生物医学纳米技术精选(九篇)

第1篇：生物医学纳米技术范文

1.纳米材料的特性

当一种物质被不断切割至一定程度，其粒子小至纳米量级，即为纳米材料。科学家发现纳米材料有许多鲜为人知的性质，比如体积效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限效应等。而出现许多特性：光学性质、催化性质、化学反应性质、硬度高、可塑性强、高比热和热膨胀、高导电率和扩散性、高磁化率和高矫顽力等。正由于纳米材料具有诸如上述的性质，为生物医学、药学等许多领域带来新的生机。

2.纳米技术在生物医学中的应用

2.1生物兼容性物质的开发

在生物医学中应用纳米技术，可以使得材料生物的相容性得到最大限度的提升，同时还能够降低生物的毒性、增强生物的传导性从而使得材料生物可以最大限度的满足生物组织的需求，达到生物组织规定的标准。纳米技术应用到生物医学中，衍生出各种纳米材料，如纳米无机金属生物材料，这种材料不具有毒副作用，其与人体的组织具有相容性，有利于人体相关组织的生长。同时纳米具有较强的生物活性，能够对人体的血液进行有效的净化处理，将人体中的有毒物质排出人体的体外，从而使得人体的抵抗力得到进一步的提升，降低人体患病的可能性。

另外，相关的生物医学研究学者利用纳米技术已经研制出一种新型的骨骼亚结构纳米材料，这种材料在实际的临床应用中应用较为广泛，现如今已经成功的取代了原有的合金材料，并且其他成功研制的纳米材料也在临床中得到了应用，可以说，在生物医学领域中，纳米技术无处不在。

2.2 DNA纳米技术

DNA纳米技术主要是依据DNA的理化性质来实现对纳米技术的合理设计和应用，这种DNA纳米技术在实际的应用中，主要是用来实现对分子的组装，在对DNA进行复制的过程中，也能够应用这种技术实现对碱基各种特性的体现，同时也能够使得遗传信息的多样性得到最大限度的体现，在纳米技术进行设计的过程中，所遵循的原理也包括这几方面的特性和内容。

3.纳米技术在药学领域中的应用

3.1纳米控释系统改善药动学性质

将药物制成纳米制剂后，不但达到缓控释效果，而且改变其药物动力学的特性。比如有人以环抱素A为模型药物，以硬脂酸制备了纳米球以市售CYA微乳型口服液为对照，测得口服CYA-SA-NP在大鼠体内相对利用度接近80%，达峰时间推迟，具有明显效果。还有人以链脉霉素糖尿病大鼠为模型，皮下注射胰岛素纳米囊实验，其结果降糖作用持续3天，且在药物吸收相具有明显的量效关系。本品3天一次与一天3次的常规胰岛素疗效相当。

3.2纳米释药系统增强药物靶向性

纳米材料生物相容性好，采用可生物降解的高分子材料作药物载体制成纳米释药系统，可增强抗肿瘤药物靶向性，就相关的阿霉素免疫磁性毫微粒的体内磁靶向定位研究可以了解到，AIMN具有超顺磁特性，在给药部位近端和远端磁区均能产生放射性富集，富集强度为给药量的60%-65%，同时其在脏器的分布显著减少，从而证实了AIMN具有较强的磁靶向定位功能，为靶向治疗肿瘤奠定了结实的基础。

3.3纳米技术在药理学研究上的应用

在药理学研究上，人们可以利用尖端直径小到可以插入活细胞内而又不严重干扰细胞正常生理过程的超微化传感器或纳米传感器用以获得活细胞内大量的动态信息，反映出机体的功能状态并深化对生理及病理过程的理解，为药理学研究提供精确的细胞水平模型。

4.展望

纳米技术属于一种新型的学科技术，在未来的社会发展中，这种技术将会对生物医学以及药学领域带来更为积极的影响，在未来的社会中，这种技术的应用会使得生物医药与药学领域之间的联系性得到进一步的加强，就这方面来说，这项技术在生物医学以及药学领域中的应用主要包括以下几个方面：

（1）在未来的生物医学以及药学领域中，对于分子的研究会更加的深入，而其对于分子的要求也会进一步的提升，而纳米技术的应用就会进一步的提高分子之间相互的作用效果，从而实现对分子的有效组装，而且其在未来的社会发展中，主要的应用方向会是细胞器结构细节以及自身装配机理上等方面。

（2）随着纳米技术的深入发展，这种技术在应用于生物医学以及药学领域中后，会使得诊断以及检测技术的水平更上一层楼，同时这种技术的应用也会在微观上以及微量上实现有效的应用，并且在未来的发展中，这种技术也会逐渐向着功能性以及智能化的方向发展，以实现生物医学以及药学领域各项技术功能水平的提升，还会使得生物医学以及药学领域在管理上实现智能化和数字化，从而对生物医学以及药学领域的发展形成有效的推动作用。

（3）纳米技术在未来的生物医学中以及药学领域中会实现靶向性的转变，纳米技术会将药物的作用进行有效的转向处理，在一定程度上可以将药物的药效得到最大限度的提升，同时也能够对药物的成本进行有效的降低，从而推动生物医学以及药学的发展。

第2篇：生物医学纳米技术范文

[关键词]纳米机器人；纳米科技；生物医学

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2016.32.068

随着纳米科技的不断发展，产生了纳米机器人技术，研制可编程的纳米机器人。纳米机器人涉及分子仿生学和电子控制技术的范围，以分子水平的生物学原理来设计研制出可对纳米空间级进行操作的“功能分子器件”，研发出能操控生物分子的纳米级结构，突破了传统机器结构的限制，纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点，具有较强的创新性和前瞻性，备受世人瞩目，具有广泛的应用前景。

1 国内外研究现状

近年来，国内外对纳米机器人的研究越来越热，并取得了一定的进展，部分国家已经研制出纳米机器人的样机。美国在纳米机器人的设计和研究领域处于世界领先水平。纽约大学的科学家研制出一个双足分子机器人，该机器人可以运送原子，可以作为精密医学的工具。加利福尼亚大学的科学家研制出一种能够凭借自身生长的肌肉行走的微型机器。科学家将鼠心肌细胞附着在约200μm长的硅制框架上，这些心肌细胞在接近自然状况的培养环境中生长分裂，长成了约100μm的肌肉，这些肌肉吸收溶液中的葡萄糖后就能够自主收缩和舒张，从而带动硅制框架缓慢向前行走，形成了微型机器人，为纳米机器人动力系统的研制提供了有效方法，这种方法在医学上能够用来清除血管内的脂肪斑。哥伦比亚大学研制出一种 “纳米蜘蛛”微型机器人，该机器人只有4nm大小，由DNA分子构成，能够跟随DNA的运行轨迹移动，在二维体表面可以行走100nm，可用于医疗领域，进行疾病诊断、协助手术过程、清理血管垃圾等。加拿大、法国、日本、瑞士、以色列、德国等国也在纳米机器人领域开展了富有成效的研究工作。加拿大蒙特利尔理工大学在纳米机器人的运动控制方面取得了进展：在计算机控制下，成功地引导了一个微型装置在活体动脉内以10cm/s的速度运动。法国国家科研中心则成功地利用特种显微镜仪器，让一个分子做出了各种动作。日本东京大学的科学家成功地将2个分子机器人组装在一起，形成了一个分子机器复合体，紫外线和可见光能够为这个超微型分子机器提供动力。利用光的控制，这个分子机器人能够充当“机器人外科医生”，可穿行于人体血管以及杀死癌细胞。瑞士苏黎世实验室和巴塞尔大学、韩国等都研制出了不需要电池的纳米机器人，为纳米机器人未来在医疗中的应用拓宽了方向。以色列的科学家发明了一种只有几毫米大小的微型机器人，该机器人能够凭借细小的附属肢体在血管里附着和移动，科学家通过在病人体外制造磁场来控制这些附属肢体的动作，所制造的磁场能够使微型机器人的肢体发生振动，并且在血管中进行运动。在纳米加工或操作的自动化装置方面，德国曾经研制出具有信息处理、导航和通信能力的微型直升机，这种基于多方面纳米技术的微型飞机可以旋停、低飞、高飞，可以实现侦察、引导导弹攻击目标等功能。我国纳米机器人的研究工作开展不多，研究工作主要集中在沈阳、重庆、上海、北京等地，其中北京在生物纳米机器人的部分领域已经达到国际先进水平。

当前生物纳米机器人研究工作已从第一代生物机械简单结合系统（例如用碳纳米管作结构件，分子马达作为动力组件，DNA关节作为连接件等）发展到第二代由原子或分子装配的具有特定功能的分子器件（例如直接用原子、DN断或者蛋白质分子装配成生物纳米机器人），未来还将向第三代包含纳米计算机在内的进行人机对话的操控性纳米机器人发展。第三代生物纳米机器人目前还处于设想阶段。目前，在全世界范围内用于严格意义上纳米加工或操作的自动化装置发展较少，包括以环境扫描电镜为平台的多功能微纳操作、表征及微加工系统等，能对微小零部件进行纳米级加工的“纳米车床”等主要还停留在概念设计阶段。

2 纳米机器人

一般认为，纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，在纳米尺度上应用生物学原理，研制可编程的分子机器人。它是纳米机械装置与生物系统有机结合的产物。当人体某个部分感染时往往会服用或注射抗生素，但是抗生素在血液里会被稀释，真正起到治疗效果的只有一小部分药物，大部分人则可以直接把小剂量的药物送至感染部位，减少了副作用，还提高了治疗效果。在生物医学上，科学家还利用纳米技术制造纳米机器人，让它在人的血管网络中漫游，进行巡逻和检查，尽早发现异常细胞，而且可以对人体内细胞组织进行修复。它不仅可以完成早期诊断工作，更重要的是可以充当微型医生发挥治疗作用，解决传统医生难以解决的问题，如：杀死癌细胞、疏通血栓、清除动脉脂肪沉积物等。这种简单的机器人，可以是一个人造红细胞，约由1800 万个主要是碳的原子构成，能模仿正常的充满血红素的血红细胞行为，该装置上的压力传感器可接收医生的信号，在人体内的它们还可以实时监测人体在不同条件下的各类信息，如不同时间人体内不同位置处的各类化合物的水平，从而形成动态图像，形成了一种新的医学成像方法。纳米机器人还可以用来为人体器官做手术、为脑部动手术等。

3 纳米机器人的应用

目前，纳米机器人尚在研究开发阶段，但其潜在应用十分广泛，主要体现在医疗和军事上。

3.1 纳米机器人在医疗上的应用

在生物医学上，纳米技术具有无限的潜力，纳米机器人的研制成功成为纳米研发领域的骄傲。纳米机器人不但能够修复细胞与基因，还能够清除体内垃圾、养护血管。

（1）细胞与基因的修复。随着人类对物质控制能力的不断进步，分子大小的机械部件将会诞生，它们可以组装成比细胞还要小的微型机器。人工制造的“细胞修复机”在纳米计算机的操纵下，可以对原子逐个进行操作，修正DNA的错误，维护个别细胞的成分，从而达到对整个基因细胞的修复。

（2）清理体内垃圾。人体是一个保持自然平衡的有机体，新陈代谢的过程可以起到吸收新鲜养分、排除有害物质的作用。但有时候人体自身平衡出现问题，无法实现自我平衡。例如，人体铅、汞中毒后，机体无法排出，也无法分解这些元素。这时，如果让纳米机器人进入体内，就会极具目的性地把这些有害物质清出体内，使人体恢复自然平衡。

（3）养护血管。人体的脑部血管有些地方天生脆弱，平时很难被察觉，但在意外情况下，可能会突然发生破裂，导致脑溢血。如果让纳米机器人事先进入血管，仔细检查，并且一一修复那些脆弱血管，就可以避免这类悲剧的发生。有时血管中会产生血栓，堵塞血液正常流动。如果将纳米机器人导入血管，可以把血栓打成小碎片，避免血栓的进一步扩大。

3.2 纳米机器人在军事上的应用

世界各国的军备竞赛已经延伸到了纳米领域，各国都在探索利用纳米技术进行军事装备的升级与改造。多国已经开展了有关纳米机器人在军事应用上的探索，主要体现在以下几个方面。

（1）用于传统的武器装备中。纳米机器人用于传统的武器技术装备，能够改善装备材料、工艺、控制系统、制导系统、运输和储存方式，提高传统武器技术装备的技术性能，使作战装备的杀伤效能得到有效提高。

（2）用于开发新的人体作战手段和方式。特殊的纳米微型组件能够堵住人体的脸、鼻、口、眼或粘住手、脚等，利用其这一特性，可以限制敌军的活动。

（3）研制纳米武器。纳米武器是纳米机器人在军事应用上的另一个研究热点，如果将纳米武器注入到人造或杂交的昆虫体内，昆虫便将这些纳米武器传播到敌国军民的身体中，造成巨大的杀伤力。同时，纳米机器人还可通过自我复制或自我繁殖的方法迅速在敌方阵营中扩散。随着纳米武器的诞生和大量运用，传统的作战方式不断更新，纳米技术水平的高低对战争的胜负影响越来越大。

4 纳米机器人发展的前景展望

在21世纪，纳米科学技术将成为科学技术发展的主流。纳米机器人的发展是化学、物理、生物、工程、医学、材料科学等多门学科发展的结果，必将促进21世纪科学技术大军的跨学科教育。纳米机器人将对21世纪初的经济与社会产生深刻影响，也许可与信息技术、细胞生物学、遗传生物学与分子生物学的影响匹敌。从应用的范围和潜力方面讲，无论是军用还是民用，纳米机器人的未来是不可估量的，由于其不同的功能，高表面积与体积比，纳米结构对于化学和生物传感器、医疗设备、触媒、光电材料和纳米元件非常重要。多种材料选择加上不同的合成策略，产生了不同形态的纳米材料，如纳米级薄膜、纳米线、纳米管、纳米带、纳米粒子和纳米多孔结构等。这种多功能的和多成分分层的异晶结构是非常有用的，必将在许多方面影响我们的生活，从纳米汽车到纳米电子技术，随着纳米机器人技术逐渐产业化和日趋成熟，其产业化和市场化的前景是十分可观的。

5 结 论

随着科学技术的不断发展，纳米机器人已经与信息技术、生命科学技术等一起成为科学技术进步的重要方向。纳米机器人的设计与制造已成为世界上人们关注的热点，成为21世纪科学技术进步的发展动力。纳米机器人的发展方向是多种技术的综合应用，以实现各种技术的优势互补。因此要想通过纳米机器人的研发带动纳米技术的整体蓬勃发展，还需要研究人员不断开拓创新，逐一解决研发中的各种问题，为早日突破纳米机器人技术占领世界技术至高点奠定基础，最终使纳米机器人早日走入人民生活，造福人类。

参考文献：

[1]顾宁，黄岚，张宁，等.制造纳米电子器件的技术途径[J].华北工学院测试技术学报，2000，14（4）：241.

[2]付宏刚，刘克松，王江，等.功能纳米结构的组装[J].哈尔滨工业大学学报，2005，37（5）：978.

[3]崔铮，陶佳瑞.纳米压印加工技术发展综述[J].世界科技研究与发展，2004，26（1）：7.

[4]王素娜，江国庆，游效曾，等.无机分子纳米材料的研究进展[J].无机化学学报，2005，21（1）：1.

第3篇：生物医学纳米技术范文

1.1细胞分离与染色

纳米细胞分离技术的出现有助于解决生物医学中快速获取细胞标本的难题。将15~20nm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(PVP)溶液中,利用梯度原理,通过离心技术快速分离所需要的细胞[1]。用这种方法很容易将怀孕仅8周左右的孕妇血样中极少量的胎儿细胞分离出来,通过对其染色体的分析,判断胎儿是否有遗传缺陷。应用纳米免疫磁珠检测早期肺癌患者循环血液中的肿瘤细胞,可以监测肺癌的转移情况[2]。

纳米颗粒也为建立新的细胞染色技术提供了新的途径。段箐华等[3]用联吡啶钌配合物[Ru(Ⅱ)(bpy)3]2+、异硫氰酸罗丹明B(TRITC)、异硫氰酸荧光素等荧光分子标记SiO2纳米颗粒,实现了体外对B淋巴细胞、肝癌细胞、早期凋亡乳腺癌细胞、系统性红斑狼疮细胞的特异性识别。异硫氰酸荧光素标记的SiO2纳米颗粒表面接特异抗体,可用于免疫学检测[4]。

1.2纳米造影剂

无机纳米粒子因其形状、尺寸和组成的不同而具有独特的物化性能,可用作新型生物造影材料,能提供良好的检测信号对比度和生物分布度,提高诊断效率,并有望将现有的解剖学层面的造影技术推向分子水平,即“分子造影”[5-7]。纳米造影剂一般需要3个组成部分:(1)无机纳米粒子核,如金、氧化铁等,用以实现造影增强效果;(2)水可分散的壳层,如聚乙二醇等,用以提高无机纳米粒子核的溶液稳定性;(3)赋予靶向功能的生物活性分子,如蛋白、多肽和抗体等。

高分子修饰的氧化铁纳米粒子,如葡聚糖包裹的超顺磁性氧化铁纳米粒子已被用于临床以提高解剖学层面的磁共振造影[8],也被用于分子造影[9]。传统的检测方法对Ⅰ、Ⅱ期癌症检出率小于15%,使用高磁共振对比度的造影剂能够提高早期癌症的检出率。例如,乳腺癌细胞过度表达人上皮增长因子受体2基因(HER2/neu)[10],将磁性纳米粒子(MNPs)偶联上HER2的抗体赫赛汀,就可以将SK-BR-3乳腺癌细胞检测出来[11]。用MNPs偶联赫赛汀探针还可以测出不同细胞的HER2表达量[12]。同样,可以用偶联了rch24抗体的Fe3O4靶向癌胚抗原来诊断结肠癌[13];用偶联了HmenB1抗体的FePt-Au来靶向成神经细胞瘤细胞(CHP134)过度表达的聚唾液酸(PSA)[14]。合金MNPs,如FePt@CoS2等兼具造影和治疗功能。

FeP@tCoS2纳米粒子被HeLa细胞摄入以后,在癌细胞的酸性环境中释放出的Pt+能导致癌细胞凋亡[15]。SiO2@Fe3O4@Au纳米粒子可以用于磁共振造影和治疗,当其与抗HER2基因抗体偶联后有明显的T2加权造影效果,再加上持续的光照,由金壳产生的能量能将癌细胞杀死,起到治疗作用[16]。

金纳米粒子因为其独特的表面等离子共振效应被用作光学造影剂和传感器[17-19]。利用金纳米粒子的表面易于功能化的特性,El-Sayed等[20]在金纳米粒子表面偶联表皮生长因子抗体(anti-EGFR),使金纳米粒子靶向富集在表皮生长因子高表达的口腔上皮癌HOC313细胞上。与普通上皮细胞HaCaT相比,经表面改性的金纳米粒子在HOC313细胞中表现出了更清晰的造影效果。以壳聚糖为纳米载体的复合微球成功地将包覆的金纳米粒子与药物一同送入细胞核,起到了细胞核给药和细胞核造影的双重功能,实现了金纳米粒子的多功能化[21-22]。

半导体纳米粒子(又称量子点)已经被用作荧光探针,用于细胞标记和光学探针[23-24]。美国华盛顿大学的研究人员用蛋白将一个量子点内核包裹在一个直径为3nm的超薄金壳中,使两部分的光电特性不受彼此的干扰,从而首次实现了将半导体和金属纳米粒子结合在一起而仍能保留各自的功能,量子点可用于荧光成像,金球则可用于散射成像。

1.3纳米传感器和新型纳米诊断技术

虽然对纳米传感器的研究时间较短,但其优点是不容置疑的。由生物大分子构成,利用化学能进行机械做功的分子马达纳米传感器,使其尖端插入活细胞内而又不干扰细胞的正常生理过程,来获取活细胞内多种反应的动态化学信息、电化学信息。如利用ATP酶作为分子马达的纳米传感器能进入人体细胞,完成在人体细胞内监测和药物释放等任务,可以连续监测体内代谢变化,对肺部小血管内NO和CO的监测结果对于高血压和心血管疾病的诊断和治疗具有重要意义[25]。其他的分子马达还包括RNA聚合酶、肌球蛋白和驱动蛋白等[26]。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。斯坦福大学的科学家最近利用纳米科技及电磁效应发明了一种生化传感器,这种传感器可以及早发现癌症的早期症状,利于对患者及时进行治疗。

随着隧道扫描显微镜和原子力显微镜的问世,人们能够在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系,并动态获取生命信息[27]。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,通过寻找特异性的纳米结构改变实现对肿瘤的早期诊断,从而解决肿瘤诊断的难题[28]。

2纳米药物载体和纳米药物

纳米药物与传统的分子药物(molecularmedicine)的根本区别在于它是颗粒药物(particulatemedicine)。广义的纳米药物可分为两类:一类是纳米药物载体,即指溶解或分散有分子药物的各种纳米颗粒,如纳米球、纳米囊、纳米脂质体等。二是纳米药物,即指直接将原料药物加工成的纳米颗粒,或利用崭新的纳米结构或纳米特性,发现基于新型纳米颗粒的高效低毒的治疗或诊断药物。前者是对传统药物的改良,而后者强调的是把纳米材料本身作为药物[29]。

2.1纳米药物载体

实现细胞和亚细胞层次上药物的靶向传递和智能控制释放,是降低药物毒副作用、提高治疗效果的共性问题。纳米粒子介导的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术,在药物输送方面具有许多优越性。目前,用作药物载体的材料有金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒及生物活性纳米颗粒等[30]。理想的纳米药物载体应具备以下性质:毒性较低或没有毒性;具有适宜的制备及提纯方法;具有合适的粒径与形状;具有较高的载药量;具有较高的包封率;对药物具有良好的释放特性;具有良好的生物相容性,可生物降解或可被机体排出;具有较长的体内循环时间,并能在疗效相关部位持久存在等。

2.1.1抗肿瘤药物载体肿瘤的纳米靶向治疗以纳米粒为载体,将药物或制剂定向于肿瘤部位,可以大幅度提高药物的生物利用率,提高疗效,降低用药量,减少毒副作用,已成为国际肿瘤药物研制中的热点和前沿。

恶性肿瘤周围及其实质有大量的新生毛细血管形成,这些血管通透性高,400~600nm以下的纳米颗粒可穿过血管到达肿瘤组织。Alexiou等[31]在动物模型上用磁性纳米粒负载抗癌药物进行区域动脉灌注,外加磁场定位浓集,发现纳米粒子随血液流入肿瘤部位并渗透到肿瘤组织内,提高了药物的治疗指数。Mu等[32]将生物可降解聚合物PLGA纳米粒、VitaminE、TPGS和抗肿瘤药物紫杉醇混合在一起,药物可较容易地到达肿瘤部位而发挥靶向效应作用。杨凯等[33]在治疗口腔癌颈淋巴结转移灶时,将抗癌药物葫芦素BE装载到聚乳酸纳米微粒上,发现药物可靶向到达病变部位,毒副作用和局部刺激作用显著减小。

恶性肿瘤的纳米粒磁导靶向热疗也是有效的方法,热疗本身可以破坏肿瘤细胞。将磁性纳米粒子经包裹或修饰后选择性地注射到肿瘤部位,然后施加交变磁场,纳米粒子受到交变作用而产热,可提高放疗和化疗的效果。口腔颌面部肿瘤位置相对表浅,是最适合作磁导靶向化疗和磁导靶向热疗的部位。此外,由于纳米脂质体载体具有较好的药物、基因和成影剂包封率,在肿瘤造影成像等方面显示出较好的优势[34]。

2.1.2中枢神经系统(CNS)药物载体血脑屏障对于维持CNS的相对稳定起着重要作用,但其毛细血管连接紧密,大多数药物很难通过血脑屏障进入CNS。因此,如何使CNS药物跨越血脑屏障从血液进入脑内且发挥药效是药物传递系统需要解决的一个难题。纳米粒子作为药物载体,为不能透过血脑屏障的CNS药物入脑提供了新途径。Sun等[35]以聚乳酸为基质,制备了装载异硫氰酸荧光素-右旋糖酐的纳米粒,并将纳米粒用聚山梨酯-80包衣,给小鼠尾静脉注射后发现纳米粒可主动靶向脑组织。Kepan等[36]同时给小鼠注射采用聚山梨酯-80包衣的甲氨蝶呤聚氰丙稀酸丁酯纳米粒子(PBCA-NP),未包衣NP及甲氨蝶呤溶液,通过检测脑脊液及脑组织内药物浓度显示,采用聚山梨酯-80包衣的甲氨蝶呤PBCA-NP能显著提高脑内甲氨蝶呤药物浓度。Petri等[37]研究显示,泊洛沙姆-188包衣的PBCA-NP与聚山梨酯-80包衣的PBCA-NP均能显著提高阿霉素的抗脑肿瘤活性。

Oliver[38]发现,用聚山梨酯-80修饰的PBCA-NP通过血脑屏障的机理,部分是由于载体降解产生的毒性打开了脑血管内皮的紧密连接。Ulbrich等[39]发现,用人血清白蛋白纳米粒子包无跨血脑屏障能力的药物洛哌丁胺(loperamide),并与转铁蛋白或转铁蛋白受体的单克隆抗体OX26共价结合后,能够借助血脑屏障上转铁蛋白受体介导的胞吞作用进入脑组织,产生强烈的抗伤害性药效。将神经生长因子载入表面经聚山梨酯-80修饰的PBCA-NP,注射帕金森病小鼠模型后可在21d内持续发挥抗帕金森病的疗效[40]。抗菌药物环丙沙星(ciprofloxacin)装载入表面修饰了HIV-1反式激活蛋白(TAT)的聚乙二醇纳米粒子,利用TAT能将异源蛋白导入细胞内或穿过血脑屏障的特点,通过检测发现该抗菌药物能被人类星型胶质细胞摄取,此法还可用于使其他抗生素跨越血脑屏障,从而治疗脑部感染[41]。

2.1.3其他胰岛素(insulin,INS)的降糖疗效明显,但普通制剂的INS口服给药不易吸收,且容易被胃蛋白酶、胰蛋白酶和肠激酶等降解,因此目前临床上INS的常规给药途径为注射给药。大量的研究工作证实,口服纳米囊可保护INS不被酶破坏,提高INS的生物利用度,减少用药次数。Mesiha等[42]制备的聚氰基异丁酯丙烯酸纳米粒可将药物作用时间从6h延长至72h,生物利用度更好。Merisko等[43]制得INS纳米粒,通过体外实验证明其有良好的缓释能力。Christiane等[44]用生物聚合物和非生物聚合物复配制得纳米粒子,可将INS包裹在纳米粒子的内核,对INS的包封率可达到约96%,并且实验证明有很好的缓控释效果。纳米药物控释系统还被用来防治血管再狭窄[45]。

再狭窄是冠状动脉经皮腔内成形术(PTCA)后常见而严重的并发症,运用微孔球囊介入导管将纳米粒子自由分散形成的乳状悬浮液置于PTCA部位,可以达到防治再狭窄的效果。另外,载药纳米粒子进入动脉壁后,随着可降解材料的逐渐水解,其内含的药物便缓慢持续释放出来,从而实现药物在动脉内局部定位。用纳米颗粒,包括纳米胶束、纳米脂质体等作为基因转移载体,已引起医学界广泛重视。其原理是纳米颗粒作为载体将DNA、RNA、PNA(肽核苷酸)、dsRNA(双链RNA)等基因治疗分子包裹其中,或者通过静电引力或吸附将治疗分子固定在其表面形成复合物,在胞吞作用下纳米颗粒进入细胞,释放基因治疗分子,发挥治疗效能[46]。

2.2纳米药物

直接以纳米颗粒作为药物的应用之一是抗菌药物。纳米抗菌药物具有广谱、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。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。例如,纳米二氧化钛树脂基托材料具有一定的抗变形链球菌和抗白色念珠菌的效果,当树脂基托中抗菌剂的浓度达到3%时,即可达到满意的抗菌效果[47]。郭春兰[48]用纳米银医用抗菌敷料对142例患者的手术切口进行护理,所有切口均无感染并Ⅰ期愈合,同常规使用普通无菌敷贴覆盖切口的方法相比,平均每例的愈合时间提前1.69d。

无机纳米颗粒作为新型的抗癌药物为肿瘤治疗提供了新的思路。Liu等[49]用Gd@C82(OH)22处理荷肝癌的小鼠,在10-7mol·kg-1的注射剂量下能有效地抑制肿瘤生长,同时对机体不产生任何毒性。其抑瘤效应不是通过纳米颗粒对肿瘤的直接杀伤起作用,而是可能通过激活机体免疫来实现对肿瘤的抑制作用。纳米羟基磷灰石在体外对恶性肿瘤细胞产生明显的抑制作用,而对正常细胞作用甚微,可望通过进一步的研究获得一种区别于传统的化疗药物的纳米无机抗癌药物[50-51]。此外,有的物质纳米化后出现新的治疗作用,如二氧化钛纳米粒子可抑制癌细胞增殖[52];二氧化铈纳米颗粒可以清除眼中的电抗性分子并防治一些由于视网膜老化而带来的疾病[53]。

3组织修复和再生医学中的纳米材料

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[54]。将纳米纤维水凝胶作为神经组织的支架,在其中生长的鼠神经前体细胞的生长速度明显快于对照材料[55]。向高分子材料中加入碳纳米管可以显著改善原有聚合物的传导性、强度、弹性、韧性和耐久性,同时还可以改进基体材料的生物相容性。研究发现,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黏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[56-57]。Freites[58]设计的人造红细胞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。Murphy等[59]成功合成了模拟骨骼亚结构的纳米物质,该物质可取代目前骨科常用的合金材料,其物理特性符合理想的骨骼替代物的模数匹配,不易骨折,且与正常骨组织连接紧密,显示出明显的正畸应用优势。

纳米自组装短肽材料RADA16-I与细胞外基质具有很高相似性,RADA16-I纳米支架可以作为一种临时性的细胞培养人工支架,它能很好地支持功能型细胞在受损位置附近生长、迁移和分化,因而有利于细胞抵达伤口缝隙,使组织得以再生。有研究人员[60]利用RADA16-I纳米支架修复了仓鼠脑部的急性创伤,并且恢复了仓鼠的视觉功能。RADA16-I形成的水凝胶可用作新型的简易止血剂,用于多种组织和多种不同类型伤口的止血。

4纳米中药

“纳米中药”是运用纳米技术制造的粒径小于100nm的中药有效成分、有效部位、原药及其复方制剂[61]。纳米中药不是简单地将中药材粉碎至纳米数量级,而是针对组成中药方剂的某味药的有效部位甚至是有效成分,进行纳米技术加工处理,赋予传统中药以新的功能。

中药纳米化可以使细胞破壁,大大提高中药有效成分的渗透性或溶解度,提高生物利用度;利用纳米化的中药所具有的缓释功能和靶向给药功能,在提高药效的同时降低毒副作用;利用中药的纳米包覆技术能改变一些中药制剂的亲水、亲油性,提高临床疗效。例如,用纳米粉碎技术将中药黄芩、黄连、黄柏、地榆超微粒化,添加纳米锌、硒等微量元素,加广谱强效纳米银系(AT)抗菌剂、麦饭石纳米粉、远红外二氧化钛、电气石在传统中药配方基础上制成的纳米中药,用于烧烫伤的治疗,提高了药物疗效[62]。将超临界二氧化碳萃取技术用于中药挥发油提取和中药有效成分的提取,通过包覆技术把中药挥发油和中药有效成分制备成纳米药物。超临界二氧化碳萃取技术已广泛用于对菖蒲根、金丝桃叶、月桂叶、肉豆蔻、苍术、高良姜等的有效成分进行提取和对紫苏、香薷、防风、辛夷、苍术、厚朴、细辛、木香等挥发油的提取[63]。

对中药挥发油采用包合技术制备包合物,用纳米尺度的分子材料(主要是环糊精类)作为载体材料,形成不到2nm的药物超微粒,其内径为0.7~0.8nm,可容纳几个药物分子,这样的包合物又称为分子型包囊[64]。由于载体是种多羟基物质,且羟基排列于筒状结构的外壁,极易分散于水中,筒内侧可包裹水难溶性的药物分子,从而大大提高水难溶性药物在水中的溶出和体内的吸收,提高生物利用度,还可降低药物的刺激性,增加药物的稳定性。药物脂质体制剂在纳米中药的研制中也得到了日益广泛的关注。如纳米雄黄脂质体[65]、辛夷挥发油纳米脂质体[66]、马钱子碱脂质体的研究[67];鱼腥草挥发油纳米脂质体的制备及其肺靶向效果[68]等。

纳米中药的研究和应用仍处于起步阶段,存在许多亟待解决的问题,如纳米中药的药效不确定性及可能的毒副作用、纳米中药的有效成分和稳定性难以控制等。但目前已经取得的一些成果表明,纳米中药的研究极大地丰富了中药的剂型,对中药的研究和开发产生了巨大的推动作用。这方面研究的深入能在纳米中药的制药技术、药效等诸方面建立更多具有自主知识产权的专利技术和创新方法,促进中药制剂的标准化和国际化,提升中药的市场竞争力。

5纳米医学材料的安全性

纳米材料在医学领域已应用于药物载体、癌症治疗、基因治疗、抗菌材料、组织工程、医学诊断等方面,给人类带来了许多好处。然而,有关纳米材料毒理学的报道也很多[69-70]。由于纳米材料具有小尺寸效应、表面和界面效应以及量子尺寸效应等特性,可能引发特殊的生物学效应,给人类健康和环境带来负面影响。例如,Yeo等[71]指出具有抗菌效果的纳米银可在水生环境中蓄积,对斑马鱼胚胎发育有毒性作用。

从纳米医学材料大小与DNA、蛋白质、病毒等生物分子的尺寸相当这一事实很容易想到,即使化学组成相同,纳米物质的生物毒性也可能不同于微米尺寸以上的常规物质[72]。根据常规物质研究所得到的毒理学数据库与安全性评价结果,可能不适用于纳米物质;现有的安全评价方法、技术又都不太适用于纳米医学材料对人体风险评价[73]。这些问题正是目前纳米医学材料安全性评价的困难所在。

纳米材料的安全性评估是一个全球性关注的问题,美国、欧盟、日本纷纷斥巨资展开纳米材料的安全性研究,我国也已将其列入国家“973”重点基础研究规划项目。纳米技术涉及很多学科,如电子、生物、物理、化学等等。因此,对医用纳米材料安全性的评估不是单一的某个学科可以完成的,而是需要临床医学、基础医学、毒理学、物理学、分子生物学、化学和环境科学等多学科的融合,充分利用各种先进的分析技术,开展多学科的综合研究。

6展望

虽然纳米医学刚刚问世,但其发展的巨大潜力已经展示在我们面前。21世纪是纳米科技的世纪,人们将以全新的角度和视野看待生物医学问题,在纳米水平上可以更加深入地研究各种组织的结构和功能,并充分发挥其优势。纳米医学技术的发展必将为基础与临床研究带来新的机遇,为现阶段尚不能解决的问题带来新的思路和方法。

第4篇：生物医学纳米技术范文



关键词：纳米材料生物医学应用

1应用于生物医学中的纳米材料的主要类型及其特性

1.1纳米碳材料

纳米碳材料主要包括碳纳米管、气相生长碳纤维也称为纳米碳纤维、类金刚石碳等。

碳纳米管有独特的孔状结构［1］，利用这一结构特性，将药物储存在碳纳米管中并通过一定的机制激发药物的释放，使可控药物变为现实。此外，碳纳米管还可用于复合材料的增强剂、电子探针（如观察蛋白质结构的AFM探针等）或显示针尖和场发射。纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂，以低碳烃类化合物为碳源，氢气为载体，在873K～1473K的温度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在医学领域中有广泛的应用前景。类金刚石碳（简称DLC）是一种具有大量金刚石结构C—C键的碳氢聚合物，可以通过等离子体或离子束技术沉积在物体的表面形成纳米结构的薄膜，具有优秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。资料报道，与其他材料相比，类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低，对白蛋白的吸附增强，血管内膜增生减少，因而类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要的应用价值。

1.2纳米高分子材料

纳米高分子材料，也称高分子纳米微粒或高分子超微粒，粒径尺度在1nm～1000nm范围。这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能，可用于药物、基因传递和药物控释载体，以及免疫分析、介入性诊疗等方面。

1.3纳米复合材料

目前，研究和开发无机—无机、有机—无机、有机—有机及生物活性—非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的新途径，并逐步向智能化方向发展，在光、热、磁、力、声［2］等方面具有奇异的特性，因而在组织修复和移植等许多方面具有广阔的应用前景。国外已制备出纳米ZrO2增韧的氧化铝复合材料，用这种材料制成的人工髋骨和膝盖植入物的寿命可达30年之久［3］。研究表明，纳米羟基磷灰石胶原材料也是一种构建组织工程骨较好的支架材料［4］。此外，纳米羟基磷灰石粒子制成纳米抗癌药，还可杀死癌细胞，有效抑制肿瘤生长，而对正常细胞组织丝毫无损，这一研究成果引起国际的关注。北京医科大学等权威机构通过生物学试验证明，这种粒子可杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细胞。

此外，在临床医学中，具有较高应用价值的还有纳米陶瓷材料，微乳液等等。

2纳米材料在生物医学应用中的前景

2.1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［5］）。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［6］。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。

2.2用纳米材料进行细胞内部染色

比利时的DeMey博士等人利用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或柠檬酸钠把金从氯化金酸（HAuCl4）水溶液中还原出来形成金纳米粒子，（粒径的尺寸范围是3nm～40nm），将金纳米粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合，利用不同抗体对细胞和骨骼内组织的敏感程度和亲和力的差异，选择抗体种类，制成多种金纳米粒子—抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物，在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色（如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色），从而给各种组织“贴上”了不同颜色的标签，为提高细胞内组织分辨率提供了各种急需的染色技术。

2.3纳米材料在医药方面的应用

2.3.1纳米粒子用作药物载体

一般来说，血液中红血球的大小为6000nm～9000nm，一般细菌的长度为2000nm～3000nm［7］，引起人体发病的病毒尺寸为80nm～100nm，而纳米包覆体尺寸约30nm［8］，细胞尺寸更大，因而可利用纳米微粒制成特殊药物载体或新型抗体进行局部的定向治疗等。专利和文献资料的统计分析表明，作为药物载体的材料主要有金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物活性纳米颗粒。

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［9］。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，如子宫、阴道、口（颊、舌、齿）、上下呼吸道（鼻、肺）、以及眼、耳等［10］。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。

2.3.2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。

2.3.3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［11］。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。

2.4纳米材料用于介入性诊疗

日本科学家利用纳米材料，开发出一种可测人或动物体内物质的新技术。科研人员使用的是一种纳米级微粒子，它可以同人或动物体内的物质反应产生光，研究人员用深入血管的光导纤维来检测反应所产生的光，经光谱分析就可以了解是何种物质及其特性和状态，初步实验已成功地检测出放进溶液中的神经传达物质乙酰胆碱。利用这一技术可以辨别身体内物质的特性，可以用来检测神经传递信号物质和测量人体内的血糖值及表示身体疲劳程度的乳酸值，并有助于糖尿病的诊断和治疗。

2.5纳米材料在人体组织方面的应用

纳米材料在生物医学领域的应用相当广泛，除上面所述内容外还有如基因治疗、细胞移植、人造皮肤和血管以及实现人工移植动物器官的可能。

目前，首次提出纳米医学的科学家之一詹姆斯贝克和他的同事已研制出一种树形分子的多聚物作为DNA导入细胞的有效载体，在大鼠实验中已取得初步成效，为基因治疗提供了一种更微观的新思路。

纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗（疏通脑血管中的血栓，清除心脏脂肪沉积物，吞噬病菌，杀死癌细胞，监视体内的病变等）［12］；还可以用来进行人体器官的修复工作，比如作整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行或使引起癌症的DNA突变发生逆转从而延长人的寿命。将由硅晶片制成的存储器（ROM）微型设备植入大脑中，与神经通路相连，可用以治疗帕金森氏症或其他神经性疾病。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。

瑞典正在用多层聚合物和黄金制成医用微型机器人，目前实验已进入能让机器人捡起和移动肉眼看不见的玻璃珠的阶段［13］。

纳米材料所展示出的优异性能预示着它在生物医学工程领域，尤其在组织工程支架、人工器官材料、介入性诊疗器械、控制释放药物载体、血液净化、生物大分子分离等众多方面具有广泛的和诱人的应用前景。随着纳米技术在医学领域中的应用，临床医疗将变得节奏更快，效率更高，诊断检查更准确，治疗更有效。

参考文献

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［7］胥保华等.生物医学工程学杂志，2004，（2）：333-336

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［10］姚康德，成国祥.智能材料.北京：化学工业出版社，2002：71

［11］李沐纯等.中国现代医学杂志，2003，13：140-141

第5篇：生物医学纳米技术范文

【关键词】纳米电子技术；发展现状；未来展望

进入21世纪以来，相关专家意识到纳米技术将作为领先科技的前沿，对纳米技术进行深入的研究，纳米电子技术可能为新技术的开发和应用带来革命性的突破。纳米技术的应用范围广，可能深入到每个领域，每个行业，也可能成为人类生活中必不可少的必需品。目前，人类对纳米电子技术的研究还不够深入，应用也不够广泛，但是纳米电子技术已向人们展示出了强大的魅力和应用潜力。目前已经研究出的纳米电子技术产品包括纳米电子元件和纳米电子材料，这些产品不仅功能奇异，而且性能优良。

一、纳米电子技术的发展现状

（一）纳米电子材料的应用

目前大多数纳米材料包括：纳米硅薄膜、纳米硅材料以及纳米半导体材料。其中，纳米硅材料最具有技术优势，非常符合新世纪人类对电子技术的发展需求。硅电子材料的技术相较于其他材料的优势在于：

1.能耗低、准确可靠、运行时间较短、不易受外界的环境影响。

2.得益于科技的保证和不断地开发研究应用，使得其成本价钱有所降低。

3.由于其短距离的分子间距，使得硅电子材料在运行过程中，反应速度很快，这就从另一方面降低了材料能耗，提高工作效率。

从上述的优势不难看出，纳米硅电子材料的问世是材料的一个新突破，它的领先技术使得其相较于同等材料具有绝对的优势。相信随着纳米材料的不断研究，纳米材料在生活中的应用普及之后，会给人类带来意想不到的方便。

（二）纳米电子元件的应用

纳米电子元件问世之前，电子元件经过了集成元件、超大规模集成元件两个发展历程，因此，纳米电子元件是在“两位前辈”的发展基础上开发出来的。

自从美国的研究者J?KILBY在上世纪50年代研究出第一个集成电路以后，集成电路的就开始了快速发展，并不断更新换代，从小规模集成到中型、大型，再到后来的超大型集成电路，如今又发展到了特大型的集成电路。

随着集成规模的不断扩大，电子元件的尺寸却要越做越小，要达到纳米尺寸的范围(0.1-100nm)，例如刚刚面试的单电子晶体管，它的一个电子信号就代表了一位信息的数据，意思就是晶体管的尺寸要小到极致，从而颠覆了现代电子技术的高集成、高速度下，一定要高能耗的格局。

（三）纳米电子技术应用于现代医学

随着纳米技术的不断研究和应用，更多的纳米电子技术被应用到医学领域之中。

纳米电子技术的发展有助于细微部位的研究，而这些细微之处通过普通显微镜是无法做到的，纳米电子技术的应用还能有助于纳米传感器的发明，通过纳米传感器可以观察到生化反应的各种不同的化学信息以及电化学信息。此外，还有很多类似伽马刀、螺旋CT以及MRI等高科技医学产品的问世，它们的出现为人类医学注入了新鲜血液。

纳米电子技术作为生物医学与电子学相交的新新技术，它将具有巨大的开发利用价值，它的研究潜力是无穷的。生物医学电子学作为生物医学和电子学两大学科的结合，在生物医学电子设备集成化和微型化方向的研究有着很大的发展空间，这种研究主要基于微电子器件的发展，当器件的尺寸发展到分子或原子的大小水平时，人们对于微小生物体的研究将进入前所未有的新阶段。

二、纳米电子技术的发展动向及展望

纳米技术的研究和应用已经得到世界上很多国家的认可，各国也加大了对纳米技术研究工作的投入力度。其中，美国提出了名为NNI，即国家纳米技术的计划项目，将重点研究纳米电子学。欧盟等多个国家将在支持纳米技术研究的工作上，重点投入到纳米电子材料以及纳米电子器件关于存储系统和信息处理的研究，成立相关委员会，并提出欧盟每年60亿欧元到纳米电子研究工作中的投资报告，以推进和鼓动研究者参与到纳米电子技术研究的兴趣当中。而在亚洲，中国台湾地区和日韩两国也加入到纳米电子技术研究的计划和策略当中来，也采取了不少积极措施，比如建立纳米电子研究所，加大研究经费的投入等，旨在对纳米电子技术的研究工作中抢占先机，掌握主动。而我国则将纳米研究技术作为重要的科学研究规划，主要进行纳米电子学的研究，而纳米电子学也被中科院肯定为2020年左右最易实现，也对纳米科技研究有重大影响的研究。

（一）纳米硅薄膜

硅是目前为止发展最快且用途最广，产量最大的半导体材料，硅在全世界半导体材料的总体比重中占到了95%以上，不可谓不惊人，因此，研究纳米硅是研发高性能半导体的最好途径。纳米硅薄膜的工艺程序与集成电路和硅器件完全相容，因此，它可以成为进一步研制量子功能的基础，将会在今后的纳米电子研究技术中具有很大的影响力。

（二）新型电子元件的开发

随着纳米电子技术研究的深入，新型的电子元件产品也渐渐问世。

2010年2月，美国人研发的纳米处理器可实现编程，可能成为纳米计算机。同年5月，澳大利亚和美国研究者基于隧穿显微镜实现了对单个原子的操控，从而创造出了迄今为止最小的原子晶体管，它标志着世界上第一个人工制造原子的电子设备的出现，向信息处理的超强大和超高速性迈进新的台阶。同年12月，在美国德克萨斯大学，又推出了世界上第一个耐高温工作的自旋场效应晶体管。而在2011年的4月，在美国匹兹堡大学，科学家又制造出了超小型的单电子晶体管，它的核心组件的直径Φ小至1.5nm，这一创举也将成为超大规模集成电路的高密度性和低能耗性的理想电子元件。

在以后的20年，将是电子元件不断发展的时期，在此期间，新型电子元件的研究将更加深入，更多的电子元件产品将会不断问世，为人类探索更高领域提供更科学研究方法。

（三）纳米生物电子

纳米生物电子是一个重要的纳米电子学部分，把纳米电子学的科技应用于生物芯片的领域，从而有了纳米机器人的出现，这种纳米机器人不是传统的机器人，而是能进入人体血管，帮人体清除体内有害物质的清洁器，更有效地为人体排出毒素，为保证人体的正常代谢，保持人体健康做出重大贡献。

（四）碳纳米管

1991年日本科学家第一次发现碳纳米管。碳纳米管自身是拓扑结构，又有很好的机械强度和导电性等，可以说集光学和机械性能以及电子特性三者的优异性于一身，所以，碳纳米管也被世界上的科学家们作为研究的重点。

利用碳纳米管的电子性，使得它可以往单电子器件和晶体管材料方向展开研究。2010年2月，芬兰和日本的科学家研究出了新型碳纳米管，它是最优的介于半导体和金属性两者平衡点之间的材料，基于对新型碳纳米管的研究，科学家们发现它可以制作成集成电路，且该电路具有逻辑顺序，可为纳米计算机的研发带来一些启发和灵感。同年6月份，瑞典的歌德堡大学研发出了一种对纳米管形成的过程可控的方法，利用碳纳米管可以使晶体管的尺寸变得更小，运行速度也更快，制造出的半导体材料比硅晶体管高出70%的碳纳米管，从而使得电子流动性要高于现有普通半导体材料的25%，可以说半导体材料已经在往新型碳纳米管上转型，新型碳纳米管将会在今后得到更多的应用。

三、结束语

纳米电子技术的迅猛发展对人类来说绝对是一大利好消息，随着国际的重视，各国对纳米电子技术的资金投入以及科学研究者们的不断研发，纳米电子技术真正应用到人们的日常生活将指日可待。届时，高效、环保、科学的生物材料，医学设备和电子晶体管的问世，将会大大改善人们的生活现状，让人们切切实实地体验纳米时代。

参考文献

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[6]张峰,张阳德.浅谈纳米电子技术的发展[J].中国现代医学杂志,2005,15(9):1432-1434.

第6篇：生物医学纳米技术范文

纳米，从未远离。它一直和其他技术相结合包装在层层“外衣”下，默默为人类提供着便利。未来，纳米科技有望在信息技术、生物医药、能源环境等领域，给人类带来更多福祉，甚至成为未来世界的改变者。

颠覆性变革印刷业

对于公众来说，纳米技术似乎远不如3D打印技术那么“看得见摸得着”，也不如智慧城市那样耳熟能详。它似乎被束之高阁，仅仅停留在实验室里。

事实真的如此吗？不久前，记者随同中科院北京综合研究中心工作人员到位于怀柔科教园区的中科纳新印刷技术有限公司，与印刷领域的纳米科技来了一次“面对面”接触。

“我们的核心技术是纳米材料绿色制版技术，这是一种非感光、无污染、低成本的新型印刷制版技术，”在中科纳新工作的中科院化学所博士纪艺琼介绍，“如果进一步推广，它必将引发整个印刷业颠覆性的变革。”

走进生产车间，几台看似不起眼的制版机躺在中间，几名工作人员正将一张铝板放进机器内，不多时，一张制好的版材就从机器尾端出口“跑”了出来。没有刺鼻的化学药水味，没有排污管道，甚至没有大的噪音，报纸、杂志制版过程轻而易举完成了。

“喷墨是手段，纳米是我们的核心技术，用纳米手段来实现亲水亲油区域的自由调控。”据纪艺琼介绍，纳米科技给印刷技术带来新的突破，不但环保，还可节约成本，“用这样的印刷设备，可节约30%左右的成本”。

据了解，该项技术的产业化正稳步推进，目前山东等地的报社已开始利用中科纳新的设备大规模印刷报纸。不产生废水，不造成重金属污染，印刷业革命已成为现实。

“纳米”就在我们生活中

除了印刷制版，纳米科技其实早已应用于人们的日常生活之中。只不过，它如同春雨一般，“随风潜入夜，润物细无声”，以至于公众都忽视了它的存在。

“拿纳米钢皂来说，其实技术早就成熟了，在很多地方也买得到。”据国家纳米科学技术指导协调委员会专家组秘书长、国家纳米科学中心科技管理部副主任任红轩介绍，纳米钢皂最早在德国生产出来，近年国内也出现同类产品。这种不锈钢肥皂，能有效去除鱼腥味等多种异味，但由于价格高昂并未进入超市销售，而主要在大商场贩卖。

“纳米科技早就无孔不入了。”在办公室里，任红轩拿起一部苹果手机向记者比画了一下，“这里面的芯片都是利用纳米技术制造出来的，但一般人谁知道？”

在芯片制造领域，纳米科技进步意义重大。每一台电脑、智能手机的生产都离不开芯片。目前，英特尔最先进的移动SoC（系统级芯片）采用22纳米工艺，高通的高端SoC采用28纳米工艺。采用纳米级较低的工艺生产芯片，可提高芯片的性能和能耗效率。最新消息是，英特尔将公布14纳米制造工艺，并表示将利用这项新工艺生产新一代智能手机和平板电脑芯片。毫无疑问，这将带来智能手机、平板电脑性能的新飞跃。

“前两年红火的纳米衣服，在技术上也有了新发展。”据任红轩介绍，国家纳米科学中心正在帮助一家企业研制一种耐高温、透气的纳米衣服，可用于高温下作业的特种行业，“我们提供材料和技术支持，他们生产”。

在医疗领域，纳米科技也早已应用多年。但相对于治疗，目前纳米科技主要在疾病检测领域发挥作用。科学家针对不同病情设计出不同试纸，“最简单的应用就是检查女性是否怀孕的试纸，用的也是纳米技术。”任红轩说。

据了解，2011年，国家纳米科学中心和检验检疫部门合作，研发了用于快速检测植物病毒的试剂盒，目前这种试剂盒已被海关部门投入使用。中科院生物物理所研究员阎锡蕴也向记者介绍，纳米科技在医学成像、农药检测等领域用途很广。她曾利用纳米模拟酶发展了肿瘤诊断新技术。该技术简便、快捷，突破了免疫组化法依赖于昂贵抗体的限制。

人们日常生活中必须用到的电池、手机显示屏等，也离不开纳米技术。“碳纳米管被用作导电材料，已经用于锂离子电池中，且实现了产业化；利用碳纳米管场发射性质制造的显示屏，在手机上的运用效果非常好，也已实现了产业化。”任红轩告诉记者，每当人们打开手机享受其带来的便利时，就已在不自觉地享受着纳米科技带给人类的福祉了。

下一次工业革命的核心？

1991年，碳纳米管为人类发现，此后被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等研究中。1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达500亿美元……

如今，纳米技术与信息技术、生物技术共同构成当今世界高新技术三大支柱。包括美国、日本、欧盟、俄罗斯等50多个国家和地区都有各自明确的纳米科技发展战略，并投入巨资抢占战略制高点。美国甚至将纳米计划视为下一次工业革命的核心。

“从我国对纳米技术的支持力度看，纳米研究一直是热点。”据任红轩介绍，近年国家在这方面投入的经费基本上每年在10亿元以上。此外，地方政府也有相应投入。当前及未来纳米科技热点在哪里？任红轩称主要集中在以石墨烯为代表的纳米材料、生物医药、信息技术、能源环境几个方面。

“石墨烯是由单层碳原子组成的二维晶体，可是制备功耗更小、速率更高的新一代纳米电子元件的重要基础性材料。它的发现是纳米科技发展史上，距现在最近的一个里程碑事件。”任红轩表示。

在生物医药方面，尽管纳米科技用于新药研发成功的案例不多，但这并非纳米本身的原因，而是因为世界上对药品的研发、上市有着严格审定程序。实际上，科学家们已在实验室研发出很多种新药，在临床数据的表现都很好，但因为审批的原因，正式上市尚需时日。任红轩举例说，经过10多年努力，一种名为“富勒烯包钆”的药物被研发出来，可用于治疗各种肿瘤。它的原理是可在肿瘤组织形成一个包围圈，阻断肿瘤组织与外界物质交换，从而实现抑制其生长的目的。目前，研究人员通过实验发现，它在治疗乳腺癌、胰腺癌方面疗效显著，已申请了三个国际专利和20多个附属专利，并通过了动物实验阶段，未来如果能够走入市场，可能会改变目前现有的肿瘤治疗方式。

在信息技术方面，纳米科技对提高每平方英寸存储器的存储密度、提高中央处理器的计算速度有着至关重要的作用。目前，中科院上海微系统所在纳米相变存储器的产业化关键技术上已取得重大突破。“时下流行的可穿戴智能设备，其芯片、材料将来都离不开纳米技术。纳米技术的进步将推进这些智能设备的发展。”任红轩说。

第7篇：生物医学纳米技术范文

文章编号：1003-1383（2013）01-0106-04 中图分类号：R319 文献标识码：A

纳米（符号为nm）是一种度量单位。1 nm=1/100万mm。“纳米材料”的概念是20世纪80年代初形成的，指的是物质的颗粒尺寸小于100 nm的具有小尺寸效应的零维、一维、二维、三维材料的总称。目前在口腔医学临床上使用的材料相当广泛，运用于口腔的纳米材料称之为口腔纳米材料，对口腔临床修复治疗起到了非常重要的作用。随着纳米材料和纳米技术的兴起，新型的纳米材料开始在口腔医学领域[1]应用，对现有口腔材料的改性和创新具有重要意义。纳米材料具有以下主要特点：纳米粒子大小在1～100 nm；有大量的自由表面或界面；纳米单元之间存在着相互作用，作用或强或弱。因为具有以上特性，纳米材料具有包括表面或界面效应、小尺寸效应、量子尺寸、宏观量子隧道效应[2]。纳米材料与组成相同的微米晶体材料比较具有其许多优异的性能[3]，主要表现在催化、磁性、光学、力学等许多方面。纳米高分子材料的应用涉及多方面，主要为介入性诊疗、免疫分析、药物控制释放载体等[4]。纳米技术涉及许多领域，包括纳米合成技术、纳米装置技术、微加工技术等，在口腔医学方面采用的纳米技术称之为口腔纳米技术[5]。现就纳米材料与纳米技术在口腔内外科学中的应用进行如下概括综述。

纳米技术与纳米材料在口腔内科学中的应用 1.纳米复合树脂 从以化学方式固化的复合树脂到光固化灯照射固化的复合树脂及双固化型复合树脂。用复合树脂修复牙体缺损已有40多年历史。复合树脂的基本组成部分是无机填料，根据无机填料的粒径大小分为大颗粒型、超微颗粒型和混合填料型。混合填料型树脂填料粒径近几年不断向纳米级发展。如今推出的适用于所有充填通用型纳米复合树脂，将是最有希望的新型复合树脂。为改善牙科树脂的性能，目前多采用许多增加强度和增加韧性的方法。在树脂中加入种类、数量、大小不相同的无机填料，虽然使复合树脂的强度得到提高，但同时又使树脂的韧性降低。而在树脂中运用纳米粒子来填充，可使复合树脂强度与韧性增加。使复合树脂的强度增强的纳米粒子包括纳米二氧化硅[6]、纳米氧化锆[7]、纳米羟基磷灰石[8]、纳米氧化钛[9]等。由于纳米粒子具有以下独特的性能，如非配对原子多，表面缺陷少，比表面积大，能与聚合物发生较强物理结合或化学结合，使粒子与基体间界面粘结时，对更大的载荷都能承受，从而使纳米复合树脂具有更高的强度和韧性。为使材料发生聚合时不收缩或收缩减小，在光化聚合丙烯酸脂或异丁烯酸脂基的向列液晶单体中，加入二氧化硅纳米微粒和较高含量的金属氧化物，使形成高分子量的聚合物粘结性增强，

体积收缩减小。二氧化锆用于口腔科具有X射线阻射性高、强度高和硬度高等优点，纳米氧化锆复合树脂光学透明性极高，是理想的口腔科复合树脂增强材料。口腔临床使用的树脂充填材料，放射阻射性弱，如发生继发龋坏时，X线片上很难将充填材料与继发龋进行鉴别，若将氧化钽纳米粒子通过运用纳米技术填充入树脂材料中，形成具有放射阻射性的新型纳米复合树脂材料，材料的物理强度会得到增强。而将氧化钽纳米粒子加入玻璃离子材料中，能使材料克服容易溶解的不足，同时强度增强，与一般的复合树脂相比，具有更好的耐磨性。该材料主要是依靠纳米机械结合，来提高其耐磨性。如果把纳米多孔二氧化硅凝胶加入树脂材料中，使新形成的材料具有不相同的结构，耐磨性能得到提高。有学者将纳米材料加入复合树脂中，发现能使其具有抗菌性能。Xu等在口腔科复合树脂中加入熔附了纳米硅颗粒的晶须和纳米二钙或四钙磷酸盐，可达到自修复的目的[10，11]。宋欣等人在复合树脂中加四针状氧化锌，发现该材料不仅能提高树脂的机械性能，还使树脂具有抗菌作用[12]。Niu等也在复合树脂中加入四针状氧化锌，使复合树脂具有抗菌性能的同时机械性能也增强[13]。由有机高分子材料和各种纳米单元通过多种方式复合成型的新型复合材料就是纳米填料复合树脂，是一种含有纳米单元相的纳米复合材料。纳米复合树脂与过去的复合树脂相比较性能上有更大提高，其优势就是色泽更逼真，抛光性与持久性更佳，超强强度更耐磨，可以广泛用于前牙或后牙。

2.纳米粘结材料 从BisGMA粘结剂和酸蚀技术用于口腔临床以来，在口腔临床粘结治疗方面获得很大进步。口腔内环境有其独特性，使许多粘接材料和粘接技术没有达到理想要求。随着纳米技术的广泛运用，纳米材料的日益发展，将纳米粒子加入现有的口腔粘结材料中进行改性外，还把纳米杂化树脂（poss）作为基质，用它与硅基纳米材料发生共聚，从而得到高强度、热稳定、耐久性的高粘结性材料。这种材料不仅能很好地克服酸蚀过程中造成的牙本质小管闭合问题，而且能在牙体和材料之间发挥较高的粘结性，使粘接技术和粘接材料达到一个更高更新的水平。牙本质过敏是口腔内科临床上常见病多发病，是牙齿上暴露的牙本质在受到外界刺激，如温度、化学性、机械性刺激后，引起牙齿的酸、软、疼痛症状，这主要是牙本质暴露后，牙本质小管内的液体，即牙本质液对外界刺激产生机械性反应所引起。临床主要是通过在暴露的牙本质表面涂布粘结剂来缓解敏感症状。在临床口腔常用的光固化粘结剂中加入一些纳米材料，不仅能提高其粘结力，还可作为牙本质过敏治疗的封闭材料。主要是利用纳米粘结材料来封堵牙本质小管，可以使牙本质过敏得到迅速和永久的治愈。

3.纳米根管充填材料 临床上用于做根管治疗的根充材料要求有以下特点：其一，能把炎症始发地彻底清除，能使根管封闭、死腔消灭，从而防止微生物进入根管内，阻止根管再次受到感染；其二，材料自身有恢复组织病变的能力，对根尖孔的钙化闭合有促进作用。因羟基磷灰石颗粒的尺寸较大，如单纯使用羟基磷灰石作为根管充填材料，在根管充填后形成的整体脆性较大，弹性模量与牙根牙本质不匹配，从而出现明显的微渗漏。随着纳米羟基磷灰石生物材料的出现，能很好解决根充材料存在的关于生物相容性的难题。经过大量基础和临床研究，发现纳米羟基磷灰石的结构与天然骨的无机成分很相似，均有良好的生物相容性，两者可以紧密结合，结合后周围组织未见有炎症和细胞毒性的发生，其对骨组织还有良好的诱导性。材料的组成和构造与脊柱动物硬组织相似，生物相容性良好[14～16]。将纳米羟基磷灰石制成糊剂用于充填根管，大多数病例根尖透影区变小或消失，临床症状消失，成功率达93.2%。根尖周围组织有病变的牙齿，成功率达93.8%。王艳玲[17]研究指出，用纳米羟基磷灰石根充与传统氧化锌丁香油糊剂根充两者相比较，在根管壁密合度方面，前者明显优于后者。纳米羟基磷灰石具有良好的根尖封闭特性，用其作根管封闭剂可减少微渗漏的出现。不少学者把具有良好的生物相容性，可使病变组织愈合加快，根充不会被组织吸收的纳米羟基磷灰石作为根管充填材料和根尖屏障材料，对其可行性进行了大量的临床研究[18～22]，取得良好的疗效。纳米羟基磷灰石材料本身无杀菌作用，将碘或其他抗生素加入其中可以使该材料的抑菌和抗菌效果提高[23]。张海燕等[24]对难治性根尖周炎应用无机抗菌剂作为根管充填剂进行根管治疗，取得很好临床疗效。本身没有成骨性的纳米羟基磷灰石，可为新生骨的沉积提供合适的生理基质，引导牙骨质不断沉积来封闭根尖处的根尖孔。有临床报道将其用于年轻恒牙的根管充填特别合适。

纳米技术与纳米材料在口腔外科学中的应用 1.纳米技术在拔牙麻醉上的应用 拔牙麻醉时的注射操作和疼痛往往让患者感到害怕和恐惧。临床上可使用丁卡因进行组织的表面麻醉或局部注射碧兰麻来减轻患者的疼痛，但有时仍会出现诸多问题如麻醉镇痛不全、血肿、面神经暂时性麻痹等。随着纳米技术的发展，口外医生可将纳米粒子活性麻醉剂悬液直接涂布在牙龈和牙龈沟内，在声学信号（如超声波）或程序化的化学反应链（电化学机制）的指引下，经牙齿的薄弱区牙颈部，药物通过牙本质小管到达牙髓腔，达到麻醉效果。比牙本质小管管径（1～4 μm）小数百倍甚至数千倍的纳米粒子，可由信号引导，从牙本质小管灌流到牙髓腔内，起到麻醉效果，实现牙科无痛麻醉，给患者减少疼痛和恐惧感。

2.纳米复合体材料修复骨缺损 随着口腔材料学不断发展，羟基磷灰石作为新兴的材料，可大量用于口腔骨组织缺损的修复，如牙槽骨再造、牙周骨组织缺损、颌骨囊肿等。研究表明：羟基磷灰石所具有的许多特征与多种因素有关，尤其与它的颗粒直径大小有密切关系。如果颗粒直径大小在1～100 nm，羟基磷灰石则会具有特有的生物学特点。纳米羟基磷灰石的晶体构造与自然骨中的无机成分相比较，两者极为相似，都可以通过氢键方式与蛋白质及多糖结合在一起。无细胞毒性，生物相容性好，故认为其是多种口腔疾患造成天然骨质缺陷最好的替代物[25～29]。纳米羟基磷灰石材料既可作为骨形成的支架，而且还对骨细胞有引导的作用。有学者用纳米羟基磷灰石复合胶原植入术，对牙周病造成骨组织缺损的患者进行临床治疗及疗效观察，取得令人满意的临床效果[30，31]。羟基磷灰石复合胶原与周围组织相容性好，其组成和构造跟天然骨相似，本身无细胞毒性，对牙周膜细胞的生长和新生骨的形成有促进作用，故认为它是一种良好的组织工程支架材料。清华大学材料科学与工程系研制的纳米羟晶/胶原仿生骨，用来修复家兔颅颌骨实验性穿通性骨缺损，因仿生骨有良好的生物相容性，对骨组织的再生、修复起到促进作用，从而取得良好的骨创愈合效果，达到骨创的关闭和骨性桥接。有学者用纳米羟基磷灰石人工骨充填慢性根尖周炎及根尖囊肿手术后的骨缺陷区内以及下颌智齿拔除后的牙槽窝内，均取得令人满意的疗效。颌骨囊肿是口腔科的一种常见疾病，为减少术后出现感染概率，缩短术后修复时间，防止患者面部出现畸形，可加入纳米羟基磷灰石人工骨，纳米羟基磷灰石人工骨在充填骨缺损的同时，使感染问题得以解决，而且对骨诱导作用明显，手术操作简便易行，应在口腔外科临床工作中广泛推广。

3.纳米控释系统在肿瘤治疗中的应用 纳米控释系统包括纳米粒子和纳米胶囊，它们直径在10～500 nm之间。药物可以通过吸附作用、附着作用位于粒子表面或者通过溶解、包裹作用位于粒子内部。在外磁场的引导下，将磁性纳米颗粒作为药剂载体引导到肿瘤患者的患病部位，对病变部位进行定位治疗，这样可以减少治癌药的毒副作用，提高药物疗效。恶性肿瘤血管组织的通透性较大，细胞的吞噬能力较强，用静脉给药方式把纳米粒子运送到肿瘤组织，可使药物疗效得到提高，降低毒副作用和减少给药量。Lebold T等[32]把针孔结构的纳米硅石当作载体，结合多柔比星，将两者制成薄膜，与其他给药方式比较其释药时间显著延长。作为抗恶性肿瘤药物的输送系统，纳米控释系统被认为是最有发展的应用之一。纳米颗粒乳剂载体与分散于人体内的癌细胞容易融合，临床上可利用它将抗癌药物包裹。有人用聚乙烯吡咯烷酮纳米粒子将抗癌药物紫杉醇包裹用于肿瘤治疗，结果表明，含紫杉醇的纳米粒子与同浓度游离的紫杉醇在治疗肿瘤疗效方面，前者疗效明显增加。大量研究显示，具有纳米级的一些抗肿瘤药物，延长在肿瘤内停留时间，肿瘤生长缓慢，同时减少对组织器官的毒性和副作用，减少药物剂量。纳米脂质载体在肿瘤造影和成像等方面具有较好的优势[33]，因为其对药物、基因、成影剂有较好的包封率。

综上所述，随着纳米材料与纳米技术的兴起和快速发展，为口腔材料学的研究提供了一种全新的方法和手段。使我们能以全新的思维模式从纳米水平来重新探索和研究材料的成份与结构，从而为口腔医学领域研制出更好更理想的口腔材料。

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第8篇：生物医学纳米技术范文

纳米材料（又称超细微粒、超细粉未）是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统，其结构既不同于体块材料，也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应等，拥有一系列新颖的物理和化学特性，在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。

纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚兴趣。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工生产领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。

检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。

微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。

纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分子应用工程。在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质特别是酶，从而控制生化反应。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器，可以获取细胞内的生物信息，从而了解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。

第9篇：生物医学纳米技术范文

[关键词] 纳米技术 体育 应用 思考

随着科学技术的发展，如何将纳米科技真正应用于体育运动，使运动训练更加科学化，使运动员的运动能力和运动技术水平得到更充分的发挥，运动成绩的提高更加有保证已经成为研究重点。

一、体育与纳米技术

1.利用纳米技术进行运动员的科学选材。由于纳米科技推动了微观生物学的发展进程，运用人类基因组计划和纳米技术，有助于我们对人类基因组中与运动成绩密切相关的基因加以认识和了解。有研究表明，人类基因组中有某些与人类运动能力密切相关的基因，其多态性的差异，有可能是造成人们运动能力和训练效果巨大个体差异的最终原因。该领域的研究，为人们进行有效的基因选材提供了理论基础，也为提高运动成绩提供事半功倍的方法。例如在运动员的选材方面，利用纳米加工技术进行DNA的分离和提取，可以快速有效地决定其基因序列，在分子水平上对其遗传、发育进行研究，实现更高层次的基因选材。

2.利用纳米科技揭示人体对各项运动能力的适应度和对各项运动能力的遗传度，找到运动训练在人体生长发育过程中的关键阶段(如青春期)的影响及作用机制。通过开发一种可以植入皮下微型生物芯片，模拟健康人体内的葡萄糖检测系统监测机体在运动过程中血糖水平，然后根据人体需要，适时释放糖等物质，维持机体在运动过程中的血糖水平，有效地提高机体的运动能力。

3.利用纳米技术进行体育运动与健康关系的研究。利用纳米微粒技术，可以灵敏地检测各种组织的特异性蛋白，探讨某些运动性疾病的发病机制，有效地对运动员进行医务监督，维护运动员的健康。通过纳米级敏感器可以监视运动训练导致的细胞内结构的形态与数目的变化，以及这些变化所反映各器官功能结构的功能状态。纳米科技在中国传统医学中的应用，使传统中医药对运动损伤与运动性疾病的预防和治疗具有更好的效果。

4.利用纳米技术防止运动性疲劳和加快其恢复过程。关于运动性疲劳发生的机制，目前虽然有许多假说，但确切的疲劳机制还有待于进一步研究。由于纳米科技在医学上的突破，将对运动疲劳机制尤其是在中枢神经系统方面及其靶器官和靶细胞的研究将更加深入，人们可以利用纳米生物芯片直接研究机体在运动过程中骨骼肌、心肌、肝脏和神经等组织的代谢过程，探讨中枢和外周运动性疲劳及其恢复的生物学机制，并且可以通过某些手段(如纳米药物)抑制导致运动性疲劳的基因表达或诱导加速恢复的基因表达。

5.利用纳米技术防止运动损伤与运动性疾病的临床诊断与治疗。纳米医学材料的研制，对于人造器官、人造肌肉、骨骼、关节皮肤等成为永久性的非排斥性。用纳米机械潜入人体的血管和器官，对人体进行检查和治疗，并且可以进入毛细血管以及器官的细胞内，对损伤的细胞进行治疗和处理，甚至可以从细胞基因组中除掉“有害”的DNA，或把正常的DNA安装到细胞基因组中。

6.利用纳米技术对运动员进行机能评定。在人们全面了解运动引起机体产生适应性变化的基因调节机制后，人们可以通过基因工程技术和纳米技术对运动员的疲劳状态、运动训练的适应性及其免疫功能等进行基因诊断。这种诊断一般是在基因的转录水平上进行评定，可以较早地发现运动员在运动工程中的机能变化,具有较好的应用价值。

7.利用纳米技术了解控制运动营养水平，使运动员的营养代谢趋于更加合理和平衡。通过纳米级敏感器使运动员的营养代谢处于一个精细、准确、严密的监控中。运动员所需的营养素完全按照运动项目特点和个人的生理特点进行补充和调配，使运动员的营养变得合理化、科学化。

8.利用纳米技术对体育运动进行精确客观的定量分析。利用纳米技术对运动时人体的骨骼、肌肉、血液组织以及心血管系统、呼吸系统、消化系统等各器官系统对运动训练的适应性进行客观的精确的定量分析，不仅使运动训练更具有科学性，也大大地提高运动员训练的成材率。

二、纳米技术在竞技体育中的作用

1.纳米相材料技术。这是一种通过控制结构纳米颗粒的大小而制造出强度、颜色和可塑性都能满足人们需要的相材料，这种纳米相材料除微观结构与普通材料完全不同外，在宏观上也表现出许多奇妙特征，如纳米相铜强度比普通铜高5倍，纳米陶瓷摔不碎等。这种纳米相材料技术已应用在体育器械、场地和服装的改进方面。就拿撑杆跳运动员使用的撑杆来讲，撑杆跳高最早使用的撑竿是竹竿，1942年美国运动员达姆首次在国际比赛中使用了轻合金撑竿而创下了4.77米世界记录。可以想象应用纳米相技术，将会生产出具有“个性化”(根据撑竿跳项目的特点和竞赛规则的要求及运动员自身的生理和技能特征的)撑竿，使该项目的世界记录再有突破。

2.纳米复合改进技术。少量纳米材料可以综合改善传统材料的性能。例如美国把AL2O3纳米颗粒加入到橡胶中提高了橡胶的耐磨性和介电特性。

3.纳米器件技术。利用纳米器件技术生产的分子自组织结构可用于电子记忆、数据接收、存储器和传递等，这种器件运用于体育训练将大大增加训练的效率和成绩。

三、纳米技术应用于竞技体育所引起的思考

综上所述，随着科学技术的发展，纳米技术在体育运动中的应用显得日益重要，同时，也会引起一些体育道德和伦理道德问题。同时我们要思考的是：器材的高科技化是否会削弱运动员在竞技体育中的主体地位，从而变相剥夺运动员的竞赛权利？若运动成绩的提高在较大程度上依赖于器械和服装的高科技化，这是否会带来一些新的不公平？器材作弊是否会成为兴奋剂的另一种表现形式？这些是我们必须考虑的。可以通过修改某些项目的器械的设计规则，加强一些项目的器械、服装的申报和检测程序，国际奥委会和各国际单项体育联合会要针对纳米技术等高科技的新成就加强新的检测手段，来杜绝运用器械作弊;通过对运动员、教练员、裁判员和科技工作者等进行个体道德教育，以保证竞技体育更好地弘扬奥林匹克精神。

参考文献:

[1]芸世纪之交的我国运动形态学研究.中国运动医学,2000,19(4):340～341