納米技術(shù)在生物上的應(yīng)用

0納米技術(shù)研究領(lǐng)域納米技術(shù)論是研究電子、原子和分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特征，并在0.1.10m（1nm.10m）的口徑上制造特定功能產(chǎn)品的高科技產(chǎn)品。其實(shí)質(zhì)是在分子水平上控制單個(gè)原子,創(chuàng)造出在物理、化學(xué)和生物特性等方面發(fā)生異常的、顯著改善的物質(zhì)系統(tǒng)。因?yàn)楫?dāng)微粒小于100nm時(shí),物質(zhì)就會(huì)呈現(xiàn)出不同于宏觀物質(zhì)的許多奇異現(xiàn)象,如低熔點(diǎn)、高比熱容、高膨脹系數(shù);高反應(yīng)活性、高擴(kuò)散率;高強(qiáng)度、高韌性;奇特磁性;極強(qiáng)的吸波性等。納米技術(shù)研究的領(lǐng)域是既非宏觀又非微觀的相對(duì)獨(dú)立的中間領(lǐng)域,被稱之為介觀研究領(lǐng)域,包括:納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米機(jī)械學(xué)(制造工藝學(xué))、納米顯微學(xué)、納米加工技術(shù)等。它是多個(gè)學(xué)科的交叉學(xué)科?？梢哉f納米技術(shù)是人類認(rèn)識(shí)和改造世界能力的重大突破,在新的世紀(jì)將推動(dòng)信息技術(shù)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、分子生物學(xué)、新材料、環(huán)境科學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)及能源科學(xué)的發(fā)展,逐漸形成如納米生物學(xué)、納米醫(yī)學(xué)、納米牙醫(yī)學(xué)等新的理念,而且也將成為21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命。1納米技術(shù)在其他方面的應(yīng)用納米技術(shù)在生物上的應(yīng)用主要包含兩個(gè)方面:①利用新興的納米技術(shù)來解決生物學(xué)問題;②利用生物大分子制造分子器件,模仿和制造類似生物體系中存在的大量的生物大分子,它們被費(fèi)曼等看作是自然界的分子機(jī)器。具體應(yīng)用有:(1)在納米尺度上按照預(yù)定的對(duì)稱性和排列制備具有生物活性的蛋白質(zhì)、核糖核酸等;在納米材料和器件中植入生物材料,使其兼具生物功能和其他功能,如生物仿生化學(xué)藥品和生物可降解材料;(2)動(dòng)植物的基因改善和治療;(3)測(cè)定DNA的基因芯片等。同時(shí),納米技術(shù)還將在很多方面直接對(duì)農(nóng)業(yè)的進(jìn)步作出貢獻(xiàn),如基于分子工程的生物降解化學(xué)品可以用于給植物提供營(yíng)養(yǎng)和保護(hù)植物免遭蟲害;改良動(dòng)物和植物基因;將基因和藥物導(dǎo)入動(dòng)物體中;以及基于納米的排列測(cè)試技術(shù)用于DNA測(cè)試等。納米技術(shù)可以在微小空間重新排列基因密碼,和通過基因芯片迅速查出基因密碼的錯(cuò)誤,并利用納米技術(shù)修正錯(cuò)誤基因。在藥劑學(xué)中,控釋藥(CRDDS)是通過物理、化學(xué)等方法來改變制劑結(jié)構(gòu),使藥物在預(yù)定時(shí)間內(nèi),自動(dòng)按某一速度從劑型中恒速釋放于作用器官或特定靶組織,并使藥物濃度較長(zhǎng)時(shí)間維持在有效濃度內(nèi)的一類制劑。CRDDS的一個(gè)重要方向是將藥物粉末或溶液包埋在直徑為微米級(jí)的微粒中,使粒徑進(jìn)一步減小,成為納米級(jí)的納粒。尺寸小于10nm的超細(xì)微?？梢栽谘苤凶杂梢苿?dòng),因此可以注入各種對(duì)機(jī)體無害的納米粒子到人體的各部位,檢查病變和進(jìn)行治療;將納米顆粒壓成薄片制成過濾器,其過濾孔徑為納米量級(jí),在醫(yī)療工業(yè)中可用于血清消毒(引起人體發(fā)病的病毒尺寸一般為幾十納米)。納米材料具有優(yōu)異的吸附能力,可用作微生物吸附和選擇分離的功能材料。此外,納米金屬粉末還是制備動(dòng)物生長(zhǎng)素藥物的添加劑。有機(jī)物的超細(xì)微?？梢杂墒杷宰?yōu)橛H水性,已利用氟碳化合物的超細(xì)微粒與水形成乳白液用作人造血。納米金溶膠可用于妊娠試劑。由納米技術(shù)在生物學(xué)上的應(yīng)用而產(chǎn)生的納米生物學(xué)是研究在納米尺度上的生物過程,包括修復(fù)、復(fù)制和調(diào)控機(jī)理,并根據(jù)生物學(xué)原理發(fā)展分子應(yīng)用工程,包括納米信息處理系統(tǒng)和納米機(jī)器人的原理。納米生物材料亦可應(yīng)用于制造各類組織的支架(如血管、氣管、輸尿管、韌帶與肌腱)、組織工程用支架材料、內(nèi)固定件、骨組織缺損修復(fù)材料。利用極細(xì)微的納米傳感器則有可能在不干擾細(xì)胞正常生理過程的狀況下,獲取活細(xì)胞內(nèi)的各種生化反應(yīng)和化學(xué)信息及電化學(xué)信息,從而了解機(jī)體的狀態(tài),深化對(duì)生理或病理過程的理解。納米機(jī)器人是由幾百個(gè)原子和分子組成的顆粒,尺寸只有幾十納米,表面活性很大,可進(jìn)入血管中進(jìn)行人體器官修復(fù)工作,如修復(fù)損壞的器官和組織、做整容手術(shù)、進(jìn)行基因裝配工作,即從基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安裝在基因中,使機(jī)體正常運(yùn)行或使引起癌癥的DNA突變發(fā)生逆轉(zhuǎn)而延長(zhǎng)人的壽命或使人返老還童。納米機(jī)器人能通過修復(fù)大腦和其他臟器的凍傷而使低溫貯藏的人復(fù)活。納米技術(shù)運(yùn)用于生物領(lǐng)域,將迅速改變農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)的面貌,使人們的生活方式發(fā)生變化。正如有些科學(xué)家指出的:“納米技術(shù)與計(jì)算機(jī)和基因生物學(xué)的結(jié)合將成為21世紀(jì)不可估量的生產(chǎn)推動(dòng)力?！?健康的藥物治療設(shè)備納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,如人們可按照自己的意志操縱單個(gè)原子組裝成具有特定功能的產(chǎn)品,從而幫助人們預(yù)防、診斷、治療疾病,促進(jìn)康復(fù),大大提高人類的健康水平。其應(yīng)用有:(1)快速高效的基因測(cè)序;(2)使用有效而廉價(jià)的遠(yuǎn)程和體內(nèi)保健設(shè)備;(3)將新型藥物有效地運(yùn)輸?shù)较惹安荒艿竭_(dá)的身體部位以拓寬它們的治療能力;(4)更耐用、無排斥性的人造組織和器官;(5)探測(cè)體內(nèi)正在出現(xiàn)的疾病傳感系統(tǒng),將照顧病人的焦點(diǎn)由疾病治療轉(zhuǎn)向早期診斷和預(yù)防。具體應(yīng)用如下。(1)納米控釋系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)利用納米技術(shù)制成的藥物輸送器(包括傳感器、儲(chǔ)藥囊和微型壓力泵)將可以很輕易地運(yùn)輸?shù)较惹安荒艿竭_(dá)的身體部位,釋放相應(yīng)劑量藥物殺死病原體,清除病灶。這樣既可以大大節(jié)省藥物,又可以防止全身性用藥后的不良反應(yīng),提高治療的特異性。同時(shí)這種藥物輸送器還可重復(fù)使用。納米控釋系統(tǒng)特有的性質(zhì)使其在藥物輸送方面具有許多優(yōu)越性:可緩釋藥物,延長(zhǎng)藥物作用時(shí)間;可達(dá)到靶向輸送的目的;可在保證藥物作用的前提下,減少給藥的劑量,減輕或避免毒副作用;提高藥物的穩(wěn)定性,利于儲(chǔ)存;也可能用以建立一些新的給藥途徑,包括體內(nèi)局部給藥、粘膜吸收給藥、多肽類藥物的口服給藥等。(2)納米技術(shù)的應(yīng)用納米級(jí)粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后,可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。在人工器官移植領(lǐng)域,只要在人工器官外面涂上納米粒子,就可預(yù)防人工器官移植的排異反應(yīng)。在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)學(xué)領(lǐng)域,使用納米技術(shù)的新型診斷儀器,只需檢測(cè)少量血液,就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA(脫氧核糖核酸)診斷出各種疾病。在膜技術(shù)方面,用納米材料制成獨(dú)特的納米膜,能過濾、篩去制劑的有害成分,消除因藥劑產(chǎn)生的污染,從而保護(hù)人體。在抗癌的治療手段方面,德國的研究人員將一些極其細(xì)小的氧化鐵納米顆粒注入患者的癌瘤里,然后將患者置于可變的磁場(chǎng)中,使患者癌瘤里的氧化鐵納米顆粒升溫到45~47℃。這一溫度足以燒毀癌瘤細(xì)胞,但周圍的健康組織卻不會(huì)受到傷害。磁性納米粒子是一種納米尺度的金屬超微粒子,它不具備矯頑力,但呈現(xiàn)超順磁性:即對(duì)磁場(chǎng)有反應(yīng),撤去磁場(chǎng)后,即散開。利用磁性納米粒子的超順磁性,可進(jìn)行細(xì)胞及生物分子的分離與純化,并可進(jìn)一步研制作為載體,為藥物及基因的靶向性治療提供可行性。(3)納米肌肉纖維在生物營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用與納米技術(shù)的其他領(lǐng)域相比,納米材料的制作技術(shù)已有很大的突破。不少納米材料已進(jìn)入實(shí)用化階段。由于不同的納米材料具有許多鮮為人知的奇異特性,因而尋找人體各組織的替代物就更加容易。如德國馬克斯·普朗克協(xié)會(huì)下屬的固體研究所與美國等國家的科學(xué)家利用納米碳管合作研究出的人造肌肉纖維不僅適用于人類的移植和修復(fù)手術(shù),還可以作為未來機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件及假肢的制作材料。利用納米技術(shù)還可以制作高強(qiáng)度、高彈性、高組織親和力的材料,以代替骨、軟骨、角膜和血管等。模仿天然的細(xì)胞外基質(zhì)-膠原的結(jié)構(gòu),制成含納米纖維的生物可降解材料,已開始應(yīng)用于組織工程的體外及動(dòng)物實(shí)驗(yàn),并顯示出良好的應(yīng)用前景。例如,清華大學(xué)研制的多孔納米級(jí)羥基磷灰石膿原復(fù)合物三維支架,在組成上模仿了天然骨基質(zhì)中的無機(jī)和有機(jī)成分,為成骨細(xì)胞提供了與體內(nèi)相似的微環(huán)境。體外及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明,細(xì)胞在該支架上能很好地生長(zhǎng)并能分泌骨基質(zhì),是良好的骨修復(fù)納米生物材料。這為用納米生物材料仿造其它組織器官開創(chuàng)了先例。(4)用于檢測(cè)聚合物和生物傳感器依據(jù)使用的探針不同,光學(xué)納米傳感器可分為化學(xué)和生物兩類,均可監(jiān)測(cè)顯微環(huán)境中不同化學(xué)成分和單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的不同實(shí)體?；瘜W(xué)傳感器是將已制備好的納米光纖在真空蒸發(fā)箱內(nèi)鍍鋁,尖端裸露,進(jìn)行硅烷化,用以連接聚合物。纖維的近場(chǎng)與一種pH值敏感的熒光染料——丙烯酸熒光芴胺進(jìn)行光聚合反應(yīng),使之滲入聚合物。生物傳感器則包括生物受體和轉(zhuǎn)換器,比化學(xué)傳感器具有更高的選擇性。TuanVo-Dinh等認(rèn)為此高選擇和高靈敏的納米傳感器,可以用于探測(cè)很多細(xì)胞化學(xué)物質(zhì),監(jiān)控活細(xì)胞的蛋白質(zhì)和其它所感興趣的生物化學(xué)物質(zhì),還可以探測(cè)基因表達(dá)和靶細(xì)胞的蛋白生成,用于篩選微量藥物,以確定哪種藥物能夠最有效地阻止細(xì)胞內(nèi)致病蛋白的活動(dòng)。隨著納米技術(shù)的進(jìn)步,最終實(shí)現(xiàn)評(píng)定單個(gè)細(xì)胞的健康狀況。(5)dna結(jié)構(gòu)和應(yīng)用近年來,研究人員已著手研究如何利用DNA的特性融入至納米技術(shù)中。DNA納米技術(shù)是指用常規(guī)的核甘酸選擇DNA分子的序列,創(chuàng)造特殊的拓?fù)鋵W(xué)、形狀和排列二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。研究者設(shè)計(jì)了一種分枝狀DNA分子,其具粘性末端,可有強(qiáng)大的分子組裝功能,可用于:①制造成晶格狀的籠子,定向位于其中的分子進(jìn)行衍射分析。②晶格點(diǎn)陣可用于納米規(guī)模精確的分子和電子裝置的定位和定向。③納米機(jī)械裝置的發(fā)展可導(dǎo)致納米規(guī)模機(jī)器人的產(chǎn)生。④DNA納米技術(shù)可制造出對(duì)以DNA為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)有用的基序。同時(shí)納米技術(shù)在中醫(yī)藥領(lǐng)域中也有一定的應(yīng)用,例如可以運(yùn)用納米技術(shù)(包括納米超微化技術(shù)和納米包復(fù)技術(shù))制造納米中藥。(6)品種的紅血球人造紅血球不僅具有消除體內(nèi)壞因素的功能,而且還有增強(qiáng)人體功能的能力。我們知道,腦細(xì)胞缺氧6~10min即出現(xiàn)壞死,內(nèi)臟器官缺氧后也會(huì)呈現(xiàn)衰竭。設(shè)想一種裝備超小型納米泵的人造紅血球,攜氧量是天然紅血球的200倍以上。當(dāng)人的心臟因意外突然停止跳動(dòng)時(shí),醫(yī)生可以馬上將大量的人造紅血球注入人體,隨即提供生命賴以生存的氧,以維持整個(gè)機(jī)體的正常生理活動(dòng)。(7)利用病毒和納米陷阱納米陷阱能夠在病毒感染細(xì)胞之前就捕獲它們,使病毒喪失致病的能力,進(jìn)而殺死腫瘤細(xì)胞。3斷技術(shù)及治療水平納米生物技術(shù)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合,促進(jìn)了臨床醫(yī)療診斷技術(shù)及治療水平的大幅度改革。近幾年在納米藥物載體治療與診斷技術(shù)、生物相容性材料、天然納米生物材料、納米中藥等方面取得了重大突破。3.1鐵脂質(zhì)體納米粒的應(yīng)用掃描探針顯微鏡目前已經(jīng)用于人體多種正常組織和細(xì)胞的超微形態(tài)學(xué)觀察,而且可以在納米水平上揭示腫瘤細(xì)胞的形態(tài)特點(diǎn)。通過尋找特異性的異常結(jié)構(gòu)改變,以解決腫瘤診斷的難題。另一種新型的納米影像學(xué)診斷工具——光學(xué)相干層析術(shù)(OTC)已研制成功。OTC的分辨率可達(dá)納米級(jí),較CT和核磁共振的精密度高出上千倍,并且它不會(huì)像X線、CT、磁共振那樣殺死活細(xì)胞。通過應(yīng)用納米技術(shù),在DNA檢測(cè)時(shí),可免去傳統(tǒng)的PCR擴(kuò)增步驟,快速、準(zhǔn)確,易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化。我國科學(xué)家成功開發(fā)的應(yīng)用超順磁氧化鐵脂質(zhì)體納米粒進(jìn)行肝癌診斷的技術(shù),可以發(fā)現(xiàn)直徑3mm以下的肝腫瘤,還能發(fā)現(xiàn)更小的肝轉(zhuǎn)移癌病灶。目前不加造影劑的磁共振檢查能發(fā)現(xiàn)直徑1.0cm的肝癌病灶,因此該成果大大提高了肝癌早期診斷的敏感性。目前利用磁性納米分離癌細(xì)胞在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上已獲得成功,該分離技術(shù)裝置很容易將癌細(xì)胞從骨髓中分離出來,分離率達(dá)99.9%以上。腫瘤切除術(shù)后加放療,為目前腫瘤治療的一種方案,但放療的同時(shí)也會(huì)使正常細(xì)胞受到傷害,尤其是殺傷骨髓細(xì)胞,從而產(chǎn)生造血功能障礙,因此在放療前將骨髓抽出,并分離出腫瘤細(xì)胞,將極大地提高放療的療效。3.2腫瘤基因治療納米生物材料可以作為基因治療藥物攜帶材料或靶向材料。通過納米材料的篩選、納米粒徑的控制及靶向物質(zhì)的加載,可大大提高藥物載體的靶向性,降低藥物的毒副作用。腫瘤基因治療是近年來基因治療和腫瘤治療領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn),腫瘤基因治療的方法主要有:①腫瘤抑制基因療法;②腫瘤免疫基因療法;③“自殺”基因療法;④耐藥基因療法;⑤其它基因療法。盡管基因治療在基礎(chǔ)研究取得了很多成績(jī),然而臨床試驗(yàn)研究的結(jié)果尚不令人滿意。采用納米載體轉(zhuǎn)運(yùn)核苷酸具有很多優(yōu)越性:①有助于核苷酸高效率轉(zhuǎn)染細(xì)胞;②能夠靶向定位輸送核苷酸;③能有效保護(hù)核苷酸,防止體內(nèi)生物酶的降解;④無機(jī)納米粒本身具有殺傷癌細(xì)胞的作用,且對(duì)正常細(xì)胞無損害。4納米技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景納米生物技術(shù)的飛速發(fā)展,將廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床。納米生物技術(shù)應(yīng)用于惡性腫瘤的靶向性治療將成為一種新的診療方法,可望在15年內(nèi)征服一部分