PPT1纳米技术研究进展 PPT2 纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸 在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进利科学技术为基 础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术 (计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物，纳米科学技术又 将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳 米加工技术和纳米计量学等。纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料 2、纳米生物医学： 3、纳米电子学： 4、纳米动力学： 纳米技术生产的产品由于构成微粒的尺寸太小，也可能直接对人体产生威胁。一般的物 品拿在手上，由于构成的微粒大小是微米或以上量级的尺寸，不会渗透到人的皮肤细胞内， 以致进入血液。在纳米技术不断发展的今天，其安全性始终是个值得关注的问题。 PPT3 纳米材料 物质到纳米尺度以后，大约是在0.1一100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突 变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊 性能构成的材料，即为纳米材料。 过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际 上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。近些年来随着碳纳米管、 石墨烯等纳米纳米材料的发现和应用，科学领域掀起了一股“纳米热”，新成果层出不穷。 第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，1974年，科学家谷口纪 男(Norio Taniguchi)最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。20世纪70年代日本科学 家用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳 米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，像铁 钴合金，把它做成大约20一30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000 倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。 PPT4单原子层纳米金属材料研制成功 自石墨烯发现以来，科学界对含离域大P键的单层材料的研究集中在具有层状结构相 关材料体系方面。由于金属键无方向性而易于形成三维的紧密堆积结构，迄今为止具有离域 电子特性的单原子层的金属结构未见报道。 清华大学李亚栋院士团队利用弱配体聚乙烯吡咯烷酮PVP)稳定的甲醛还原金属佬，成 功制备出世界上第一例单原子层厚度的纳米金属铑片，球差电镜和同步辐射研究均证实了这 一新颖的单原子层金属结构。 PPT5
PPT1 纳米技术研究进展 PPT2 纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸 在 0.1 至 100 纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基 础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术 （计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又 将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳 米加工技术和纳米计量学等。纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料 2、纳米生物医学： 3、纳米电子学： 4、纳米动力学： 纳米技术生产的产品由于构成微粒的尺寸太小，也可能直接对人体产生威胁。一般的物 品拿在手上，由于构成的微粒大小是微米或以上量级的尺寸，不会渗透到人的皮肤细胞内， 以致进入血液。在纳米技术不断发展的今天，其安全性始终是个值得关注的问题。 PPT3 纳米材料 物质到纳米尺度以后，大约是在 0.1—100 纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突 变，出现特殊性能。 这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊 性能构成的材料，即为纳米材料。 过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际 上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。近些年来随着碳纳米管、 石墨烯等纳米纳米材料的发现和应用，科学领域掀起了一股“纳米热”，新成果层出不穷。 第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，1974 年，科学家谷口纪 男（Norio Taniguchi）最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。20 世纪 70 年代日本科学 家用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳 米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，像铁 钴合金，把它做成大约 20—30 纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高 1000 倍。80 年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。 PPT4 单原子层纳米金属材料研制成功 自石墨烯发现以来，科学界对含离域大 P 键的单层材料的研究集中在具有层状结构相 关材料体系方面。由于金属键无方向性而易于形成三维的紧密堆积结构，迄今为止具有离域 电子特性的单原子层的金属结构未见报道。 清华大学李亚栋院士团队利用弱配体聚乙烯吡咯烷酮(PVP)稳定的甲醛还原金属铑，成 功制备出世界上第一例单原子层厚度的纳米金属铑片，球差电镜和同步辐射研究均证实了这 一新颖的单原子层金属结构。 PPT5
一一成果2014年2月发表于权威期刊《自然一通讯》 PPT6北大破解碳纳米管制备难题 单壁碳纳米管可看作是由石墨烯沿一定方向卷曲而成的空心圆柱体，根据卷曲方式（通 常称为“手性”)的不同（注：手性一词指一个物体与其镜像不重合。如我们的双手，左手 与互成镜像的右手不重合。)，可以是金属性导体或带隙不同的半导体（注：带隙亦称为能 隙(Bandgap energy gap)或译作能带隙，在固态物理学中泛指半导体或是绝缘体的价带 (valence band)顶端至传导带(conduction band)底端的能量差距。) 这是碳纳米管的一个独特而优异的性质，但也为碳纳米管的制备带来了巨大的挑战，用 ·般方法合成的样品均为不同结构的碳纳米管组成的混合物，单一手性单壁碳纳米管的选择 性生长成为一个难题，经过国际上20余年的努力仍悬而未决，这已经成为碳纳米管研究和 应用发展的瓶颈。 PPT7 李彦教授课题组基于对碳纳米管生长催化剂性能的深入了解，他们提出了一种利用具有 固定结构的催化剂来调控生成的单壁碳纳米管结构的方案。他们发展了一类钨基合金催化 剂，这种催化剂纳米粒子具有非常高的熔点，能够在单壁碳纳米管生长的高温环境下保持其 晶态结构和形貌。同时，这类催化剂本身具有独特的结构。利用这种钨基合金纳米晶为催化 剂，就能够生长出具有特定结构的单壁碳纳米管。 PPT8华东理工在高强度碳纳米管纤维方面获重大进展 自1991年被发现以来，碳纳米管一直被公认为所能制造出来的最强、最刚、最韧的分 子。不过，要想更好地实现碳纳米管的优良性能和诸多实际应用，必须将碳纳米管组装成宏 观材料，例如纤维。如何连续制备碳纳米管纤维，并保持单根碳纳米管的优良性能，成为科 学界和产业界追求的目标。 PPT9 针对上述问题，王健农教授课题组创新性地利用浮动化学气相沉积法连续制备出碳纳米 管宏观筒状物，并在开放大气环境中将筒状物直接过水收缩成纤维，然后采用机械辊压工艺 提高纤维的致密性，成功制备出高强度(3.76-5.53Ga)、高延伸率(8-13%)和高导电率的 碳纳米管纤维材料，其抗拉强度首次达到韧性和导电性大大优于传统高强碳纤维的水平，在 航空航天等高端领域将得到重要应用。 2016年2月，王健农教授又成功制备出高强度(9.6GPa)、高杨氏模量(130GPa)和高延 伸率(8%)的碳纳米管薄膜材料。因其抗拉强度值远远高于所有已发表文献中的强度值。其相 关成果发表在纳米领域国际著名期刊Nano Letters上。 PPT10超长二氧化钛纳米管：高倍率超长循环寿命储能材料 目前，市场上销售的锂离子电池主要以石墨作为负极和LCoO2作为正极，材料本身限
——成果 2014 年 2 月发表于权威期刊《自然－通讯》 PPT6 北大破解碳纳米管制备难题 单壁碳纳米管可看作是由石墨烯沿一定方向卷曲而成的空心圆柱体，根据卷曲方式（通 常称为“手性”）的不同（注：手性一词指一个物体与其镜像不重合。如我们的双手，左手 与互成镜像的右手不重合。），可以是金属性导体或带隙不同的半导体（注：带隙亦称为能 隙（Bandgap energy gap）或译作能带隙，在固态物理学中泛指半导体或是绝缘体的价带 （valence band）顶端至传导带（conduction band）底端的能量差距。） 这是碳纳米管的一个独特而优异的性质，但也为碳纳米管的制备带来了巨大的挑战，用 一般方法合成的样品均为不同结构的碳纳米管组成的混合物，单一手性单壁碳纳米管的选择 性生长成为一个难题，经过国际上 20 余年的努力仍悬而未决，这已经成为碳纳米管研究和 应用发展的瓶颈。 PPT7 李彦教授课题组基于对碳纳米管生长催化剂性能的深入了解，他们提出了一种利用具有 固定结构的催化剂来调控生成的单壁碳纳米管结构的方案。他们发展了一类钨基合金催化 剂，这种催化剂纳米粒子具有非常高的熔点，能够在单壁碳纳米管生长的高温环境下保持其 晶态结构和形貌。同时，这类催化剂本身具有独特的结构。利用这种钨基合金纳米晶为催化 剂，就能够生长出具有特定结构的单壁碳纳米管。 PPT8 华东理工在高强度碳纳米管纤维方面获重大进展 自 1991 年被发现以来，碳纳米管一直被公认为所能制造出来的最强、最刚、最韧的分 子。不过，要想更好地实现碳纳米管的优良性能和诸多实际应用，必须将碳纳米管组装成宏 观材料，例如纤维。如何连续制备碳纳米管纤维，并保持单根碳纳米管的优良性能，成为科 学界和产业界追求的目标。 PPT9 针对上述问题，王健农教授课题组创新性地利用浮动化学气相沉积法连续制备出碳纳米 管宏观筒状物，并在开放大气环境中将筒状物直接过水收缩成纤维，然后采用机械辊压工艺 提高纤维的致密性，成功制备出高强度(3.76–5.53 GPa)、高延伸率(8–13%)和高导电率的 碳纳米管纤维材料，其抗拉强度首次达到韧性和导电性大大优于传统高强碳纤维的水平，在 航空航天等高端领域将得到重要应用。 2016 年 2 月，王健农教授又成功制备出高强度(9.6 GPa)、高杨氏模量 (130 GPa)和高延 伸率(8%)的碳纳米管薄膜材料。因其抗拉强度值远远高于所有已发表文献中的强度值。其相 关成果发表在纳米领域国际著名期刊 Nano Letters 上。 PPT10 超长二氧化钛纳米管：高倍率超长循环寿命储能材料 目前，市场上销售的锂离子电池主要以石墨作为负极和 LiCoO2 作为正极，材料本身限
制了其快速充放电的性能，尤其在便携式电子设备（如手机、电脑灯）和电动汽车领域仍难 以满足供电需求。突破传统锂电池的储电瓶颈并开发出超快倍率充放电和超长循环寿命的锂 电池具有重大意义，这必将极大推动新一代储能技术的发展。 新加坡南洋理工大学的Chen Xiaodong教授课题组在传统水热反应中加入机械力搅拌， 成功合成长度达几十徽米的钛酸盐纳米管，这比通过传统水热法合成的纳米管长度增加大 约100倍。 PPT11 基于超长可弯曲的纳米管结构并结合热处理化学转换，二氧化钛三维网络构架得以构 建，并展示出了优异的超快充放电性能。在超快充放电（每次<3分钟，电流密度为8.4AWg) 的情况下，可以循环充放电达10000次以上，这等同于长达25年的产品寿命（假设一天充 电一次)。 一一成果于2014年9月发表在《Advanced Materials》期f刊，该期刊接收与材料领域相 关的顶尖科研成果，2015年度其接收率只有9%，影响因子为18.96。 PPT12科学家揭示纳米粒子神奇特性外部液体内部晶体 纳米粒子的应用包含从电子学到药物学等一系列领域，一般来说，研究人员希望纳米粒 子形成一定的形状，且这些形状要非常稳定，在有些情况下最好可以持续几年。然而，美 国麻省理工学院的李巨(JuL)教授带领的研究小组在纯银纳米粒子里发现了一个令人惊讶 的现象：室温下，从外面看它们像液体水滴，会摇晃并随时改变形状，而它们内部则是超级 稳定的晶体结构。 PPT13 实验是在室温环境下进行的，使用了直径不超过10纳米的纯银粒子，宽度不超过人类头 发的1/1000。银具有相对较高的熔点（大约为962摄氏度），因此纳米粒子里观测到的任何类似 液体的行为应该“相当意外”。 研究人员利用透射式电子显微镜和原子建模进行的细节成像揭示了虽然金属纳米粒子 的外部移动类似于液体，但只有相当于1-2个原子厚度的最外层在特定时间是移动的。随着 这些外层原子层在表面移动并在其它处重新堆积，它们产生了更大运动量的错觉一一但在每 一颗粒子内“内部是结晶的，因此唯一移动光的原子是第一个或者第二个单层。”李说道。 “除了第一、二层，其它各处都是结晶透明的。”相比之下，如果水滴融化成液态，晶体结 构的有序性将完全丢失，就像一整面墙坍塌成分散的砖块。 从技术层面讲，粒子的变形是拟弹性的，这意味着在压力移除后材料可以回归之前的原 始形状，就像被压缩的橡胶球，这与可塑性是相对的，后者是一堆已经变形的泥土，它会继 续保持新的形状。 界面扩散的可塑性的现象最先是由美国麻省理工学院陶瓷工程学教授罗伯特·科博 (Robert L.Coble)提出的，它也被称为科布尔蠕变(Coble creep)。“因此我们将所观察 到的灵活的称为科布尔伪弹性。”李说道。 现在这一现象已经被科学家们理解，研究纳米电路或者其他纳米设备的科研人员可以轻 易的进行补偿。如果纳米粒子得到难以察觉的稀薄氧化层的保护，那么类似液体的行为就可 以完全消除，从而实现稳定的电路。 另一方面，这一现象对于其它应用也很有用：例如在电触头必须经受旋转重构的电路里， 最大化这种效应的粒子或可能被证明是非常有用的，利用惰性金属或者在还原性气氛下，实 现氧化层形成的失稳。部，原子保持完美排列，就像墙上的砖块一样。 这一发现公然挑战了某些研究预期，这部分原因是对大部分材料的关系的理解已经很成 熟，也即材料的机械强度会随着体积的减少而增加。“整体来说，体积越小，强度越大。” 李说道。但“当体积非常小时，材料组件可能变得非常微弱，从‘越小越强’到‘越小越弱’
制了其快速充放电的性能，尤其在便携式电子设备（如手机、电脑灯）和电动汽车领域仍难 以满足供电需求。突破传统锂电池的储电瓶颈并开发出超快倍率充放电和超长循环寿命的锂 电池具有重大意义，这必将极大推动新一代储能技术的发展。 新加坡南洋理工大学的 Chen Xiaodong 教授课题组在传统水热反应中加入机械力搅拌， 成功合成长度达几十微米的钛酸盐纳米管，这比通过传统水热法合成的纳米管长度增加大 约 100 倍。 PPT11 基于超长可弯曲的纳米管结构并结合热处理化学转换，二氧化钛三维网络构架得以构 建，并展示出了优异的超快充放电性能。在超快充放电（每次< 3 分钟，电流密度为 8.4 A/g） 的情况下，可以循环充放电达 10000 次以上，这等同于长达 25 年的产品寿命（假设一天充 电一次）。 ——成果于 2014 年 9 月发表在《Advanced Materials》期刊，该期刊接收与材料领域相 关的顶尖科研成果，2015 年度其接收率只有 9%，影响因子为 18.96。 PPT12 科学家揭示纳米粒子神奇特性 外部液体内部晶体 纳米粒子的应用包含从电子学到药物学等一系列领域，一般来说，研究人员希望纳米粒 子形成一定的形状，且这些形状要非常稳定，在有些情况下最好可以持续几年。然而，美 国麻省理工学院的李巨（Ju Li）教授带领的研究小组在纯银纳米粒子里发现了一个令人惊讶 的现象：室温下，从外面看它们像液体水滴，会摇晃并随时改变形状，而它们内部则是超级 稳定的晶体结构。 PPT13 实验是在室温环境下进行的，使用了直径不超过 10 纳米的纯银粒子,宽度不超过人类头 发的 1/1000。银具有相对较高的熔点(大约为 962 摄氏度),因此纳米粒子里观测到的任何类似 液体的行为应该“相当意外”。 研究人员利用透射式电子显微镜和原子建模进行的细节成像揭示了虽然金属纳米粒子 的外部移动类似于液体，但只有相当于 1-2 个原子厚度的最外层在特定时间是移动的。随着 这些外层原子层在表面移动并在其它处重新堆积，它们产生了更大运动量的错觉——但在每 一颗粒子内“内部是结晶的，因此唯一移动光的原子是第一个或者第二个单层。”李说道。 “除了第一、二层，其它各处都是结晶透明的。”相比之下，如果水滴融化成液态，晶体结 构的有序性将完全丢失，就像一整面墙坍塌成分散的砖块。 从技术层面讲，粒子的变形是拟弹性的，这意味着在压力移除后材料可以回归之前的原 始形状，就像被压缩的橡胶球，这与可塑性是相对的，后者是一堆已经变形的泥土，它会继 续保持新的形状。 界面扩散的可塑性的现象最先是由美国麻省理工学院陶瓷工程学教授罗伯特•科博 （Robert L. Coble）提出的，它也被称为科布尔蠕变（Coble creep）。“因此我们将所观察 到的灵活的称为科布尔伪弹性。”李说道。 现在这一现象已经被科学家们理解，研究纳米电路或者其他纳米设备的科研人员可以轻 易的进行补偿。如果纳米粒子得到难以察觉的稀薄氧化层的保护，那么类似液体的行为就可 以完全消除，从而实现稳定的电路。 另一方面，这一现象对于其它应用也很有用：例如在电触头必须经受旋转重构的电路里， 最大化这种效应的粒子或可能被证明是非常有用的，利用惰性金属或者在还原性气氛下，实 现氧化层形成的失稳。部，原子保持完美排列，就像墙上的砖块一样。 这一发现公然挑战了某些研究预期，这部分原因是对大部分材料的关系的理解已经很成 熟，也即材料的机械强度会随着体积的减少而增加。“整体来说，体积越小，强度越大。” 李说道。但“当体积非常小时，材料组件可能变得非常微弱，从‘越小越强’到‘越小越弱’
的转变可能非常突兀。 PPT14纳米结构 传统材料的强度、重量和密度是相互关联的。例如陶瓷牢固但很沉，但是在纳米级大小 时，这些规律就不适用了。在这个尺寸范围，陶瓷的结构属性和机械属性受重量等属性的约 束变少，也能被更精确地更改。 给金属和陶瓷材料打造纳米级结构可给它们带来超能力，进而有望改变一切东西的建造 方式。它们可变得任何时候都极富弹性，极其坚固，十分轻盈，同时能够在被压平之后恢复 成原来的形状。 20l5年9月，加州理工学院实验室教授、纳米结构倡导者朱莉娅·格里尔(Julia Greer) 为这类材料的强度和弹性创造了新的记录。 PPT15 徽型构架：电子显徽镜扫描像展现了其陶瓷纳米格构 这种由像微型埃菲尔铁塔的支杆一样纵横交错的纳米级支杆组成的新型材料，是有史以 来最牢固最轻质的物质之一。研究人员发现，通过用心设计纳米级支杆和连接点，他们可以 制造出像海绵那样被挤压后能恢复原状的陶瓷、金属等材料。这些材料非常牢固，而且非常 轻，能像羽毛一样浮在空中。 为了制造出陶瓷纳米支架，格里尔团队使用一种名为双光子干涉光刻（相当于成本极低 的3D激光打印技术)的技术，首先，他们用这一方法，使用聚合物制造出了所需的结构- 网格，接着，用氧化铝等陶瓷将聚合物包裹起来，随后，再用氧等离子体对其进行蚀刻，最 终只留下中空的陶瓷管网格。 格里尔团队证明，通过改变管壁的厚度，可以很好地对材料是否容易破碎进行控制。当 管壁很厚时，陶瓷会在压力下粉碎，和我们想象的一样，但当管壁仅为10纳米厚时，材料 在压力下也会弯曲，但随后会恢复其形状。 研究人员表示，这种新材料或许非常适合用做制造电池的原料。纳米结构拥有很大的表 面积，而且非常轻质，这两点结合起来，可以制造能快速充放且能容纳很多能源的电池。实 际上，格里尔表示，她正在与德国博世公司携手将最新设计应用在锂离子电池的制造过程中。 一研究成果于2015年9月刊登于《science》杂志上 PPT16将二氧化碳变成纳米材料 大气中的二氧化碳等温室气体是全球变暖的罪魁祸首，如何能将二氧化碳转变成对人类 有用的物质，二氧化碳将成为我们人类最为廉价和环保的一种可再生能源。 2015年9月，美国乔治华盛顿大学Stuart Licht教授领导的研究小组成功利用简便的电 化学方法将二氧化碳转化为碳纳米纤维。他们首先将碳酸锂加热到其熔点(723摄氏度)以 上使其处于熔融状态，再接通电路对碳酸锂进行电解。电解得到的产物是氧化锂、氧气和以 碳纳米纤维形式沉积到金属电极上的碳单质。随后氧化锂与空气中的二氧化碳结合重新生成 碳酸锂，随即被电解，总的结果就是将空气中的二氧化碳转化为碳纳米纤维。 PPT17
的转变可能非常突兀。 PPT14 纳米结构 传统材料的强度、重量和密度是相互关联的。例如陶瓷牢固但很沉，但是在纳米级大小 时，这些规律就不适用了。在这个尺寸范围，陶瓷的结构属性和机械属性受重量等属性的约 束变少，也能被更精确地更改。 给金属和陶瓷材料打造纳米级结构可给它们带来超能力，进而有望改变一切东西的建造 方式。它们可变得任何时候都极富弹性，极其坚固，十分轻盈，同时能够在被压平之后恢复 成原来的形状。 2015 年 9 月，加州理工学院实验室教授、纳米结构倡导者朱莉娅·格里尔（Julia Greer） 为这类材料的强度和弹性创造了新的记录。 PPT15 微型构架：电子显微镜扫描像展现了其陶瓷纳米格构 这种由像微型埃菲尔铁塔的支杆一样纵横交错的纳米级支杆组成的新型材料，是有史以 来最牢固最轻质的物质之一。研究人员发现，通过用心设计纳米级支杆和连接点，他们可以 制造出像海绵那样被挤压后能恢复原状的陶瓷、金属等材料。这些材料非常牢固，而且非常 轻，能像羽毛一样浮在空中。 为了制造出陶瓷纳米支架，格里尔团队使用一种名为双光子干涉光刻（相当于成本极低 的 3D 激光打印技术）的技术，首先，他们用这一方法，使用聚合物制造出了所需的结构- 网格，接着，用氧化铝等陶瓷将聚合物包裹起来，随后，再用氧等离子体对其进行蚀刻，最 终只留下中空的陶瓷管网格。 格里尔团队证明，通过改变管壁的厚度，可以很好地对材料是否容易破碎进行控制。当 管壁很厚时，陶瓷会在压力下粉碎，和我们想象的一样，但当管壁仅为 10 纳米厚时，材料 在压力下也会弯曲，但随后会恢复其形状。 研究人员表示，这种新材料或许非常适合用做制造电池的原料。纳米结构拥有很大的表 面积，而且非常轻质，这两点结合起来，可以制造能快速充放且能容纳很多能源的电池。实 际上，格里尔表示，她正在与德国博世公司携手将最新设计应用在锂离子电池的制造过程中。 ——研究成果于 2015 年 9 月刊登于《science》杂志上 PPT16 将二氧化碳变成纳米材料 大气中的二氧化碳等温室气体是全球变暖的罪魁祸首，如何能将二氧化碳转变成对人类 有用的物质，二氧化碳将成为我们人类最为廉价和环保的一种可再生能源。 2015 年 9 月，美国乔治·华盛顿大学 Stuart Licht 教授领导的研究小组成功利用简便的电 化学方法将二氧化碳转化为碳纳米纤维。他们首先将碳酸锂加热到其熔点（723 摄氏度）以 上使其处于熔融状态，再接通电路对碳酸锂进行电解。电解得到的产物是氧化锂、氧气和以 碳纳米纤维形式沉积到金属电极上的碳单质。随后氧化锂与空气中的二氧化碳结合重新生成 碳酸锂，随即被电解，总的结果就是将空气中的二氧化碳转化为碳纳米纤维。 PPT17
电子显微镜下看到的由二氧化碳转化而来的碳纳米纤维 碳纳米纤维是由石墨片层卷曲而成的纳米尺度纤维状材料，其结构介于碳纳米管和普通 碳纤维之间，在复合材料、催化等许多领域都有着重要的应用，但目前的生产技术费时费力。 一一2015年8月3日发表于《NANO Letters》 PPT18钴纳米材料将二氧化碳转化成清洁能源 来自中国合肥国家物理科学实验室的研究小组开发出了一种由钴制成的新型纳米材料， 可以将二氧化碳气体转化为一种称为甲酸盐的清洁燃料。研究小组使用电解还原过程将小 电流通过这种材料从而改变了二氧化碳的分子结构，将其转化为清洁燃料。 换言之，当电流被施加到这种钴纳米材料上时，会让材料内部的分子跟通过它的二氧化 碳分子进行相互作用，这将导致氢原子附着在二氧化碳的碳原子上，促使一个额外的电子进 入其中一个氧原子中。于是二氧化碳就变成了HC02,即甲酸盐。 甲酸盐具有易降解性、低毒性和低成本的特征。甲酸盐中加入钯基催化剂后制成的甲 酸燃料电池功率密度为甲醇燃料电池的两倍。同时甲酸盐不易燃烧，容易存储和运输。 一2016年1月f刊登于《Angewandte Chemie》 PPT19纳米李晶面金刚石超强硬度机制探究上获新突破 金刚石作为自然界中硬度最高的材料，是材料硬度研究领域的标杆，其维氏刻压强度可 达到100GPa。寻找硬度超过金刚石的材料长期成为这领域内科研工作者的一个挑战目标， 同时这类硬度极高的材料能被用作极端情况下的切削工具、钻头、产生极端高压的对顶砧等 等，对于军事、科研、工业、民用都有很重要的意义。 上海交通大学孙弘教授小组使用第一性原理计算方法对于过渡金属硼化物新型超硬材料以 及各类特殊性质超硬材料都开展过深刻的研究，通过分析实验发现，实验过程中使用硬度较 小的金刚石压头去刻压硬度较大的nt-Dia,但是最终压头并没有损坏。 PPT20 基于这一观察，研究小组提出了最大正压力刻压模型，并用该模型对t-Dia进行了形变 模拟，成功解释了处于反常Hal-Petch区域的nt-Dia材料硬度达到200GPa这一实验事实。 计算发现孪晶面相对于一般晶界有着更低的界面能，在切向形变以及压头正压力的共同作用 下，将会发生规律性移动，使得材料在形变过程中，通过相变以及“旋转”的方式，从硬度较 低的结构转变到硬度很高的结构，提升材料的硬度。 -于2016年11月f刊登于《Physical Review Letter》 PPT21 纳米生物医学 纳米生物医学是生物医学技术和纳米技术的有机结合，包括纳米粒子与药物载体技术、 纳米医学诊断、纳米治疗、用于生物传感器的纳米材料和技术、基于微纳加工技术的纳米生 物传感器件、生命科学研究中的纳米表征技术等。 纳米生物学发展到一定技术程度时，可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细 胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注入人体内，可以用于定向杀癌细胞
电子显微镜下看到的由二氧化碳转化而来的碳纳米纤维 碳纳米纤维是由石墨片层卷曲而成的纳米尺度纤维状材料，其结构介于碳纳米管和普通 碳纤维之间，在复合材料、催化等许多领域都有着重要的应用，但目前的生产技术费时费力。 ——2015 年 8 月 3 日发表于《NANO Letters》 PPT18 钴纳米材料将二氧化碳转化成清洁能源 来自中国合肥国家物理科学实验室的研究小组开发出了一种由钴制成的新型纳米材料， 可以将二氧化碳气体转化为一种称为甲酸盐的清洁燃料。 研究小组使用电解还原过程将小 电流通过这种材料从而改变了二氧化碳的分子结构，将其转化为清洁燃料。 换言之，当电流被施加到这种钴纳米材料上时，会让材料内部的分子跟通过它的二氧化 碳分子进行相互作用，这将导致氢原子附着在二氧化碳的碳原子上，促使一个额外的电子进 入其中一个氧原子中。于是二氧化碳就变成了 HCO2，即甲酸盐。 甲酸盐具有易降解性、低毒性和低成本的特征。 甲酸盐中加入钯基催化剂后制成的甲 酸燃料电池功率密度为甲醇燃料电池的两倍。同时甲酸盐不易燃烧,容易存储和运输。 ——2016 年 1 月刊登于《Angewandte Chemie》 PPT19 纳米孪晶面金刚石超强硬度机制探究上获新突破 金刚石作为自然界中硬度最高的材料，是材料硬度研究领域的标杆，其维氏刻压强度可 达到 100GPa。寻找硬度超过金刚石的材料长期成为这领域内科研工作者的一个挑战目标， 同时这类硬度极高的材料能被用作极端情况下的切削工具、钻头、产生极端高压的对顶砧等 等，对于军事、科研、工业、民用都有很重要的意义。 上海交通大学孙弘教授小组使用第一性原理计算方法对于过渡金属硼化物新型超硬材料以 及各类特殊性质超硬材料都开展过深刻的研究，通过分析实验发现，实验过程中使用硬度较 小的金刚石压头去刻压硬度较大的 nt-Dia，但是最终压头并没有损坏。 PPT20 基于这一观察，研究小组提出了最大正压力刻压模型，并用该模型对 nt-Dia 进行了形变 模拟，成功解释了处于反常 Hall-Petch 区域的 nt-Dia 材料硬度达到 200GPa 这一实验事实。 计算发现孪晶面相对于一般晶界有着更低的界面能，在切向形变以及压头正压力的共同作用 下，将会发生规律性移动，使得材料在形变过程中，通过相变以及“旋转”的方式，从硬度较 低的结构转变到硬度很高的结构，提升材料的硬度。 ——于 2016 年 11 月刊登于《Physical Review Letter》 PPT21 纳米生物医学 纳米生物医学是生物医学技术和纳米技术的有机结合，包括纳米粒子与药物载体技术、 纳米医学诊断、纳米治疗、用于生物传感器的纳米材料和技术、基于微纳加工技术的纳米生 物传感器件、生 命科学研究中的纳米表征技术等。 纳米生物学发展到一定技术程度时，可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细 胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注入人体内，可以用于定向杀癌细胞
PPT22纳米生物医学一癌症领域 当前医疗水平下，多数癌症难以治愈，这其实主要有以下两点主要原因： 癌症病因复杂，难以确切诊断，从而对症下药、合理治疗。它不仅可以由化学、物理、 生物、遗传、免疫、内分泌因素引发，也可能是偶然因素或者不良生活习惯，甚至这些因素 的组合拳。 癌细胞扩散速度快，发生癌变的细胞遗传物质发生变化，可以无限增殖且速度快。而且 癌变细胞表面多糖物质大大减少，而这些多糖物质有细胞识别和固定细胞的作用，如此一来， 癌细胞更容易扩散，这是当前面对癌症非常棘手的一个问题。 PPT231、纳米诊断技术一一新型纳米探针 如何实现对癌症的精准诊疗一直是医学界的难题和研究热点。随着纳米科学技术的蓬勃 发展，纳米诊疗医学的建立和发展为癌症等重大疾病的早期诊断和精准治疗提供了一个全新 的多功能诊治平台。 深圳大学医学部黄鹏特聘教授团队致力于癌症的精准诊疗研究，于2016年5月取得重 大研究进展。其中在用于肿瘤诊断治疗一体化的金纳米材料可控合成方面实现突破，研究成 果以封面文章形式发表在工程技术领域的国际一流期刊《Nanoscale》上：同时该团队成功 合成了新型纳米探针用于癌症精准诊疗，研究成果以封面文章形式发表在材料学领域的国际 一流期刊今年5月的《Advanced Materials》上，引起业内普遍关注。 PPT24 该开创性地利用人体内生物色素一黑色素作为原料，通过仿生法成功合成了磁性黑色 素纳米颗粒(MMNs),再利用黑色素能吸附金属离子的特性，实现了快速一步放射性核素 64Cu百分百标记。标记后的纳米探针可利用正电子发射计算机断层显像(PET)、核磁共 振成像(MRI)和光声成像(PAI)三种成像模式同时指征肿瘤。再加上黑色素对近红外区 光有很强的吸收，具有优越的光热转化效率，该探针在肿瘤部位蓄积后利用较低的激光照射 便可达到高效的肿瘤光热治疗效果，从而实现了多模态成像指导的光热治疗。同时，新型纳 米探针能够将诊断、治疗和疗效监控等功能一体化，不仅可以实现肿瘤的成像和治疗，而且 可以实时监测治疗效果。 令人惊喜的是，MMNs还具有UV(紫外射线)和y射线保护功能(CT、放疗等治疗过 程中会有该射线的作用)。该纳米探针由黑色素和四氧化三铁组成最佳伴侣，而这两种物质 均具有很好的生物相容性，因此MMNs具有极高的临床转化应用价值。 PPT252.1纳米药物和载体一一纳米黄金粒子 黄金纳米粒子，是黄金的纳米级颗粒，可用于医学成像技术、肿瘤检测等 2015年12月，英国帝国理工学院发布的一项新研究显示，微小的黄金纳米粒子能提升 癌症化疗的效果，并降低化疗对病患的副作用。帝国理工学院下设的国家心肺研究所研究人 员发现，黄金纳米粒子很容易被人体癌细胞吸收，他们为这种粒子包上一层化疗药物后，就 可以把它们作为“运输工具”准确地将化疗药物投放到癌细胞上。 PPT26 化疗药物直接注入人体后，杀伤癌细胞的同时，也可能将正常细胞和免疫细胞一同杀灭， 产生副作用。利用黄金纳米颗粒有望实现化疗药物的精准投送，让其只作用于癌细胞，不伤 及其他细胞。之所以选择黄金这种材质，因为它不会与人体细胞产生反应，且利用常规计算 机断层扫描能轻易观察到黄金纳米粒子，有助医生确认它们是否已被投放到癌细胞上。此外， 还可以在体外用红外线加热己进入癌细胞的黄金纳米粒子，利用热量从内部杀灭癌细胞，实 现对癌细胞的双重打击
PPT22 纳米生物医学——癌症领域 当前医疗水平下，多数癌症难以治愈，这其实主要有以下两点主要原因： 癌症病因复杂，难以确切诊断，从而对症下药、合理治疗。它不仅可以由化学、物理、 生物、遗传、免疫、内分泌因素引发，也可能是偶然因素或者不良生活习惯，甚至这些因素 的组合拳。 癌细胞扩散速度快，发生癌变的细胞遗传物质发生变化，可以无限增殖且速度快。而且 癌变细胞表面多糖物质大大减少，而这些多糖物质有细胞识别和固定细胞的作用，如此一来， 癌细胞更容易扩散，这是当前面对癌症非常棘手的一个问题。 PPT23 1、纳米诊断技术——新型纳米探针 如何实现对癌症的精准诊疗一直是医学界的难题和研究热点。随着纳米科学技术的蓬勃 发展，纳米诊疗医学的建立和发展为癌症等重大疾病的早期诊断和精准治疗提供了一个全新 的多功能诊治平台。 深圳大学医学部黄鹏特聘教授团队致力于癌症的精准诊疗研究，于 2016 年 5 月取得重 大研究进展。其中在用于肿瘤诊断治疗一体化的金纳米材料可控合成方面实现突破，研究成 果以封面文章形式发表在工程技术领域的国际一流期刊《Nanoscale》上；同时该团队成功 合成了新型纳米探针用于癌症精准诊疗，研究成果以封面文章形式发表在材料学领域的国际 一流期刊今年 5 月的《Advanced Materials》上，引起业内普遍关注。 PPT24 该开创性地利用人体内生物色素——黑色素作为原料，通过仿生法成功合成了磁性黑色 素纳米颗粒（MMNs），再利用黑色素能吸附金属离子的特性，实现了快速一步放射性核素 64Cu 百分百标记。标记后的纳米探针可利用正电子发射计算机断层显像（PET）、核磁共 振成像（MRI）和光声成像（PAI）三种成像模式同时指征肿瘤。再加上黑色素对近红外区 光有很强的吸收，具有优越的光热转化效率，该探针在肿瘤部位蓄积后利用较低的激光照射 便可达到高效的肿瘤光热治疗效果，从而实现了多模态成像指导的光热治疗。同时，新型纳 米探针能够将诊断、治疗和疗效监控等功能一体化，不仅可以实现肿瘤的成像和治疗，而且 可以实时监测治疗效果。 令人惊喜的是，MMNs 还具有 UV（紫外射线）和γ射线保护功能（CT、放疗等治疗过 程中会有该射线的作用）。该纳米探针由黑色素和四氧化三铁组成最佳伴侣，而这两种物质 均具有很好的生物相容性，因此 MMNs 具有极高的临床转化应用价值。 PPT25 2.1 纳米药物和载体——纳米黄金粒子 黄金纳米粒子，是黄金的纳米级颗粒，可用于医学成像技术、肿瘤检测等 2015 年 12 月，英国帝国理工学院发布的一项新研究显示，微小的黄金纳米粒子能提升 癌症化疗的效果，并降低化疗对病患的副作用。帝国理工学院下设的国家心肺研究所研究人 员发现，黄金纳米粒子很容易被人体癌细胞吸收，他们为这种粒子包上一层化疗药物后，就 可以把它们作为“运输工具”准确地将化疗药物投放到癌细胞上。 PPT26 化疗药物直接注入人体后，杀伤癌细胞的同时，也可能将正常细胞和免疫细胞一同杀灭， 产生副作用。利用黄金纳米颗粒有望实现化疗药物的精准投送，让其只作用于癌细胞，不伤 及其他细胞。之所以选择黄金这种材质，因为它不会与人体细胞产生反应，且利用常规计算 机断层扫描能轻易观察到黄金纳米粒子，有助医生确认它们是否已被投放到癌细胞上。此外， 还可以在体外用红外线加热已进入癌细胞的黄金纳米粒子，利用热量从内部杀灭癌细胞，实 现对癌细胞的双重打击
这种技术拥有非常不错的前景，未来有望用于多种癌症的治疗，不过目前还需要通过大 规模临床试验来验证黄金纳米粒子的效果。 PPT272.2纳米药物和载体颗粒一一“药物炸弹” 2016年4月发表在《PNAS》杂志上的一项研究中，艾莫里大学与中国科学技术大开发 出了一种特异的药物输送方式，能够有效降低化疗的毒性，这种方法的核心是由纳米颗粒组 成的“炸弹簇”。 这一项新的技术主要用于提高化疗药物“氯氨铂”的靶向性。通过将药物分子附着在 100纳米大小的颗粒上，能够顺利经过血管到达肿瘤组织。当到达目的地后，这些癌细胞周 围的酸性环境能够将整个“炸弹簇”分解成5纳米大小的小颗粒，从而能够顺利渗透到肿瘤 细胞内部。 PPT28 “氯氨铂”能够进入肿瘤细胞内部行使功能：破坏宿主细胞的DNA,将细胞杀死。研究 者们在小鼠水平对这一方法进行了验证，结果表明：新方法能够提高肿瘤组织中“氯氨铂” 的含量。另一方面，这意味着泄露到身体其它部位的“氯氨铂”分子的含量将降低，这能够有 效降低化疗的负面效应。 PPT292.3纳米药物和载体一纳米粒子靶向杀死癌症干细胞 许多癌症患者在疾病治疗后仅在几年之内就会肿瘤复发。肿瘤复发和扩散很可能是由于 传统抗癌药物很难杀死肿瘤干细胞造成的。研究人员设计的一种纳米粒子可专门针对这些肿 瘤干细胞释放药物。有关纳米粒子疗法的相关文章发表在2016年6月的《ACS Nano》杂志 上。 抗癌药物通常可以使肿瘤组织萎缩，但不会杀死肿瘤干细胞(CSCs)。尽管肿瘤干细胞在 肿瘤组织中可能只占一小部分，但其抗药性使它们能够持续在体内存活。肿瘤干细胞可以引 发肿瘤再生或使癌细胞扩散到全身。 研究人员将抗癌药物阿霉素置入涂有壳聚糖的纳米粒子中，壳聚糖是一种天然的多糖类 物质，可专门用于肿瘤干细胞。一旦肿瘤处于酸性环境中，纳米粒子就会退化并释放药物。 有关内容的测试是一种小型的体外正常组织和肿瘤干细胞的测试。本项测试中，小鼠体内人 类乳腺肿瘤组织的生长情况显示该治疗方法成功的杀死了肿瘤干细胞并清除了肿瘤组织。经 实验观察，小鼠没有明显的副作用。 2h 24h后癌细胞区域明显缩小 PPT302.4纳米药物和载体一为纳米药物贴上“通行证” 人体免疫系统能识别并摧毁外来物。除了细菌、病毒，递送药物的纳米粒子、植入的起 搏器和人工关节等也是外来物，同样会引发免疫反应，导致药物失效、排斥或发炎。 为避免纳米粒子引发天然免疫反应，早期的办法是给它们涂一层高分子的“刷子外衣”，这些 “刷子”从纳米粒子中伸出来，阻止各种血清蛋白黏在它表面。美国宾夕法尼亚大学科学家最
这种技术拥有非常不错的前景，未来有望用于多种癌症的治疗，不过目前还需要通过大 规模临床试验来验证黄金纳米粒子的效果。 PPT27 2.2 纳米药物和载体颗粒——“药物炸弹” 2016 年 4 月发表在《PNAS》杂志上的一项研究中，艾莫里大学与中国科学技术大开发 出了一种特异的药物输送方式，能够有效降低化疗的毒性，这种方法的核心是由纳米颗粒组 成的“炸弹簇”。 这一项新的技术主要用于提高化疗药物“氯氨铂”的靶向性。通过将药物分子附着在 100 纳米大小的颗粒上，能够顺利经过血管到达肿瘤组织。当到达目的地后，这些癌细胞周 围的酸性环境能够将整个“炸弹簇”分解成 5 纳米大小的小颗粒，从而能够顺利渗透到肿瘤 细胞内部。 PPT28 “氯氨铂”能够进入肿瘤细胞内部行使功能：破坏宿主细胞的 DNA，将细胞杀死。研究 者们在小鼠水平对这一方法进行了验证，结果表明：新方法能够提高肿瘤组织中“氯氨铂” 的含量。另一方面，这意味着泄露到身体其它部位的“氯氨铂”分子的含量将降低，这能够有 效降低化疗的负面效应。 PPT29 2.3 纳米药物和载体——纳米粒子靶向杀死癌症干细胞 许多癌症患者在疾病治疗后仅在几年之内就会肿瘤复发。肿瘤复发和扩散很可能是由于 传统抗癌药物很难杀死肿瘤干细胞造成的。研究人员设计的一种纳米粒子可专门针对这些肿 瘤干细胞释放药物。有关纳米粒子疗法的相关文章发表在 2016 年 6 月的《ACS Nano》杂志 上。 抗癌药物通常可以使肿瘤组织萎缩，但不会杀死肿瘤干细胞(CSCs)。尽管肿瘤干细胞在 肿瘤组织中可能只占一小部分，但其抗药性使它们能够持续在体内存活。肿瘤干细胞可以引 发肿瘤再生或使癌细胞扩散到全身。 研究人员将抗癌药物阿霉素置入涂有壳聚糖的纳米粒子中，壳聚糖是一种天然的多糖类 物质，可专门用于肿瘤干细胞。一旦肿瘤处于酸性环境中，纳米粒子就会退化并释放药物。 有关内容的测试是一种小型的体外正常组织和肿瘤干细胞的测试。本项测试中，小鼠体内人 类乳腺肿瘤组织的生长情况显示该治疗方法成功的杀死了肿瘤干细胞并清除了肿瘤组织。经 实验观察，小鼠没有明显的副作用。 24h 后癌细胞区域明显缩小 PPT30 2.4 纳米药物和载体——为纳米药物贴上“通行证” 人体免疫系统能识别并摧毁外来物。除了细菌、病毒，递送药物的纳米粒子、植入的起 搏器和人工关节等也是外来物，同样会引发免疫反应，导致药物失效、排斥或发炎。 为避免纳米粒子引发天然免疫反应，早期的办法是给它们涂一层高分子的“刷子外衣”，这些 “刷子”从纳米粒子中伸出来，阻止各种血清蛋白黏在它表面。美国宾夕法尼亚大学科学家最
近开发出一种新方法，给这些治疗设备贴上蛋白质“通行证”，让巨噬细胞相信纳米粒子是“自 己人”而放过它们，让它们能顺利通过人体的防御系统。相关论文发表在2016年2月的《科 学》杂志上。 “身体对入侵的外来物会一视同仁地加以排斥。”论文第一作者、宾夕法尼亚大学分子 与细胞生物物理学实验室研究生派尔罗德里格斯说，这是由身体天然免疫系统所引发的。这 一过程涉及多种细胞，如巨噬细胞能发现、吞掉并破坏入侵者：血清蛋白会黏在目标物上， 引起巨噬细胞注意，一旦巨噬细胞确定黏住的是外来物就会吞掉它，或发信号召集其他巨噬 细胞一起来包围它。 研究人员给小鼠注射了两种纳米粒子：一种携带小肽通行证，另一种没有，然后检测小 鼠免疫系统要多久能识别出来。“我们每10分钟抽一次血，检测两种纳米粒子各剩下多少。” 罗德里格斯说，“最初注射两种粒子的比例是1：1,20分钟到30分钟后，有小肽的粒子数 是没有小肽的4倍。” “这证明小肽确实抑制了巨噬细胞的反应。我们引起它们之间的互动，然后又克服了它。” 该项目研究人员迪斯科说。对治疗用的纳米粒子而言，它们只需活到发现目标，不必无限期 地留在体内，即使多出半小时时间己能带来很大利益：而对起搏器之类的长久植入体内的设 备来说，则需要另外的表面蛋白结合物，让它们能和免疫系统长期和平共处。 PPT313.1纳米治疗技术一一纳米刀技术 肿瘤消融是21世纪肿瘤治疗的重大进展，但是纳米刀的出现使得肿瘤治疗更加方便。 与传统消融技术不同，纳米刀并非利用“热”或“冷”效应进行物理消融，而是通过高压脉 冲电流直接破坏肿瘤细胞的细胞膜使肿瘤细胞死亡，而又能很好地保护周围的血管神经、胆 管、胰管、肠管、输尿管等重要组织不受影响。只需一分半钟，两根钢针，1500一3000伏 高压脉冲电，击穿肿瘤细胞于无形中。短短30分钟，足以使一个5厘米大小的肿瘤细胞成 蚁穴式溃败。这就是纳米刀，一种敢于对抗“癌王”的肿瘤治疗新技术。 PPT32 中国于2015年6月批准该技术用于治疗肿瘤，到7月11日，北京301医院完成国内首 例纳米刀消融术（注：又一说，2015年7月2日上午，在广州复大肿瘤医院，主刀医生 牛立志教授、外科首席专家李朝龙教授带领下的医疗团队通力合作，圆满完成了中国大陆第 一例胰腺肿瘤纳米刀消融手术)。相比传统的消融技术，纳米刀在杀死肿瘤细胞同时，能够 最大程度保护周围管道组织不受损伤，使原本许多无法开展的手术成为可能，同时具有创伤 小、疼痛轻、恢复快的特点。纳米刀技术，将为医学带来更多便利。 PPT333.2纳米治疗技术一纳米人工红细胞 肿瘤缺氧是实体肿瘤微环境的主要特征，缺氧的情况下会促进肿瘤进一步恶化，降低化 疗、放疗、光动力等手段的治疗效果，并产生耐药性及肿瘤侵袭转移。 广东医科大学药学院博士郑明彬和中国科学院深圳先进技术研究院蔡林涛、马轶凡等专家， 在纳米人工红细胞可视化精准治疗癌症方面取得突破，利用纳米人工红细胞将氧气运输到肿 瘤所在位置进行释放，能够直接将氧传递到肿瘤内部，提高肿瘤治疗效果。相关成果刊登于 2016年3月份的国际学术f刊物《Scientific Reports》。 通过构建仿生的“纳米人工红细胞”携带血红蛋白、氧和光敏剂穿透进入到肿瘤内部， 突破了肿瘤缺氧微环境和氧供应不足对光动力治疗的障碍：激光照射产生细胞致死的单线态 氧和高价铁-血红蛋白，实现了肿瘤的高效治疗。 郑明彬博士采用聚合物包载光敏剂（吲哚菁绿）-氧载体（血红蛋白）复合物，然后覆 盖类似红细胞膜的磷脂层，构建了具备携氧和释氧的功能的“纳米人工红细胞”。光敏剂、 氧合血红蛋白的光声或荧光信号能够实时监控在肿瘤部位的光敏剂和氧的富集和代谢。 在光声、荧光影像的引导下，近红外激光引发，纳米人工红细胞携带的大量的氧分子与
近开发出一种新方法，给这些治疗设备贴上蛋白质“通行证”，让巨噬细胞相信纳米粒子是“自 己人”而放过它们，让它们能顺利通过人体的防御系统。相关论文发表在 2016 年 2 月的《科 学》杂志上。 “身体对入侵的外来物会一视同仁地加以排斥。”论文第一作者、宾夕法尼亚大学分子 与细胞生物物理学实验室研究生派尔罗德里格斯说，这是由身体天然免疫系统所引发的。这 一过程涉及多种细胞，如巨噬细胞能发现、吞掉并破坏入侵者；血清蛋白会黏在目标物上， 引起巨噬细胞注意，一旦巨噬细胞确定黏住的是外来物就会吞掉它，或发信号召集其他巨噬 细胞一起来包围它。 研究人员给小鼠注射了两种纳米粒子：一种携带小肽通行证，另一种没有，然后检测小 鼠免疫系统要多久能识别出来。“我们每 10 分钟抽一次血，检测两种纳米粒子各剩下多少。” 罗德里格斯说，“最初注射两种粒子的比例是 1∶1，20 分钟到 30 分钟后，有小肽的粒子数 是没有小肽的 4 倍。” “这证明小肽确实抑制了巨噬细胞的反应。我们引起它们之间的互动，然后又克服了它。” 该项目研究人员迪斯科说。对治疗用的纳米粒子而言，它们只需活到发现目标，不必无限期 地留在体内，即使多出半小时时间已能带来很大利益；而对起搏器之类的长久植入体内的设 备来说，则需要另外的表面蛋白结合物，让它们能和免疫系统长期和平共处。 PPT31 3.1 纳米治疗技术——纳米刀技术 肿瘤消融是 21 世纪肿瘤治疗的重大进展，但是纳米刀的出现使得肿瘤治疗更加方便。 与传统消融技术不同，纳米刀并非利用“热”或“冷”效应进行物理消融，而是通过高压脉 冲电流直接破坏肿瘤细胞的细胞膜使肿瘤细胞死亡，而又能很好地保护周围的血管神经、胆 管、胰管、肠管、输尿管等重要组织不受影响。只需一分半钟，两根钢针，1500—3000 伏 高压脉冲电，击穿肿瘤细胞于无形中。短短 30 分钟，足以使一个 5 厘米大小的肿瘤细胞成 蚁穴式溃败。这就是纳米刀，一种敢于对抗“癌王”的肿瘤治疗新技术。 PPT32 中国于 2015 年 6 月批准该技术用于治疗肿瘤，到 7 月 11 日，北京 301 医院完成国内首 例纳米刀消融术（注：又一说，2015 年 7 月 2 日上午，在广州复大肿瘤医院，主刀医生 牛立志教授、外科首席专家李朝龙教授带领下的医疗团队通力合作，圆满完成了中国大陆第 一例胰腺肿瘤纳米刀消融手术）。相比传统的消融技术，纳米刀在杀死肿瘤细胞同时，能够 最大程度保护周围管道组织不受损伤，使原本许多无法开展的手术成为可能，同时具有创伤 小、疼痛轻、恢复快的特点。纳米刀技术，将为医学带来更多便利。 PPT33 3.2 纳米治疗技术——纳米人工红细胞 肿瘤缺氧是实体肿瘤微环境的主要特征，缺氧的情况下会促进肿瘤进一步恶化，降低化 疗、放疗、光动力等手段的治疗效果，并产生耐药性及肿瘤侵袭转移。 广东医科大学药学院博士郑明彬和中国科学院深圳先进技术研究院蔡林涛、马轶凡等专家， 在纳米人工红细胞可视化精准治疗癌症方面取得突破，利用纳米人工红细胞将氧气运输到肿 瘤所在位置进行释放，能够直接将氧传递到肿瘤内部，提高肿瘤治疗效果。相关成果刊登于 2016 年 3 月份的国际学术刊物《Scientific Reports》。 通过构建仿生的“纳米人工红细胞”携带血红蛋白、氧和光敏剂穿透进入到肿瘤内部， 突破了肿瘤缺氧微环境和氧供应不足对光动力治疗的障碍；激光照射产生细胞致死的单线态 氧和高价铁-血红蛋白，实现了肿瘤的高效治疗。 郑明彬博士采用聚合物包载光敏剂（吲哚菁绿）-氧载体（血红蛋白）复合物，然后覆 盖类似红细胞膜的磷脂层，构建了具备携氧和释氧的功能的“纳米人工红细胞”。光敏剂、 氧合血红蛋白的光声或荧光信号能够实时监控在肿瘤部位的光敏剂和氧的富集和代谢。 在光声、荧光影像的引导下，近红外激光引发，纳米人工红细胞携带的大量的氧分子与
光敏剂作用“爆发性”地生成单线态氧：同时部分单线态氧会促使血红蛋白转化为对肿瘤细 胞毒性更强、时间更持久的高价铁-血红蛋白，实现了影像引导高效的肿瘤光动力治疗。 PPT343.3纳米治疗技术一转移性肿瘤治疗变革 转移性肿瘤是引发90%癌症死亡的主要原因，其可以躲避有效疗法的攻击，其中一个 主要原因就是许多癌症药物并不会在肿瘤位点积累以达到足够的量，此外这些药物还会对机 体健康组织产生一定的副作用，因此特异性作用转移性肿瘤的靶向药物或许可以有效改善对 肿瘤的杀灭作用。 来自美国休斯敦卫理公会研究所的研究人员开发出首个成功地消除小鼠体内肺转移瘤 (lung metastases)的药物，从而可能引发转移性三阴性乳腺癌治疗变革。相关研究结果于 2016年3月14日在线发表在Nature Biotechnology期f刊上。 大多数癌症死亡是由于癌细胞转移到肺部和肝脏，而且迄今为止还没有治愈方法。现存 抗癌药物不能够战胜体内的生物屏障而使得接触到癌细胞的药物数量并不充足，因而只能提 供有限的益处。 在这项研究中，研究人员通过开发出一种在小鼠体内肺转移瘤内部产生纳米颗粒的药物 而解决了这个问题。他们使用阿霉素(doxorubicin,Dox),即一种癌症治疗药物，己被人 类使用了几十年，但是对心脏有副作用。此外，他们还使用了注射用纳米颗粒生产者 (injectable nanoparticle generator,iNPG),iNPG是由纳米多孔硅材料制作而成的，可在 体内自然降解。 具体而言，他们利用一种pH值敏感性的可断裂的连接子(cleavable linker)将Dox偶 联到聚L-谷氨酸上，然后将所形成的这种药物聚合物(pDox)装载到NPG内部，组装成 NPG-pDox。一旦从NPG中释放，pDox自发性地在水溶液中形成纳米大小的颗粒。在静 脉注射进小鼠体内后，NPG-pDox在肿瘤中聚集，由于NPG发生降解，pDox纳米颗粒被 释放出。pDox纳米颗粒能够被肿瘤细胞摄取到细胞内部。在肿瘤细胞内，pDox纳米颗粒被 转运到细胞核周围区域，细胞核附近的酸性导致pDox被切割，将DOx释放到细胞核中，从 而杀死肿瘤细胞。这种方法可有效地避免细胞膜上的药物排出泵将Dox排出。 利用这种策略在癌细胞己转移到肺部的三阴性乳腺癌模式小鼠体内开展研究，研究人员 发现50%接受这种药物治疗的小鼠在8个月后没有追踪到肿瘤转移性疾病。这相当于肿瘤 转移性疾病病人接受治疗后存活大约24年。 休斯敦卫理公会研究所总裁兼首席执行官Mauro Ferrari博士说，由于身体自身的防御 机制，大多数抗癌药物被吸入健康(htp:/www.chemdrug.com/article/7)组织，从而导致副作 用，而且只有一小部分服用药物真正地达到肿瘤，这就使得它并不那么有效。这种新的治疗 策略能够让药物D0x依次穿过多道生物屏障，最终被转运到肿瘤细胞的细胞核。这种活性 药物只在转移性肿瘤细胞的细胞核内部释放出来，从而避免癌细胞产生多药耐药性。这一策 略有效地杀死所有小鼠中的肿瘤并提供显著的治疗益处，包括一半小鼠在治疗后能够长期存 活。 Ferrari说，“…我们发明一种真正地在癌症内部制造纳米颗粒并在细胞核位点释放药 物纳米颗粒的方法。利用NPG,我们能够做到标准化疗药物、疫苗、放疗能够做到但是其 他纳米颗粒都不能做到的事情。” Ferrari说，“我从未想要给予上千名寻找治愈方法的癌症病人过多承诺，但是这些数据 是令人震惊的。我们正在谈论改变治愈肿瘤转移性疾病的前景，这样它就不再被视为死刑判 决。” 研究人员希望这种新的药物将有助临床医生治愈来自其他部位的肺转移瘤，也可能能够 治愈原发性肺癌
光敏剂作用“爆发性”地生成单线态氧；同时部分单线态氧会促使血红蛋白转化为对肿瘤细 胞毒性更强、时间更持久的高价铁-血红蛋白，实现了影像引导高效的肿瘤光动力治疗。 PPT34 3.3 纳米治疗技术——转移性肿瘤治疗变革 转移性肿瘤是引发 90%癌症死亡的主要原因，其可以躲避有效疗法的攻击，其中一个 主要原因就是许多癌症药物并不会在肿瘤位点积累以达到足够的量，此外这些药物还会对机 体健康组织产生一定的副作用，因此特异性作用转移性肿瘤的靶向药物或许可以有效改善对 肿瘤的杀灭作用。 来自美国休斯敦卫理公会研究所的研究人员开发出首个成功地消除小鼠体内肺转移瘤 （lung metastases）的药物，从而可能引发转移性三阴性乳腺癌治疗变革。相关研究结果于 2016 年 3 月 14 日在线发表在 Nature Biotechnology 期刊上。 大多数癌症死亡是由于癌细胞转移到肺部和肝脏，而且迄今为止还没有治愈方法。现存 抗癌药物不能够战胜体内的生物屏障而使得接触到癌细胞的药物数量并不充足，因而只能提 供有限的益处。 在这项研究中，研究人员通过开发出一种在小鼠体内肺转移瘤内部产生纳米颗粒的药物 而解决了这个问题。他们使用阿霉素（doxorubicin， Dox），即一种癌症治疗药物，已被人 类使用了几十年，但是对心脏有副作用。此外，他们还使用了注射用纳米颗粒生产者 （injectable nanoparticle generator， iNPG），iNPG 是由纳米多孔硅材料制作而成的，可在 体内自然降解。 具体而言，他们利用一种 pH 值敏感性的可断裂的连接子（cleavable linker）将 Dox 偶 联到聚 L-谷氨酸上，然后将所形成的这种药物聚合物（pDox）装载到 iNPG 内部，组装成 iNPG-pDox。一旦从 iNPG 中释放，pDox 自发性地在水溶液中形成纳米大小的颗粒。在静 脉注射进小鼠体内后，iNPG-pDox 在肿瘤中聚集，由于 iNPG 发生降解，pDox 纳米颗粒被 释放出。pDox 纳米颗粒能够被肿瘤细胞摄取到细胞内部。在肿瘤细胞内，pDox 纳米颗粒被 转运到细胞核周围区域，细胞核附近的酸性导致 pDox 被切割，将 Dox 释放到细胞核中，从 而杀死肿瘤细胞。这种方法可有效地避免细胞膜上的药物排出泵将 Dox 排出。 利用这种策略在癌细胞已转移到肺部的三阴性乳腺癌模式小鼠体内开展研究，研究人员 发现 50%接受这种药物治疗的小鼠在 8 个月后没有追踪到肿瘤转移性疾病。这相当于肿瘤 转移性疾病病人接受治疗后存活大约 24 年。 休斯敦卫理公会研究所总裁兼首席执行官 Mauro Ferrari 博士说，由于身体自身的防御 机制，大多数抗癌药物被吸入健康(http://www.chemdrug.com/article/7/)组织，从而导致副作 用，而且只有一小部分服用药物真正地达到肿瘤，这就使得它并不那么有效。这种新的治疗 策略能够让药物 Dox 依次穿过多道生物屏障，最终被转运到肿瘤细胞的细胞核。这种活性 药物只在转移性肿瘤细胞的细胞核内部释放出来，从而避免癌细胞产生多药耐药性。这一策 略有效地杀死所有小鼠中的肿瘤并提供显著的治疗益处，包括一半小鼠在治疗后能够长期存 活。 Ferrari 说，“……我们发明一种真正地在癌症内部制造纳米颗粒并在细胞核位点释放药 物纳米颗粒的方法。利用 iNPG，我们能够做到标准化疗药物、疫苗、放疗能够做到但是其 他纳米颗粒都不能做到的事情。” Ferrari 说，“我从未想要给予上千名寻找治愈方法的癌症病人过多承诺，但是这些数据 是令人震惊的。我们正在谈论改变治愈肿瘤转移性疾病的前景，这样它就不再被视为死刑判 决。” 研究人员希望这种新的药物将有助临床医生治愈来自其他部位的肺转移瘤，也可能能够 治愈原发性肺癌
PPT35小苏打真可以饿死癌细胞？ 浙江大学医学院附属第二医院放射介入科医生晁明和浙江大学肿瘤研究所教授胡汛团 队2016年8月在著名国际学术杂志Lif上发表了一项研究，针对40位晚期肝癌病人尝试 用碳酸氢钠（俗称小苏打）治疗癌症的新疗法，有效率反应达100%。 该研究方法名为TLA-TACE(靶向肿瘤内乳酸阴离子和氢离子的动脉插管化疗栓塞术)，在 介入治疗的基础上注射小苏打，去除癌细胞里面乳酸分解出的氢离子，使癌细胞更少地利用 葡萄糖，从而加速癌细胞死亡。 而这些小苏打的成本仅仅十几元而己，这引起了不少国内主流媒体的关注和大量报道， 可谓轰动一时。 PPT36 然而真实的情况是： 是在介入治疗的基础上注射苏打水，降低癌细胞利用葡萄糖的可能，从而有助于癌细胞 死亡，并非一般概念上的“饿死”，更不是防止癌症患者吃有营养的东西。 研究团队只进行了单中心试验，还没有进行多中心临床试验。多中心临床试验是由多个 医院的研究者按同一方案进行的试验，其数据的说服力远高于单中心试验。样本量太小、需 大规模随机临床试验。 新的治疗方法是在原有治疗方案的基础上进行的，增加了小苏打，一般情况下不会减少 费用。当然，如果通过这种方法提高疗效，减少重复治疗的次数，有可能减少医疗费用。 PPT37纳米生物医学其它进展 搭建DNA“车间”，铸造25纳米三维金属物件 2014年，美国哈佛大学和麻省理工学院的科研人员用金银等材料铸造出无机纳米颗粒。 这项重大突破或对疾病监测等领域产生促进作用。 DNA纳米技术是利用脱氧核糖核酸或其他核酸分子的自组装特质，来构建出可操控的新型 纳米尺度结构或机械。研究人员用的坚硬DNA构造了一个微小铸造车间来制造金属纳米颗 粒。这些颗粒的形状是通过数字手段设计得来的。 这些纳米粒子有一个非常重要的属性，即一旦成型，将会保留原DNA模块作为外壳， 从而科学家可以对其外表进行精准的附加塑形。这一属性将有助于科学家找到更高灵敏度、 更多元化的早期癌症与基因疾病检测手段。 PPT38 研究团队的想法类似于日本农民用玻璃箱培养出方形西瓜。科研人员在他们精心设计的 立方体DNA模块中植入了一个极小的“金种子”，然后激发其成长。通过一种激发性的化 学手段，这颗金种子将填满该DNA模块的所有空间，从而生产一个与该模块相同维度的立 方体纳米粒子，且其长、宽、高都可独立控制。 一一成果刊登2014年10月9日美国《科学》杂志上 PPT39纳米级3D造型技术 2015年7月，瑞典研究人员开发出一种完全使用DNA单链构建纳米级结构和形状的技 术一一“DNA折纸术(DNA-origami)。该技术的主要作用是创建出DNA大小的结构使其与 人类细胞以及构成细胞的各种分子进行相互作用。人们可以对这些结构进行特殊设计，使其 能够为人体提供救生药物或营养物质，其形状将决定它们将会如何或在什么时候被人体吸 收。 这就为治愈人类面临的一些重大疾病带来了希望。比如说癌症，医生们可以使用这种技 术关闭癌细胞的生长能力或者使其周围组织腐烂。这些构建体也可用于传递药物，使其被吸 引到身体的特定部分，并只影响该区域，而不是破坏周的组织
PPT35 小苏打真可以饿死癌细胞？ 浙江大学医学院附属第二医院放射介入科医生晁明和浙江大学肿瘤研究所教授胡汛团 队 2016 年 8 月在著名国际学术杂志 eLife 上发表了一项研究，针对 40 位晚期肝癌病人尝试 用碳酸氢钠(俗称小苏打)治疗癌症的新疗法，有效率反应达 100%。 该研究方法名为 TILA-TACE(靶向肿瘤内乳酸阴离子和氢离子的动脉插管化疗栓塞术)，在 介入治疗的基础上注射小苏打，去除癌细胞里面乳酸分解出的氢离子，使癌细胞更少地利用 葡萄糖，从而加速癌细胞死亡。 而这些小苏打的成本仅仅十几元而已，这引起了不少国内主流媒体的关注和大量报道， 可谓轰动一时。 PPT36 然而真实的情况是： 是在介入治疗的基础上注射苏打水，降低癌细胞利用葡萄糖的可能，从而有助于癌细胞 死亡，并非一般概念上的“饿死”，更不是防止癌症患者吃有营养的东西。 研究团队只进行了单中心试验，还没有进行多中心临床试验。多中心临床试验是由多个 医院的研究者按同一方案进行的试验，其数据的说服力远高于单中心试验。样本量太小、需 大规模随机临床试验。 新的治疗方法是在原有治疗方案的基础上进行的，增加了小苏打，一般情况下不会减少 费用。当然，如果通过这种方法提高疗效，减少重复治疗的次数，有可能减少医疗费用。 PPT37 纳米生物医学其它进展 搭建 DNA“车间”，铸造 25 纳米三维金属物件 2014 年，美国哈佛大学和麻省理工学院的科研人员用金银等材料铸造出无机纳米颗粒。 这项重大突破或对疾病监测等领域产生促进作用。 DNA 纳米技术是利用脱氧核糖核酸或其他核酸分子的自组装特质，来构建出可操控的新型 纳米尺度结构或机械。研究人员用的坚硬 DNA 构造了一个微小铸造车间来制造金属纳米颗 粒。这些颗粒的形状是通过数字手段设计得来的。 这些纳米粒子有一个非常重要的属性，即一旦成型，将会保留原 DNA 模块作为外壳， 从而科学家可以对其外表进行精准的附加塑形。这一属性将有助于科学家找到更高灵敏度、 更多元化的早期癌症与基因疾病检测手段。 PPT38 研究团队的想法类似于日本农民用玻璃箱培养出方形西瓜。科研人员在他们精心设计的 立方体 DNA 模块中植入了一个极小的“金种子”，然后激发其成长。通过一种激发性的化 学手段，这颗金种子将填满该 DNA 模块的所有空间，从而生产一个与该模块相同维度的立 方体纳米粒子，且其长、宽、高都可独立控制。 ——成果刊登 2014 年 10 月 9 日美国《科学》杂志上 PPT39 纳米级 3D 造型技术 2015 年 7 月，瑞典研究人员开发出一种完全使用 DNA 单链构建纳米级结构和形状的技 术——“DNA 折纸术(DNA- origami )。该技术的主要作用是创建出 DNA 大小的结构使其与 人类细胞以及构成细胞的各种分子进行相互作用。人们可以对这些结构进行特殊设计，使其 能够为人体提供救生药物或营养物质，其形状将决定它们将会如何或在什么时候被人体吸 收。 这就为治愈人类面临的一些重大疾病带来了希望。比如说癌症，医生们可以使用这种技 术关闭癌细胞的生长能力或者使其周围组织腐烂。这些构建体也可用于传递药物，使其被吸 引到身体的特定部分，并只影响该区域，而不是破坏周的组织
