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纳米生物技术及其应用材料学院师资博士后崔岩岩2013年12月30日个人介绍个人主页：

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/2003年9月-2007年7月四川大学化学学院应用化学系获得学士学位2008年9月-2013年7月中国科学院高能物理研究所获得博士学位小美女宝宝的爸爸从宏观世界到微观世界纳米生物技术简介纳米生物技术简介纳米技术的数量级是10-9m（1nm），约为单个原子的四倍。

DNA的宽度约为2.5nm，蛋白分子为1-20nm，鉴于活细胞中这些固有的纳米级功能成分的在整个细胞生理活动中起着重要作用，纳米技术必然在生物技术领域具有更广泛的应用。

纳米生物技术是将纳米技术与生物技术相结合，从分子水平装配具有复杂功能的装置和体系，并将其应用于生物学研究的技术。

纳米生物技术主要包括以及几个方面：

1、纳米药物载体；2、纳米诊疗药物；3、纳米医用材料；4、其他。

纳米生物技术简介纳米药物载体将药物包封于纳米微粒中，可以调节释药的速度，增加生物膜的透过性、改变在体内的分布、提高生物利用度等。

所使用的纳米颗粒粒一般是大小在101000nm之前的固态胶体颗粒。

1、水溶胶纳米药物载体-常用载体水凝胶纳米粒子大多数以疏水多糖为基础制得。

包覆并输运药物，治疗性蛋白，疫苗抗原。

2、聚合物胶束胶束的核可容纳疏水性药物，壳是亲水性刷状结构，从而实现了疏水性药物的水溶性纳米药物载体-常用载体3、脂质体脂质体是球形的纳米粒子，由脂双层膜构成，具有亲水内核，但是可以是单层膜，也可以是多层膜。

与传统的药物剂型相比，使用脂质体输运药物更有效，更安全。

这些脂质体可以在内核中或质膜上装载药物，通常情况下，亲水性药物在内核中运载，脂溶性药物插入到质膜中纳米药物载体-常用载体4、树枝状聚合物通过对树枝状聚合物尺寸及分子结构的设计，使其具有最佳的血液循环时间，将阿霉素结合到这种可生物降解的聚合物上，来输运阿霉素。

通过多点结合，控制药物载量；通过PEG链修饰，实现溶解性；通过pH敏感的链接，实现药物释放。

纳米药物载体-常用载体5、介孔纳米材料纳米药物载体-常用载体将疏水性药物埋入多孔二氧化硅或者介孔碳纳米材料中，利用纳米材料的亲水性，实现药物的载带6、烯碳材料纳米药物载体-常用载体DNA与碳纳米管阳离子二肽在中性条件下可以自组装成纳米管，通过改变自组装体系的浓度，纳米管能进一步转化为囊泡，利用此转变过程可将寡核苷酸（ss-DNA）通过细胞的吞噬作用携入细胞内，从而实现外缘物质的胞内输送。

肽纳米管载寡核苷酸进行细胞内输送的示意图肽纳米管载寡核苷酸进行细胞内输送的示意图（a）（a）肽纳米管的肽纳米管的SEMSEM图；图；TEMTEM图：

图：

（b）（b）肽纳米管向囊泡转变的中间态，肽纳米管向囊泡转变的中间态，（c）（c）由由纳米管再组装产生的囊泡；纳米管再组装产生的囊泡；（d）（d）与载有与载有ssss-DNADNA的肽纳米管孵化的肽纳米管孵化24h24h后的后的HaLaHaLa细胞细胞的的CLSMCLSM图。

图。

纳米药物载体-常用载体7、肽纳米管多肽纳米管作为抗菌剂多肽纳米管作为抗菌剂，可在细菌细胞膜上穿可在细菌细胞膜上穿孔孔，导致细菌死亡导致细菌死亡肽纳米管的杀菌应用纳米药物载体1.1.提高药物效果提高药物效果许多药物本身存在理化性质不稳定、易被降解破坏、溶解率低、不良反应较大等问题，通过纳米技术将这些药物高度分散于纳米载体中，制成载药纳米微粒，再用液体载体的流动形式给药，从而避免了药物原有的缺点。

纳米药物载体2.2.良好的控释性良好的控释性与以往的控释制剂不同，载药纳米微粒的控释过程具有其特定的规定，载体壁溶解和微生物的作用，均可使载体中药物向外扩散。

将药物制成纳米制剂后，避免了多次用药可以延长药物的体内半衰期，解决因药物半衰期短而需每天重复给药多次的麻烦，减少药物不良反应，具有很好的缓控释效果。

传统给药方式传统给药方式多次给药，多次给药，浓度水平不稳定浓度水平不稳定纳米载体缓控释纳米载体缓控释一次给药一次给药维持稳定药物水平维持稳定药物水平纳米药物载体3.3.良好的靶向性良好的靶向性具有磁性纳米粒子作为药物载体注入人体内后，在外加磁场下，通过纳米微粒的磁性导航，使药物移向病变部位，达到定向治疗的目的。

药物药物未加磁场正常肝组织较大的血管中未发现纳米粒的存在加磁场正常肝组织小动脉及肝窦中大量的纳米粒聚积纳米药物载体纳米诊疗药物就是能够实现诊断或治疗或集二者于一体的纳米集合体，利用纳米材料自身的可检测信号，或是修饰的可检测信号分子，追踪纳米材料在体内的分布及代谢情况，同时利用纳米材料自身的光热，磁热等性质或载带的药物分子完成对病灶部位的治疗作用。

同时对纳米材料进行靶向修饰，提高纳米材料的靶向性，并实现定性，半定量或定量的对病情进行诊断分析。

纳米诊疗药物纳米诊疗药物-可检测信号荧光信号纳米诊疗药物-可检测信号癌症细胞由于其比较活跃，所以吞噬纳米颗粒能力较强，可以实现纳米颗粒的富集作用纳米诊疗药物-可检测信号纳米氧化铁含Gd显影剂MRI磁性信号其他：

同位素显影剂：

如I125，F18，Cu64光声信号：

金纳米颗粒等效应杀死病灶部位细胞光热效应：

金纳米棒，CuS纳米颗粒，金纳米笼等磁热效应：

顺磁性或超顺磁性的氧化铁纳米颗粒等其他具有治疗作用的药物分子，如抗生素，消炎肽，以及阿霉素等。

纳米诊疗药物-治疗作用荧光修饰的抗体进行识别和定位利用抗体、细胞膜表面受体的专一性作用，将配位子结合在荧光纳米颗粒上，与目标表面的抗原性识别器发生特异性结合，使纳米颗粒能准确地作用于目的细胞。

与抗体结合的纳米材料与组织内抗原的特异性结合纳米诊疗药物-举例纳米诊疗药物-举例多信号复合成像诊断材料“金纳米棒”体积小，具有双光子荧光性质，可在血液中流动。

将金纳米棒注射到老鼠体内，然后用红外激光束照射金纳米棒微粒就会发出比常规成像设备中使用的荧光染料亮度近60倍的荧光。

若是修饰有靶向基团，“金纳米棒”会在癌症和肿瘤等病灶区域富集，实现癌症的诊断。

同时，金纳米棒具有光热性质，使用红外激光束长时间照射可以使金纳米棒富集部位温度升高，达到杀死癌细胞的目的。

纳米诊疗药物-举例超顺磁性纳米氧化铁磁介导热疗纳米诊疗药物-举例将纳米尺度的磁性颗粒定位于肿瘤组织，然后施加一外部交变磁场，使材料因产生磁滞、驰豫或感应涡流而被加热，这些热量再传递到材料周边的肿瘤组织中，使肿瘤组织温度超过42，导致细胞的凋亡及坏死，从而实现对肿瘤的治疗。

纳米诊疗药物-举例以av3整合蛋白为靶向的基因纳米材料（a）:

av3-NP/RAF（-）表达的ATPu-RAF与av3整合蛋白结合;（b）:

内皮细胞凋亡（c）:

肿瘤细胞饥饿死亡.纳米诊疗药物-组装纳米医用材料纳米陶瓷具有很好的生物相融性，在人工骨、人工纳米陶瓷具有很好的生物相融性，在人工骨、人工关节、人工齿以及牙种植体、耳听骨修复体等人工器官制关节、人工齿以及牙种植体、耳听骨修复体等人工器官制造及临床应用领域有广阔的应用前景。

造及临床应用领域有广阔的应用前景。

图图1.1.纳米磷酸钙纳米磷酸钙/胶原的胶原的TEMTEM可知磷酸可知磷酸钙钙/胶原层间距为胶原层间距为11.7nm与骨组织里的与骨组织里的7.1nm7.1nm十分接近，均为一种倾斜的层状十分接近，均为一种倾斜的层状结构。

结构。

图图22.纳米磷酸钙纳米磷酸钙/胶原基骨材料胶原基骨材料SEMSEM可知纳米磷酸钙胶原基骨材料的多孔可知纳米磷酸钙胶原基骨材料的多孔结构与天然松质骨微观结构相同结构与天然松质骨微观结构相同，有有利于细胞的长入和营养物质的交换利于细胞的长入和营养物质的交换。

活性仿生人工骨植入活性仿生人工骨植入2424周周,骨缺损完全连接骨缺损完全连接在犬桡骨在犬桡骨2020mmmm节段性骨节段性骨缺损实验中缺损实验中，第四周就骨第四周就骨皮质基本连接皮质基本连接，2424周骨周骨缺损完全连接缺损完全连接。

纳米医用材料-纳米陶瓷目前糖尿病患者必须定期注射胰岛素来控制病情，而胰岛素是在胰腺的岛细胞内生成的一种激素类蛋白质。

若将外来的岛细胞植入人体，往往仅持续几分钟就被来自免疫系统的抗体破坏。

若将胰腺细胞装进布满几纳米大小的孔的膜中。

当血液中的葡萄糖通过纳米孔渗透进来，岛细胞会相应地释放胰岛素，几个纳米的毛细细孔足以让小分子的葡萄糖和胰岛素通过。

但是相对较大的抗体分子却不能通过，因而可以保护胰岛细胞不被破坏。

纳米医用材料-人造胰脏蛋白，蛋白，抗体，抗体，酶酶纳米医用材料-人造红血球脑细胞缺氧6至10分钟即出现坏死，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。

人造红血球，携氧量是天然红血球的200倍以上。

它可以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。

纳米医用材料-人工血管人工血管是以尼龙、涤纶、聚四氟乙稀（PTFE），聚氨酯（PU）等合成材料人工制造的血管代用品，适用于全身各处的血管转流术。

人工血管由于属于植入物，所以易产生免疫反应，或是不易与两端血管粘合等，易发生钙化，再狭窄，形成血栓等。

所以往往需要将人工血管进行纳米涂层修饰处理：

（1）碳涂层可以显著提高血管开通率。

均匀镶嵌于血管内壁的碳原子与血管壁有机的结合成一体，具有良好的生物相容性，与组织无反应。

碳涂层微弱的负电荷排斥血小板在管壁的沉积，有效减少血栓形成机会；碳涂层不利于平滑肌细胞生长和播散，减少间质增生，可以显著显著提高血管开通率。

（2）蛋白或明胶涂层由于一般合成人工血管的生物相容性尚未达到理想状态，所以可以在这些高分子材料表面接上一层生物材料，以进一步提高其生物相容性，这就是生物混合型人工血管。

一般所接的人工涂层包括以下几种：

白蛋白，可提高人工血管的抗凝性能；纤维连接蛋白，可促进内膜形成，进而抑制凝血的发生；胶原蛋白，能促进内膜形成，防止凝血发生，还能提高人工血管的顺应性；明胶，有促进细胞黏附和生长的功能，从而在植入后能诱导内膜形成，防止凝血。

纳米医用材料-人工血管纳米医用材料-人工血管支架一般为经过表面修饰的可降解材料，外层材料必须为保证内层材料细胞生长提供一定的支撑强度、抗拉强度和韧性。

纳米材料小球纳米材料小球抗抗体体支支架架涂层支涂层支架架支架还可以进行表面处理，形成载药体系，使得在使用过程中，减少免疫反应或栓塞的发生。

其他-纳米机器人像一颗胶囊，把它吞进肚里，消化道内的情景就可以像放电影一样在电脑屏幕上一目了然。

生物芯片是在很小几何尺度的表面积上，装配一种或集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样，即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性，以及它们之间的相互作用，获得生命微观活动的规律。

其他-生物芯片其他-生物芯片量子点色彩的多样性满足了对生物高分子（蛋白质、DNA）所蕴含海量信息进行分析的要求。

将聚合物和量子点结合形成聚合物微珠，微珠可以携带不同尺寸（颜色）的量子点，被照射后开始发光，经棱镜折射后传出，形成几种指定密度谱线（条形码），这种条形码在基因芯片和蛋白质芯片技术中有光明的应用前景。

纳米无创注射器纳米无创注射器纳米管阵列纳米管阵列其他-纳米注射器一种纳米探针，探测单个活细胞的纳米传感器,当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA的损伤。

直径50纳米，外面包银的光纤，尖部贴有可识别和结合BPT的单克隆抗体细胞浸入含有苯并吡（BaP）的液体中苯并吡（BaP）与细胞DNA的代谢生成BPT激发抗体和BPT生荧光光探测器接收探测早期DNA的损伤其他-微小探针技术密度梯度离心制备SiO2纳米微粒,并将其表面包覆分子层制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到其中密度梯度离心实现对体内早期肿瘤细胞的发现对所需要的细胞进行分离其他-纳米生物细胞分离技术其他-免疫磁珠检测分离技术二氧化钛（TiO2）纳米颗粒可能对环境有害。

二氧化钛纳米颗粒是一种使用范围广、数量大的涂层材料。

从机能毒性研究结果看，接触二氧化钛纳米微粒后，人体肺部将可能出现炎症；从环境毒性研究结果看，二氧化钛容易在饮用水中聚集，从而污染环境、影响健康。

银（Ag）纳米颗粒目前已被工业大量使用。

研究表明，即便它在环境中的聚集量很低，也会对水生无脊椎动物造成伤害。

碳纳米管（CNTs）是工业和实验所需的材料，注射了碳纳米管的老鼠会产生动脉粥状化、线粒体脱氧核糖核酸损伤等反应。

当摄入量较大时，对肌肉细胞也有毒性。

纳米材料对生物的影响展望纳米生物技术是目前国际生物技术领域的前沿和热点问题，在医药卫生和生物工程领域有着广泛的应用和明确的产业化前景。

21世纪前几十年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成为第5次推动社会经济各领域快速发展的主导技术。

美、日、德等先进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，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，一场新的国际纳米生物技术科技竞争已经开始。

认识和发展这一技术，将在未来经济竞争的格局中能占据有利地位。