寸直接影响着药物输送系统的有效性。 纳米结构介导的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术，具有提高药物的生物可利用度、 改进药物的时间控制释放性能、以及使药物分子精确定位的潜能。纳米结构介导的药物输送 系统的优势体现在能够直接将药物分子运送到细胞中，而且可以通过健康组织把药物送到肿 瘤等靶组织。功能性纳米粒子与生物大分子如多肽、蛋白质、核酸共价结合，在靶向药物输 运和控制释放、基因治疗、癌症的早期诊断与治疗、生物芯片和生物传感器等许多方面显示 出诱人的应用前景和理论研究价值。当前研究的用于药物输送的纳米粒子主要包括生物型粒 子、合成高分子粒子、硅基粒子、碳基粒子以及金属粒子等
中。载有高分子和蛋白质的磁性纳米粒子作为药物载体,静脉注射到动物体内,在外加磁场的 作用下通过纳米粒子的磁性导航,使其移向病变部位,以达到治疗的目的。 （2）纳米药物 利用纳米技术研制的新一代抗菌药物,药物颗粒直径只有 25 nm,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。作为一种全新的抗感染颗粒,纳米抗菌药物 不同于目前所有抗感染药物,具有广谱、亲水、环保、遇水后杀菌力更强、不会诱导细菌耐 药性等多种性能,更有利于疾病的治疗。以这种抗菌颗粒为原料,成功地开发出了创伤贴、溃 疡贴等纳米医药类产品。 （3）纳米生物材料 将纳米技术与组织工程技术相结合,构建具有纳米拓扑结构的细胞生长支架也正在形成 一个崭新的研究方向。相对于微米尺度,纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞生长的自然环境 更为相似,纳米拓扑结构的构建有可能从分子和细胞水平上控制生物材料与细胞间的相互作 用,引发特异性细胞反应,对于组织再生与修复具有潜在的应用前景和重要意义。 （4）纳米人工细胞、组织和器官 人造红细胞已成为纳米技术的标志性成果,输送氧的能力是同等体积天然红细胞的 236 倍,可应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等。我 国科学家把纳米技术用于心脏病手术,这项研究把一种网状聚脂型材料做成的套子包裹在心 脏表面,帮助心脏收缩以防扩大,治疗顽固性心力衰竭。 （三）纳米材料与纳米技术的具体应用 1. 纳微米结构材料与组织引导再生和组织替代 生物材料的拓扑形貌是影响细胞行为的重要因素之一,生物材料表面拓扑结构对细胞行 为的影响早在一个世纪以前就被发现,即细胞能够根据下层材料表面的拓扑形貌而取向生 长。二十世纪 60 年代,人们开始利用材料的表面拓扑结构调控细胞行为,认为拓扑结构的空间 和深度是决定细胞与材料表面反应的关键因素。随着纳米生物医学研究的进展,研究者发现 细胞能够通过“接触诱导”感应基底材料的纳米拓扑结构,产生强烈的响应。人们开始注意 到,相对于微米尺度,纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞生长的自然环境更为相似,纳米拓扑 结构的构建有可能从分子和细胞水平上控制生物材料与细胞间的相互作用,引发特异性细胞 反应,对于组织再生与修复具有潜在的应用前景和重要意义。近年来,有关纳米拓扑结构的构 建以及对细胞行为影响的研究报道迅速增加,正在形成一个崭新的研究方向,研究内容涉及纳 米结构的不同构建方法、纳米拓扑结构对细胞粘附、增殖、分化、凋亡以及细胞外基质重建 等行为的影响和可能发生机制等众多方面。 2. 纳米粒子与药物(基因)运送及重大疾病的早期诊断与治疗 纳米技术与生物医学相结合将为现代诊断和治疗技术带来革命性的进步,其影响将涉及 分子诊断和治疗技术、分子生物学技术以及生物工程技术等许多方面。近年来功能性纳米粒 子的研究与开发为以上先进的技术提供了重要的基础。传统的给药方式主要是口服和注射。 但是,新型药物的开发,特别是蛋白质、核酸等生物药物,要求有新的载体和药物输送技术,以尽 可能降低药物的副作用,并获得更好的药效。粒子的尺寸直接影响着药物输送系统的有效性。 纳米结构介导的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术,具有提高药物的生物可利用度、 改进药物的时间控制释放性能、以及使药物分子精确定位的潜能。纳米结构介导的药物输送 系统的优势体现在能够直接将药物分子运送到细胞中,而且可以通过健康组织把药物送到肿 瘤等靶组织。功能性纳米粒子与生物大分子如多肽、蛋白质、核酸共价结合,在靶向药物输 运和控制释放、基因治疗、癌症的早期诊断与治疗、生物芯片和生物传感器等许多方面显示 出诱人的应用前景和理论研究价值。当前研究的用于药物输送的纳米粒子主要包括生物型粒 子、合成高分子粒子、硅基粒子、碳基粒子以及金属粒子等
3.碳纳米管在生物医学领域的应用研究进展 碳纳米管是一类代表性的纳米材料。近年来，碳纳米管的生物学效应引起了人们的极大兴 趣，以生物学应用为目的的探索研究正在迅速增多，逐渐成为一个新的研究热点。碳纳米管有 望在人工器官与组织工程、药物（基因）运载、重大疾病的早期诊断、生物医学仪器研制等众 多方面发挥重要的作用。 研究结果表明，随着复合物中碳纳米管含量的增加，神经元细胞和成骨细胞在复合材料上 的粘附与生长也越来越活跃，而星形细胞和成纤维细胞的活性则呈现同等程度的下降。神经 组织中的星形细胞往往会在神经组织的植入物表面形成胶质瘢痕组织，从而阻碍植入设备的 正常工作，骨科植入物的表面也经常被成纤维细胞所形成的纤维组织所包裹，造成伤处不愈合 和移植物的松脱。所以无论对于神经组织还是骨组织而言，使用碳纳米管含量较高的复合材 料，均能促进组织再生同时也能显著地抑制对植入设备产生不利影响的胶质瘢痕和纤维组织 的形成。 由于碳纳米管本身具有独特的电学和机械性能，一些实验室开始尝试将经过表面修饰的 碳纳米管作为组织工程支架为细胞生长及组织再生提供诱导和支持。 参考资料： [1]曲秋莲，张英鸽，.纳米技术和材料在医学上应用的现状与展望[).东南大学学报（医学 版)，2011，(1) [2]王英泽，黄奔，吕娟，梁兴杰，.纳米技术在生物医学领域的研究现状.生物物理学 报，2009，(3) [3]曹献英，杜晶晶，.纳米技术在医学中的应用[U.医学综述，2009，(7) [4]张进，兰卫光，·分子纳米技术在生物医学领域的应用[U.临床和实验医学杂 志，2007，(1) [5]郭梦金，张欣杰，纳米技术在医学中的应用现状及展望).河北化工，2007，(3) [6]张红雨，李迎新，顾汉卿，.纳米技术在现代医学中的应用[).医疗卫生装备，2007，(9) [7]姜学红，王澜，.纳米技术在医学领域的应用[).广东塑料，2005，(3). [8]李道萍.21世纪崭新的学科一一纳米医学).世界最新医学信息文摘，2002，(3) [9]李道萍.纳米技术在医学领域中的应用[C].新世纪科技与湖北经济发展一一2001首 届湖北科技论坛论文集.2001 [10]强伯勤，杨国忠.纳米医学一一纳米技术在医药卫生中的应用[C].纳米材料和技术应 用进展一一全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集（上卷）2001 [11]张其清，周志敏.纳米技术与生物医学前沿C.中国生物医学工程进展一一2007中国 生物医学工程联合学术年会论文集（下册）2007 [12]黄奔，王英泽，吕娟，武世奎，梁兴杰.纳米技术在生物医学领域的研究现状[C].第十届 中国科协年会论文集（三）2008 5110369022 胡琦伟
3. 碳纳米管在生物医学领域的应用研究进展 碳纳米管是一类代表性的纳米材料。近年来,碳纳米管的生物学效应引起了人们的极大兴 趣,以生物学应用为目的的探索研究正在迅速增多,逐渐成为一个新的研究热点。碳纳米管有 望在人工器官与组织工程、药物(基因)运载、重大疾病的早期诊断、生物医学仪器研制等众 多方面发挥重要的作用。 研究结果表明,随着复合物中碳纳米管含量的增加,神经元细胞和成骨细胞在复合材料上 的粘附与生长也越来越活跃,而星形细胞和成纤维细胞的活性则呈现同等程度的下降。神经 组织中的星形细胞往往会在神经组织的植入物表面形成胶质瘢痕组织,从而阻碍植入设备的 正常工作,骨科植入物的表面也经常被成纤维细胞所形成的纤维组织所包裹,造成伤处不愈合 和移植物的松脱。所以无论对于神经组织还是骨组织而言,使用碳纳米管含量较高的复合材 料,均能促进组织再生,同时也能显著地抑制对植入设备产生不利影响的胶质瘢痕和纤维组织 的形成。 由于碳纳米管本身具有独特的电学和机械性能,一些实验室开始尝试将经过表面修饰的 碳纳米管作为组织工程支架为细胞生长及组织再生提供诱导和支持。 参考资料： [1]曲秋莲,张英鸽,. 纳米技术和材料在医学上应用的现状与展望[J]. 东南大学学报(医学 版),2011,(1). [2]王英泽,黄奔,吕娟,梁兴杰,. 纳米技术在生物医学领域的研究现状[J]. 生物物理学 报,2009,(3). [3]曹献英,杜晶晶,. 纳米技术在医学中的应用[J]. 医学综述,2009,(7). [4]张进,兰卫光,. 分子纳米技术在生物医学领域的应用[J]. 临床和实验医学杂 志,2007,(1). [5]郭梦金,张欣杰,. 纳米技术在医学中的应用现状及展望[J]. 河北化工,2007,(3). [6]张红雨,李迎新,顾汉卿,. 纳米技术在现代医学中的应用[J]. 医疗卫生装备,2007,(9). [7]姜学红,王澜,. 纳米技术在医学领域的应用[J]. 广东塑料,2005,(3). [8]李道萍. 21 世纪崭新的学科——纳米医学[J]. 世界最新医学信息文摘,2002,(3). [9]李道萍. 纳米技术在医学领域中的应用[C]. 新世纪科技与湖北经济发展——2001 首 届湖北科技论坛论文集.2001 [10]强伯勤,杨国忠. 纳米医学——纳米技术在医药卫生中的应用[C]. 纳米材料和技术应 用进展——全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集（上卷）.2001 [11]张其清,周志敏. 纳米技术与生物医学前沿[C]. 中国生物医学工程进展——2007中国 生物医学工程联合学术年会论文集（下册）.2007 [12]黄奔,王英泽,吕娟,武世奎,梁兴杰. 纳米技术在生物医学领域的研究现状[C]. 第十届 中国科协年会论文集（三）.2008 5110369022 胡琦伟
