2022年生物纳米材料研究报告进展与应用前景 .pdf

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1、个人资料整理仅限学习使用功能材料 B课程名称： 生物纳 M材料的研究进程与应用前景姓名： 杨红梅学号： 2018013 班级：材料 1004班精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 10 页个人资料整理仅限学习使用生物纳 M材料的研究进程与应用前景摘要： 21 世纪，随着纳M 技术的逐渐成熟，越来越多的纳M 材料也渐渐出现在人们的生活中。纳M 技术结合生物技术研发生物纳M 材料，目前已涉及到多种不同的领域，并得到较大发展，如：医用领域、仿生领域等。对于这样一种带有生物与纳 M 特征的材料的研究，还具有更大的应用空间。本文就生物纳

2、M 材料近年的研究、开发及应用做了一定的阐述，同时结合时代的发展探讨了生物纳M材料的应用前景。Abstract:In twenty-first Century,with the development of nanotechnology maturing gradually, more and more nanometer materials has gradually appeared in peoples life. Nanotechnology that combined biological technology researched the bios-nanometer materi

3、als, which has been involved in many different fieldsand have achieved great development, such as medical field ,bionic fieldand so on.For the research of material with characteristicof biology andnanometer,it has much wider applications. The article expounds the research, development and applicatio

4、n of bios-nanometer materials that arose in recent years, and probes into the application prospect of bios-nanometer materialswith the development of the times.关键词： 生物纳 M 材料、研究进展、应用前景Key words:bios-nanometer materials 。research progress 。application prospect 前言：随着人们对生命领域的认识不断加深，可以发现很多生物现象其实都发生在纳 M 水

5、平，很多分子生物系统本身就是一些相对完美的纳M 机器。在自然界，天然生物纳M 材料其实早就存在，自然界的蛋白质就有许多纳M 微孔，人类及兽类的牙齿也是由纳M 级有机物质所构成，其中核酸与蛋白质是执行生命功能的重要纳 M 成分，这些成分相互作用编制了一个复杂而完美的生物世界。对于现在这样一个生物工程发展的时代，生物纳M 技术的发展已经迫在眉睫。模仿生物系统的能力来转化和传输能量、合成专用有机化学品、生物生物质、储存信息、识别、感觉、信号发送、运动、自组装和复制代表着未来的巨大挑战，将纳M 技术和生物技术相结合的生物纳M 技术不仅对探索生命本质具有重大科学意义，而且在很多领域具有重要的应用价值。1

6、这就需要人们对生物纳M 技术不断研究与开发，提高对生物纳M 材料的认识，让其在人们生活中发挥更大的作用。正文：一、生物纳 M 材料概述1.1生物纳 M 材料的起源生物纳 M 材料很大程度是受到生物矿化的启发。生物矿化，从理论上来说是指在生物体内形成矿物质的过程。它通过有机大分子和无机物离子在界面处的相互精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 10 页个人资料整理仅限学习使用作用，从分子水平控制无机物的析出，从而使生物矿化具有特殊的多级结构和组装方式。在此之中，由细胞分泌的自组装的有机物对无机物的形成起模板作用，使无机矿物具有一定

7、的形状、尺寸、取向和结构。1正是因为生物矿化的这些特性，才成为了人类研究生物纳M 材料的有效手段。1.2生物纳 M 材料的定义生物纳M 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M 材料，是具有纳M 量级的超微粒构成的固体物质，它具有稳定的物理化学性质，较高的物理强度，较好扩散和渗透能力、吸附能力和化学活性，以及良好生物降解性等特点。21.3生物纳 M 材料的分类生物纳 M 材料有很多种，对此可进行不同的分类。过去人们按材料组成的不同可分为高分子纳M 生物材料、无机纳M 生物材料、金属纳M 生物材料和纳 M生物复合材料。若按用途来分，可分为两类：

8、一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳 M 材料，它们可能不再被用于生物体、而被用于其他纳M 技术或微制造；一类则是适合于生物体内应用的纳M 材料，它本身既可以具有生物活性，也可以不具有生物活性，而仅仅易于被生物体接受，且不引起不良反应，对于这类纳 M 材料主要有高分子纳M 微粒、无机纳M 微粒及具有特异识别、定向诱导功能的组织工程纳 M 结构生物材料等等。1而在现在的21 世纪，人们已重新从功能上对生物纳M 材料进行了分类，其中有组织工程与再生医学材料、高性能生物诊断纳M 材料、生物相容性界面材料，以及智能纳M 药物基因传递材料，这些对于21世纪来说将会是核心材料。31.4生物纳 M 技术国

9、内外现状近年来，材料科学与生物学之间的交叉领域已成为新的研究前沿。目前，生物纳 M 技术是国际生物技术领域的最前沿的研发热点，并且有美国、日本、德国等发达国家已将生物纳M 技术列入其国家重点发展领域。尤其在生物医用领域，生物纳 M 技术迅速发展，国际上的生物纳M 技术以研究疾病的早期诊断和提高疗效为目标，主要涉及生物纳M 材料、药物和转基因纳M 载体、纳 M 生物相容性人工器官、生物纳M 传感器和成像技术、利用扫描探针显微镜分析蛋白质和DNA 的结构和功能等重要领域。对于这些技术的发展，不仅得到科研机构的支持，政府也从战略上高度重视，并投入大量资金，关注着生物纳M 技术的发展。目前，美国在纳M

10、 结构组装体系、高比表面积纳M 颗粒制备与合成，以及纳 M 生物学方面处于领先地位。他们将生物医药列为突破重点，如疾病早期检测和治疗、纳 M 药物运输、纳M 仿生、人机通讯中的纳M 技术等。此外，他们还用碳纳 M 管做成人工耳蜗式的听诊器、应用于组织工程的多肽分子自发组装形成的三维网状纳 M 纤维、单 DNA 分子马达、羟基磷石灰人工骨表面合成肽等。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 10 页个人资料整理仅限学习使用事实上，日本世界上比较早就制定纳M 科技计划的国家，是利用纳M 技术发展微型机电系统的最大投资国，他们所实施的

11、“ 纳 M 科技综合支援计划 ” ，就希望通过最大限度地发挥各科研机关的潜在能力，促进纳M 技术的研究发展，在医学领域得到更大的发展。对于中国在生物纳M 技术这块的研究，在时间上可以说几乎是与国外同步的。在 1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”两个字，这两个字还出现在了学生的课本上。它的成功标志着中国开始在在国际纳 M 科技领域的一大进步。近几年，中国在生物纳M 技术方面发展的重点内容为：用于治疗恶性肿瘤的纳M 靶向药物载体、医用生物纳M 材料、纳 M 肥料和农药等。4各国不管做着什么样的生物纳M 研究，总之都是为了人类未来幸福生活而做着不懈的努力，由此可见

12、对于生物纳M 材料进行研究的重要性。二、生物纳 M 材料的研究进展2.1生物纳 M 材料在医用领域的研究近年来，经过人们不懈的努力，终于在生物纳M 材料研究方面取得了一定的进展，在各个领域都得到了重视，尤其在医用领域，生物纳M 材料对医学的影响具有深远的意义。 2.1.1纳 M 载体 1）纳 M 药物载体在医学上，医生们不免会用到纳M 载体来运输药物，这给患者带来了很多的福音。它可以解决口服易水解药物给药途径中存在的问题，是原本只能注射的药物可以直接口服而不破坏疗效，大大简化用药途径，而且，它还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，并可解决需长期乃至终生用药治

13、疗的高血压、冠心病等的用药问题，同时减少药物不良反应。纳 M 粒作为药物载体主要有以下一些优点：载药纳M 粒作为异物可被巨噬细胞吞噬，到达网状内皮系统分布集中的肝、脾、肺、骨髓、淋巴等靶部位，以及连接有配基、抗体、酶底物所在的靶部位。到达靶部位的载药纳M 粒，可对载体材料的种类或配进行调整，控制释药速度。由于纳M 组装体的小尺寸易于跨越各层次的生物屏障，高表面积易于通过各种物理、化学和组装的方式制备生物缔合的纳 M 微粒，提高了药物口服吸收的生物利用度，实现了细胞和亚细胞层次的给药和治疗。防止药物在胃呈酸性条件下水解，并能大大降低药物与胃蛋白酶等消化酶接触的机会，从而提高药物在胃肠道中的稳定性

14、。改变膜运转机制，增加药物对生物膜的透过性，有利于药物透皮吸收与细胞内药效发挥。载体分子对环境敏感因素的引入则可以为实现人为或生物环境控释的材料提供可能。5精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 10 页个人资料整理仅限学习使用对于近年出现的纳M 智能药物载体，它用数层纳M 粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。这对于纳M 药物载体来说又是一大进步，使其在癌症治疗、疫苗辅剂、细胞内靶向给药、口服用药、眼科用药等方面具有更大的应用价值。（2）纳 M 基因载体目前，世界上的多数人群都患有基因遗传病，对于他

15、们来说，遗传病能得到有效治疗是理想的。而此时在医学上的基因疗法对遗传病、肿瘤等多种疾病的治疗作用已取得很大进展。其中，基因载体成了关键因素。理想的基因载体应具有高效、稳定、无毒、靶向性好、容易控制等特点。基因导入载体分为病毒型和非病毒型两种，其中纳M 基因载体则属于非病毒型基因导入载体的一类，它无具有免疫原性、低毒、装在容量大、且制备容易等特点。曾经中南大学医学遗传学国家重点实验室薛志刚等研究设计和使用了一定浓度的硅纳M 颗粒，并通过用NaI、NCl 修饰后与绿色荧光蛋白基因GFP）质粒 DNA 复合，在保持DNA 完整的情况下，制成 DNA 硅纳 M 颗粒复合体转染细胞，复合体吸附在细胞膜上

16、并进入细胞内，从而增加了进入细胞内DNA 的量，提高了基因转染的效率转染率达50%），同时转染的GFP 基因能有效地表达。近年来用纳M 颗粒作为反义寡核苷酸载体的研究也相当多。反义寡核苷酸与纳M 颗粒结合后，可以不受酶的破坏，增加对细胞的通透性，并明显改变体内的分布特征，是在肝脏和肺的分布增加。6在基因载体发展的近几年，高分子聚合物与DNA 形成的纳 M 基因导入载体系统，由于具有安全、低毒、制备容易等优点而引起越来越多的关注，同时在改善其低转导效率和体内稳定性等问题方面也取得了重大进展。在以后的未来，相信人们对非病毒型纳M 载体的认识和研究会更加深入，结合病毒型载体，研发出更优异的基因载体。

17、2.1.2纳 M 生物器件 1）纳 M 生物传感器目前，对于疾病的检测大都采用纳M 生物传感器，它是一种探测单个活细胞的传感器，探头尺寸仅为纳M 量级，当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期 DNA 损伤。在这个传感器上装配所要探测的特制DNA 序列，在此， DNA 链是可以导电的，杂交的DNA 所引起的删除或变化，均起阻碍电流的作用，通过测量电导的变化可以识别DNA 的异常状态。除此之外，纳M 生物传感器还可以探测基因表达和靶细胞的蛋白质生成用于筛选微量药物，以确定哪种药物能够最有效地阻止细胞内致病蛋白的活动。对于生物传感器来说，就是使待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别发生生物

18、学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 10 页个人资料整理仅限学习使用量和可处理的电信号，在经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。在生物传感器飞速发展的时代，各种各样的传感器也相应的出现，包括通过细胞色素c和荧光标记的细胞色素c的荧光检测来检验氮氧化合物的纳M 生物传感器，还有以酶为基础的用到谷氨酸的纳M 生物传感器，当谷氨酸结合在脱氢酶上，DNA还原为 NADH ，而 NADH 的荧光可以被测量。这样的生物传感器为神经生物学研究提供了一种有力的工具，因为谷氨酰胺是中

19、枢神经系统的一种重要的神经递质，通过检测单个细胞产生谷氨酰胺的浓度就有可能使人们更好地理解人体内感觉传递的机制。相对来说，纳M 传感器比用荧光染料预处理再检测的常规方法在测定亚细胞水平的化学物质方面更加可靠，而且在细胞中利用纳M 传感器不需任何细胞用指示染料便可以测定任意特定区域。它的发展在传统检测技术中有着不可比拟的优越性。7 2）纳 M 生物计算机计算机在人们生活中必不可少，具有重要的地位，将计算机与纳M 生物结合起来，人们研究出了纳M 生物计算机，目前已是纳M 生物学的一个重要的研究领域，它的主要目标就是要寻找或创造一些特定的生物分子，并期待这些生物分子能够更加快速地完成计算机的基本运算

20、和存储功能，以代替目前的半导体计算中央处理器 CPU）和存储器。目前，大多数纳M 生物计算机都是以蛋白质分子为材料，不仅体积小、质量轻、能耗小，环境适应性强，而且运算速度和信息储存能力比现有的计算机要高出数亿倍，同时还具有和人脑一样非常优越的分析、判断、联想、记忆等智能。很多国家都已经纳M 生物计算机的研究有了很大的进展，而且很多科学家也在利用遗传物质DNA 研制具有全新概念的DNA 生物计算机，这都是人们未来大力发展的领域，成为人工智能的重大突破。22.1.3纳 M 中药中国人传统的治病，就是寻求中医，常常会用到中药，而随着纳M 技术的发展，也渐渐出现了纳M 中药，同传统中药相比，它具有以下

21、一些特点：生物利用度将提高；靶向性增强；具有缓释功能；不仅可以增强原有的功效，还可以增加新的功效；提升了传统给药途径；提高了与人体蛋白的相互作用性；对于纳M 中药的研究，还有很多问题需要去解决，应致力于纳M 药物基础理论及纳 M 中药制备技术的研究，不断发现其新的功能和药效，为人类的治病之路多出一条通道。92.2生物纳 M 仿生智能材料近年来，随着智能材料体系的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽，仿生技术与纳M 技术渐渐紧密结合。生物纳M 仿生智能材料的出现，将认识自然、模仿自然、超越自然有机结合，将结构及功能的协同互补有机结合，对于它的研究主要集中精选学习资料 - - - - - - - - - 名

22、师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 10 页个人资料整理仅限学习使用在力学形变、微结构与功能方面，阐明了生物纳M 材料的生化过程、力学形变与运动规律有助于生物仿生材料的设计与制造。7对于这方面的研究早已有了很大的进展。在 2004年 6 月，研究人员就用硅材料模仿奥秘亚棕蝇的耳膜，制造出了适用于超声波频段的耳膜原型，并研发了一种能辨别方向的新型助听器，它大大改善了助听器的使用效果。这里介绍几种生物纳M 仿生材料研究出的结果：1、壁虎：研究人员发现壁虎的脚具有特殊的粘附力，是因为壁虎的脚底有大量的细毛与物体表面分子之间产生的“ 范德华力 ” 累积而成的，而且它的脚还具有抗灰尘能

23、力的自清洁性。研究人员发现，模仿它们的微观结构，就有可能研制出黏合力超强的新型胶纸，具有异域被揭下、不对物体表面造成损伤、可反复使用等优点。最近，研究小组还利用模板覆盖法制备了阵列聚苯乙烯PS）纳 M 管膜，水滴在这种膜表面具有很大的黏附力，即使倒置或翻转表面水滴也不会滚落。2、荷叶效应：荷叶表面的自清洁特征是由粗图1）壁虎的脚糙表面上微 M 结构的乳突以及表面疏水的蜡状物的存在共同引起的。研究人员根据荷叶的这种特性制备了具有类荷叶结构及单纯具有纳M 结构的阵列碳纳 M 管图 2 ） 水 滴 滚 落 时 带 走 污 染 物图 3 ） 碳 纳 M 薄 膜ACNT）薄膜，同时也有研究人员利用类似的

24、方法复制荷叶表面得到了具有超疏水性的聚二甲基硅氧烷 PDMS）表面，这对人类研究仿生材料有了更大的进展。对于生物纳 M 仿生材料，不仅仅只有这些，还有更多模仿生物特异性能而做出来的材料，实现了微观与宏观的统一，这对人类研究自然具有重大的意义。10三、生物纳 M 材料的应用前景随着生物纳M 材料在人们生活中逐渐出现，生物纳M 技术也出现了新一波精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 10 页个人资料整理仅限学习使用的浪潮，美国、日本、中国等国家也相应在国家实验室、大学和公司设立了大量的纳 M 技术研究机构，虽然生物纳M 技术的发展

25、仍然集中在基础研究方面，但显示出了其巨大的产业化潜力，具有相当大的市场潜力。人们还可以从事更多生物纳 M 材料的研究，在单分子器件和纳M 线路、功能化基因筛选及分析等方面取得更新的进展。在生物医学方面，虽然现在社会的医疗条件有所提高，但还有很多病症人类无法解决，虽然有了生物纳M 材料的加入，但在人体内，它始终是异物，在体内必定会产生某种应答或出现排异现象。对于这方面的研究，人们要想取得成功，至少要使发生的反应被人体所接受，不产生有害作用，并对人类的疾病起到治疗的作用，这就需要人们对所研究的生物纳M 材料进行一定的安全评估。此外，对于如何利用DNA 来构建分子线路和分子器件以及找出快速、准确地对

26、长片段DNA 上的突变进行检测的手段、如何获得很好的生物相容性来说仍是一个大的挑战。在充分安全、有效进入临床应用前，如何得到更可靠的纳M 载体，更准确的靶向物质，更有效的治疗药物，更灵敏、操作更方便的传感器，以及体内载体作用机制的动态测试与分析方法等一系列问题仍有待于进一步得到解决。生物纳M技术的迅猛发展，与人类生活和健康息息相关，使人们对生物纳M 材料的安全性进行评价的深入研究已经成为了当务之急。在仿生材料方面， 2006 年 2 月，我国就公布了国家中长期科学与技术发展规划纲要，其中 “ 智能材料与结构技术 ” 就被列为了新材料技术中的芍药发展方向，可见，仿生材料在人类发展过程中的重要性，

27、尤其是生物纳M 仿生智能材料的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业以及改造传统产业等方面产生深远影响。结合大自然的力量，充分利用自然生物的特征，结合 “ 二元协同纳 M 界面材料 ” ，创造出更多的对人类有利的材料，如自愈、生物活性剂、腐蚀抑制等材料，尽管目前已有了许多仿生材料，但相信经过研究者对微阵列的精心设计，努力研究，扩大研究范围，终会研究出更多新型的生物纳 M 仿生智能材料，给人类创造出一个丰富多彩的功能材料世界。11结语:生物纳 M 技术的快速发展，印证了一个国家科学与技术的发展，印证了人类对完美的追求。人们都陶醉在生物纳M 材料的许多新奇功能以及它将给人

28、类带来美好的这样一种状态中，但科技工作者的特殊职业敏感性促使他们冷静思考材料对人类健康潜在的影响，面对一个一个来临的挑战，研究者们也始终没有放弃，他们还在继续努力着。他们知道纳M 技术的最终目的还在于生物本身，用纳M 技术制造功能性生物材料。生物纳M 材料作为一种新型的生物材料，作为人体内植入物在组织工程中的广泛应用，将能够很好的解决很多材料的弊端，在各个领域，它能很好的发挥其应有的作用。在21 世纪的未来，研究开发新产品的驱动精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 10 页个人资料整理仅限学习使用力也日益增强，对生物医学的创新

29、正越来越集中在纳M 技术与传统技术的整合方面，我们有理由相信伴随着高分子材料、生物技术、信息技术、纳M 技术、组织工程技术的发展，必将加速推动纳M 生物材料的基础研究和生物医学领域应用研究工作，使生物纳M 材料的发展进入到一个崭新的阶段，甚至在不远的将来，纳M 装置将很可能改变我们的生活，使人类的未来更加光明。参考文献 : 1姜忠义，成国祥 .纳M生物技术 M. 化学工业出版社， 2003.1：4-5、17 2张阳德 .纳M生物材料学 M. 化学工业出版社， 2005.4:13、218-219 3熊玲，奚廷斐，蒋学华等.纳M特性引发的生物效应及其纳M生物材料安全性评价J.中国临床康复， 200

30、6.10:132-135 4俞耀庭，王连永，王深琪.生物医学材料发展状况与对策.2002高技术发展报告 中国科学院） .北京科学出版社5张阳德，潘爱华，潘一峰.纳M生物医学工程进展 J.中国现代医学杂志， 2001.11 6张小伟等 .纳M生物技术基因治疗载体的研究进展J.生物医学院杂志， 2005.12:610-661 7崔大祥，高华建 .生物纳 M材料的进展与前景 J.中国科学院 .2002.12 8王身国，蔡晴，吕泽等组织工程中药物控制释放技术的应用研究M. 中国修复重建外科杂志， 2001.5 9徐辉碧，杨祥良，谢长生等.纳M技术在中药研究中的应用 J.中国药科大学学报，2001.3:161-165 10江雷，冯琳 .仿生智能纳 M界面材料 M. 化学工业出版社 2007.1:51-74 11马小艺，陈海斌 .纳M材料在生物医学领域的应用于前景J.杭州迪安医学检验中心.2006.11第3卷第32期12曹新，赵振华，纳 M科技时代 -奇迹、财富与未来 .北京经济科学出版社， 2001. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 10 页个人资料整理仅限学习使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 10 页