纳米在生物医药医学领域的应用

1纳米材料在生物、医药、医学领域的应用概述纳米技术是一门新兴的学科领域，是20世纪80年代末、90年代初才逐步发展起来的。21世纪初，随着美国实施全国纳米科技计划，带动了全世界对该学科的研究开发。纳米科技属于前沿、交叉性的科技领域，近几年，科技界更加注意纳米技术与其他技术的结合，譬如：生物技术、信息科学、认知科学等方面的结合，其应用也是相当广泛，应用于医学、航天、军工产品、民用产品等领域，在广泛的领域中应用，使得纳米科技受到了科学界和产业界的重视。纳米在生物、医学中的应用更是使得现代医学有了较大的发展空间，使人们在对生命探索、治疗疾病、卫生保健等方面有了进一步的发展。国际社会纳米生物技术的研究范围注意涉及纳米生物材料、药物和基因运转纳米载体、纳米生物相容性人工器官、纳米生物传感器和成像技术，以及利用扫描探针显微镜分析蛋白质和DNA的结构与功能等重要领域。目前，国际上纳米生物技术在医药领域的研究已取得一定的进展。美国、日本、德国等国家均已将纳米生物技术作为21世纪的科研优先项目予以重点发展。1、纳米生物材料自古以来，人类文化的进步都是以材料的的发展为其标志，并在历史上以此来划分人类的时代，由石器走向铁器，发展到青铜器、钢、硅等材料，纳米技术的出现，又使得这些材料向深一步的领域拓展，加深了材料在各个领域中的应用。纳米材料对生物医学的影响具有深远的意义，纳米医学的发展进程如何，在很大程度上取决于纳米材料科学的发展。纳米生物材料是指用于对生物材料进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术纳米材料。纳米生物材料可以分为两类：一种是适合于生物体内应用的纳米材料，它本身既可以是具有生物活性的，也可以是不具有生物活性的，而仅仅易于被生物体所接受，且不引起不良反应；另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料，它们可能不再被用于生物体，而被用于其他纳米技术或微制造。纳米材料分为两个层次：纳米微粒和纳米固体。如今，人们已经能够直接利用原子、分子进行生产、制备出仅包含几十个到几百万个原子的单个粒径为1~100纳米的纳米微粒，并把它们作为基本构成单元，适当排列2成三维的纳米固体。纳米材料由于其结构的特殊性，表现出许多不同于传统材料的物理、化学性能。在自然界，天然纳米生物材料早就存在，自然界的蛋白质就有许多纳米微孔；人类及兽类的牙齿也是由纳米级有机物质所构成。在医学领域中，纳米材料也已经得到成功的应用，最引人注目的是作为药物载体，或制作人体生物医学材料，如人工肾脏、人工关节等。国外用纳米陶瓷微粒作载体的病毒诱导物也取得成功。由于纳米微粒比红细胞还要小很多，因此，可以在血液中自由运行，从而在疾病的诊断和治疗中发挥独特的作用。在纳米生物材料研究中，目前研究的热点和已有较好基础及做出实质性成果的是药物纳米载体和纳米颗粒基因转移技术。这种技术是以纳米颗粒作为药物和基因转移载体，将药物、DNA和RNA等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时也在颗粒表面耦联特异性的靶向分子，如特异性配体、单克隆抗体等，通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，在细胞摄取作用下进入细胞内，实现安全有效的靶向性药物和基因治疗。纳米材料可以有许多种分类方法，综合这些分类方法，按照纳米生物材料的材料性质，纳米生物材料可以分为无机纳米生物材料、有机纳米生物材料、纳米复合材料。纳米生物材料对人类有着重要作用，纳米材料有许多不同于块体材料的性质，这些性质使得纳米生物材料有着独特的作用，因此，世界许多国家都展开对纳米生物材料的研究。纳米生物技术是目前国际生物技术领域的最前沿的研发热点，美国、日本、德国等发达国家已将纳米生物技术列入其国家重点发展领域，斥巨资投入该项研究。纳米生物技术的迅速发展，为其在生物医药领域的应用带来了机遇。目前，在国际纳米研究处于领先的国家有美国、日本、德国、中国等，美国将纳米生物医药列为突破重点，主要内容为：在分子生物学中的应用、疾病早期检测和治疗、纳米药物运输、纳米仿生、组织工程中的关键纳米技术、人机通讯中的纳米技术。日本凭借其发达的半导体精细加工技术以及产—学合作的竞争优势，在纳米器件、复合纳米结构以及分子电子学技术领域均处于全球领先地位，其纳米生物技术的研究重点包括对体内病灶进行诊断和治疗的微型系统、纳米仿3生材料。德国在纳米材料、纳米测量技术、超薄膜的研发领域具有很强的优势，其纳米生物技术的研究重点包括：先进的药物传递方式、生物分子或复合物的处理操纵和探测、具有生物实体的纳米电子学、生物实体界面的研究生物实体的电子探测。中国开始研究纳米技术在时间上几乎与国外同步，中国纳米生物技术的发展重点为：用于治疗恶性肿瘤的纳米靶向药物载体、医用纳米生物材料、纳米生物传感器、纳米肥料和农药。2、纳米材料在医药、医学领域的应用目前纳米材料在生物医学领域已经得到广泛的应用，在基础医学、药物学、临床医学和预防医学方面，纳米材料作用的发挥都已不容忽视。纳米材料在生物医学中检测、诊断。药物治疗以及健康预防等方面都取得了很好的发展。2.1纳米材料在医学检验诊断技术方面的应用生物医学起源于诊断，没有很好的诊断手段就没有很好的治疗和预防，目前随着科学技术的发展，诊断手段越来越高明、先进，得到了前所未有的发展。纳米材料在检验诊断中主要应用于三个方面：⑴利用纳米材料跟踪生物体内活动，对生物体内元素的积累和排除作出判断。⑵利用纳米颗粒极高的传感灵敏效应对疾病进行早期诊断。⑶利用纳米材料的特性去化验检测试样从而辅助治疗。在具体应用方面的典型有量子点的荧光效应、磁性纳米材料的磁效应、纳米材料的吸附作用等等。2.2纳米材料在药物治疗方面的应用纳米生物材料，具有生物兼容性、可生物降解、药物缓释和药物靶向传递等良好特性已在药物治疗方面取得了很大成功。药物纳米载体具有高度靶向、药物控制释放、提高难溶药物的溶解率和吸收率优点，提高药物疗效和降低毒副作用。纳米颗粒作为基因载体具有一些显著的优点：纳米颗粒能包裹、浓缩、保护核苷酸，使其免遭核酸酶的降解；比表面积大，具有生物亲和性，易于在其表面耦联特异性的靶向分子，实现基因治疗的特异性；在循环系统中的循环时间较普通颗粒明显延长，在一定时间内不会象普通颗粒那样迅速地被吞噬细胞清除；让核苷酸缓慢释放，有效地延长作用时间，并维持有效的产物浓度，提高转染效率和转染产物的生物利用度；代谢产物少，副作用小，无免疫排斥反应等。4⑴纳米粒子用作药物载体磁性纳米颗粒作为药物载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，进行定位病变治疗，利于提高药效，减少副作用。如采用金纳米颗粒制成金溶液，接上抗原或抗体，就能进行免疫学的间接凝聚实验，用于快速诊断。生物降解性高分子纳米材料作为药物载体还可以植入到人体的某些特定组织部位，这种给药方式避免了药物直接被消化系统和肝脏分解而代谢掉，并防止药物对全身的作用。如美国麻省理工学院的科学家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片为基础，能长时间配选精确剂量药物的药物投送系统，并已被批准用于人体。近年来生物可降解性高分子纳米粒子（NPs）在基因治疗中的DNA载体以及半衰期较短的大分子药物如蛋白质、多肽、基因等活性物质的口服释放载体方面具有广阔的应用前景。药物纳米载体技术将给恶性肿瘤、糖尿病和老年痴呆症的治疗带来变革。⑵纳米抗菌药及创伤敷料Ag+可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌，添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。⑶智能—靶向药物在超临界高压下细胞会“变软”，而纳米生化材料微小易渗透，使医药家能改变细胞基因，因而纳米生化材料最有前景的应用是基因药物的开发。德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入肿瘤部位，使癌细胞部位完全被磁场封闭，通电加热时温度达到47℃，慢慢杀死癌细胞。这种方法已在老鼠身上进行的实验中获得了初步成功。美国密歇根大学正在研制一种仅20nm的微型智能炸弹，能够通过识别癌细胞化学特征攻击癌细胞，甚至可钻入单个细胞内将它炸毁。3、纳米材料在生物医学领域的应用前景3.1用纳米材料进行细胞分离利用纳米复合体性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应的特性进行细胞分离在医疗临床诊断上有广阔的应用前景。20世纪80年代后，人们便将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，使所需5要的细胞很快分离出来。目前，生物芯片材料已成功运用于单细胞分离、基因突变分析、基因扩增与免疫分析（如在癌症等临床诊断中作为细胞内部信号的传感器）。伦敦的儿科医院、挪威工科大学和美国喷气推进研究所利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中癌细胞的分离来治疗病患者。美国科学家正在研究用这种技术在肿瘤早期的血液中检查癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。3.2纳米机器人在最近的十年中,随着纳米材料在癌症治疗、细胞显影和疾病检测方面的应用,由此诞生了一个新的领域———生物纳米技术。生物纳米技术是指在纳米尺度上认识生物分子的精细结构和功能之间的联系,并在此基础上按研究者的意愿组合、装配,创造出满足人们意愿并行使特定功能的生物纳米机器。2010年5月19日，来自南京大学和美国纽约大学的两个小组，Gu等人演示了一个微型组装线，它能通过将三种不同类型的金纳米颗粒结合起来制造8种可能的复合物——分子纳米机器人。一个“DNA折纸”砖是这个生产线的框架和轨道，一个有三只手、四只脚的“DNA行走者”沿这个轨道行走，生成最终产品，其方式是：在它通过三种不同的载货DNA机器时将所收集的金纳米颗粒连接起来。Lund等人演示的纳米机器人是蜘蛛形状的DNA“行走者”，它们能在一个二维“DNA折纸”景观中感应和改动基质分子轨道，这个景观通过编程来让“行走者”执行诸如“开始”、“跟随”、“转弯”和“停止”等动作“纳米蜘蛛”机器人6不久的将来，人类定会做出更精密、更复杂的机器人，可以为人类作更多的事，诸如，可以进入人体内为人类修复病脏，检查器官，清除体内垃圾等。为人类做出更多的贡献。国际上纳米生物技术的研究范围涉及纳米生物材料、药物和转基因纳米载体、纳米生物相容性人工器官、纳米生物传感器和成像技术、利用扫描探针显微镜分析蛋白质和DNA的结构与功能等重要领域，以疾病的早期诊断和提高疗效为目标。在纳米生物材料，尤其是在药物纳米载体方面的研究已取得一些积极的进展，在恶性肿瘤诊疗纳米生物技术方面也取得了实验阶段的进展，其它方面的研究尚处于探索阶段。