纳米生物学.ppt

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1、纳米生物学Nanobiology and nanomedicine 纳米生物学的定义纳米生物学是指研究纳米尺度的分子结构和生命现象的学科。纳米生物学是物理学和生物学的交叉学科。纳米生物学有两层含义，一是应用纳米技术这一新工具、新技术来促进对生物系统的理解，另一个是如何在纳米水平上微观地、定量地研究生物问题。纳米生物学包括纳米医学、纳米生物技术和纳米生物材料等。纳米医学是利用分子器具和对人体分子的知识，进行诊断、治疗和预防疾病与创伤，减轻疼痛，促进和保持健康的科学和技术。纳米医学的主要技术基础自然是纳米技术。纳米生物技术的内涵nanobiologynanomedicineNanosensing&

2、Diagnosis纳米生物技术是国际生物技术领域的前沿和热点问题，在医药卫生领域有着广泛的应用和明确的产业化前景，特别是纳米药物载体、纳米生物传感器和成像技术以及微型智能化医疗器械等，将在疾病的诊断、治疗和卫生保健方面发挥重要作用。当前纳米生物技术研究领域主要集中在以下几个方向：纳米生物材料、纳米生物器件研究和纳米生物技术在临床诊疗中的应用。由身高1米的女孩开始，看看以10分之一的比例逐步缩小的世界。DNA的的双螺旋结构双螺旋结构发现脱氧核糖核酸（）的双螺旋结构中作出突出贡献的诺贝尔奖得主、英国科学家莫里斯威尔金斯(Maurice Wilkins)于04年10月日在伦敦的一家医院去世，享年岁。

3、年，威尔金斯与英国科学家弗兰西斯克里克、美国科学家詹姆斯沃森分享了诺贝尔生理学或医学奖。后两位科学家因为年首先在自然杂志上发表文章、提出的双螺旋结构模型而享誉世界，而威尔金斯在这项伟大发现中的贡献却逐渐被人们遗忘。年，当时在伦敦大学国王学院进行研究的威尔金斯利用刚刚发明的射线衍射技术清楚地观测到了的结构。著名科普作家马特里德利说：“是威尔金斯最先用射线得到的图像，是他让克里克和沃森认识了，是他的图像启发了这两位科学家，而他的谦虚让其他人和他分享了诺贝尔奖。”人类基因组计划(HGP)1990年，国际人类基因组织（HUGO）和美国国家卫生研究院（NIH）提出，又被称为“生命科学阿波罗登月计划”；内

4、容：计划投入30亿美元，计划以15年的时间，研究确定人类基因中约32亿个碱基对的DNA排列顺序，并希望寻找出人体10万个或更多的基因。日本、德国、英国、法国等发达国家也相继加入。1999年7月，中国加入HGP，并承担了1的测序任务，即人的第3号染色体短臂上3000万个碱基对，成为参加HGP中的唯一发展中国家。2000年6月26日，人类基因组草图绘制完成。2001年2月12日，由美、中、日、德、英、法等6个国家参加的人类基因组计划和美国瑟雷拉公司（Celera Genomics，CRG）联合公布了在“人类基因组草图”（95）的基础上经过整理、分类和排列的分析结果。“基因信息”的结果表明，人类的基

5、因组由31.647亿个碱基对组成，共有约3.3万个（人类基因组计划公布）3.9万个（瑟雷拉公司公布）基因，比低等动物果蝇仅多2万个（果蝇基因数为1.36万个），比线虫多1万个，远小于原先10万个基因的估计。意义：人类得到更加准确的基因总数目，揭开人类遗传的全部信息和疾病的根源，最终破译操纵着人类生、老、病、死的绝大多数遗传信息的人类基因组图谱，会对人类疾病的诊断、新药的研制和新医疗方法的探索带来一场史无前例的革命，对生命科学和生物技术的发展也将起到无可估量的推动作用。P145页。纳米医学技术主要包括纳米药物技术、纳米技术在临床诊疗中的应用及纳米技术在保健与康复医学中的应用等方面。临床诊断与监测

6、遗传病诊断 妇女怀孕8周左右，在血液中开始出现非常少量的胎儿细胞，用纳米微粒很容易将这些胎儿细胞分离出来进行诊断，如判断胎儿是否具有遗传缺陷等。光学相干层析术 纳米影像学诊断工具“光学相干层析术（OCT）”于1997年12月由清华大学研制成功,OCT 的分辨率可达1个微米级，较CT和核磁共振的精密度高出上千倍。它不会像X线、CT、核磁共振那样杀死活细胞，但它有办法把疾病控制在萌芽状态，而不必等到生命的尾声才被CT或核磁共振检查出癌组织病变。影像学诊断 静脉注射纳米氧化铁造影剂以后，氧化铁颗粒被血液带到身体各部位，只是在肝脏和脾脏被网状内皮细胞吸收。激光单原子分子探测术 具有超高灵敏性，可通过人

7、的唾液、血液、粪便以及呼出的气体，及时发现人体中哪怕只有亿万分之一的各种致病或带病游离分子。微小探针技术利用纳米级微小探针技术植入体内，根据不同的诊断和监测目的，可定位于体内的不同部位，并随血液在体内运行，随时将体内的各种生物信息反馈于体外记录装置。病理诊断 目前肿瘤诊断最可靠的手段是建立在组织细胞水平上的病理学方法，但在良恶性及细胞来源判断不准确的问题，利用原子力显微镜可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞形态特点，通过寻找特异性的异常纳米结构改变，以解决肿瘤诊断的难题。临床治疗治治疗疗新新法法纳米颗粒可将药物送到特定的目标，包括一般药物不容易抵达之处。举例来说，与肿瘤产生结合的金质纳米壳（圆球型），

8、经由红外光照射后加热变形，就释放出摧毁肿瘤的药物。磁性纳米粒子药物治疗癌症德国医生尝试借助磁性纳米微粒治疗癌症，并在动物实验中取得了较好疗效。将极其细小的氧化铁纳米颗粒注入患者的癌瘤里，然后将患者置于可变的磁场中，使患者癌瘤里的氧化铁纳米颗粒升温到4547摄氏度，这温度足以杀死癌细胞，而周围健康组织不会受到伤害，当然，认为采用这种治疗技术必须定位十分精确，应注意不要伤害健康组织。另外，将磁性纳米颗粒与药物结合，注入到人体内，在外磁场作用下，药物向病变部位集中，从而达到定向治疗的目的，将大大提高肿瘤的药物治疗效果。基因治疗 首先要找到病变细胞的DNA链，并进一步明确有病的DNA片段，然后利用纳米

9、技术，将用于治疗的DNA片段送到病变细胞内，替换有病的DNA片段。用于治疗的DNA插入细胞核内有病的DNA的准确位点，取决于纳米粒子的大小和结构。器官移植 在器官移植领域，只要在人工器官外面涂上纳米粒子，就可以预防人工器官移植的排异反应。20世纪器官移植和人工器官技术的发展，曾使得外科从修复外科时代（对病变器官与组织的切除）向替代外科时代（器官移植、人工器官）发展，并有专家预言，21世纪医学仍然是替代外科为主的时代。纳米机器人开发与治疗疾病 科学家已制造出纳米机器人，这种纳米机器人可遨游于人体微观世界，随时清除人体内的一切有害物质，激活细胞能量，使人保持健康，延长寿命，还可治疗疾病如动脉粥样硬

10、化、血栓和栓塞、肾结石、痛风等，并进行自身组织的构建和修复。纳米机器人-清洁牙齿Teeth cleaning robots collect harmful bacteria from the mouth.纳米机器人-清洁肺部有害物质纳米机器人-减肥Extra fat can be removed from the arteries with cleaning robots.人造白血球人造白血球是另一种纳米机器人，不过它的形体较大，直径超过一千纳米。拥有这样的庞大身躯，它才能毫不费力地吞噬病原体（细菌或病毒）。美国国家实验室的研究员Micheal Wisz便做了一个纳米锥型装置纳米锥型装置，发挥

11、芯片实验室的功能，它可以在血流中进行巡航探测，当遇到病毒或是细菌类型的外来侵入者，例如艾滋病细胞，便予以歼灭。纳米机器人-人造白血球在中医药领域的应用 应用现代纳米技术，对中医药进行研究，将涉及中医临床、中药、中药制剂、中药化学等多学科领域，从而可能形成独具特色的“纳米中医药学”，如由于纳米技术对物质超微粒化的作用，纳米级粒子将使中药在体内的传输更方便，可提高中药在体内的生物利用度，增强中药的临床疗效。又如纳米技术在中药加工方面的应用，能在保持中药原药成分的基础上，使药物有效成分充分析出，形成特色的纳米中药材料。纳米药品一般地，当颗粒小于某一尺度时，较小颗粒的溶解度大于大于较大颗粒的溶解度，因

12、此控制药物颗粒的大小就可以控制颗粒的溶解速率。研究表明：颗粒纳米化后，其生物活性和吸收率均有显著提高，纳粒药物或纳囊将是这类口服药物今后发展的方向。理想的纳米微粒具有的性质（1）具有较高的载药量，如载药量30；（2）具有较高的包封率，如包封率80；（3）有适宜的制备及提纯方法；（4）载体材料可生物降解，毒性较低或没有毒性；（5）具有适当的粒径与粒形；（6）具有较长的体内循环时间；纳米药物包括：免疫纳米微粒、磁性纳米微粒、磷脂纳米微粒以及光敏纳米微粒等。纳米抗菌药物 有关广谱速效纳米颗粒的应用，安信纳米生物科技（深圳）有限公司以“广谱速效纳米抗菌颗粒”为基础原料开发的第一代纳米产品如创伤贴、溃疡

13、贴和烧烫伤敷料等，经多家权威单位的检测和验证，证明“广谱速效纳米抗菌颗粒”具有高效、广谱杀菌、无毒、无刺激、无过敏、无耐药性以及剂量小、遇水杀菌力更强等特点，是理想的安全抗菌、杀菌及抗感染产品。纳米抗生素的研究在进行中，认为纯天然的基础材料在纳米技术的改造下，可发挥明显的杀菌效果，它能使菌体变性沉淀而不会使细菌产生耐药性，因此专家预测，纳米医药产品有可能会成为某些抗生素的替代产品。治疗糖尿病药 自动调控、适时准确地释放药物以治疗疾病，是纳米医学中的一个很活跃的领域，如科学家正在为糖尿病人研制超小型的模仿健康人体内的葡萄糖水平监控系统，它能够被植入皮下，监测血糖水平，在必要的时候释放出胰岛素，使

14、病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。医学检验 使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。医学保健 纳米抗菌颗粒还可以广泛用于环境保护、纺织服饰、水果保鲜、食品卫生等领域。纳米生物技术的成果也会为制造人造器官和人造皮肤提供便利。如今科学家们已经能够利用烧伤患者未被破坏部分的皮肤细胞制成被烧伤部位的人造皮肤，并使其具有正常的代谢作用。Improving brainsA nanostructured data storage device measuring a volume about the size of a single human l

15、iver cell can store an amount of information equivalent to the entire library.应用实例更更 好好 的的 移移 植植 材材 料料将人造移植材料表面作纳米尺度的修正，可增进其耐用度及生物兼容性。譬如说，表面覆盖一层纳米粒子的人工髋关节，可能与周围的骨头产生比一般更紧密的结合，而防止松脱。能探能探测病毒的病毒的纳米器件米器件康奈尔大学的康奈尔大学的Harold Craighead Harold Craighead 和他的同事利用纳米电机装和他的同事利用纳米电机装置置(nanoelectromechanicalnanoele

16、ctromechanical device)device)探测到了一种昆虫的杆状探测到了一种昆虫的杆状病毒，同时哈佛大学的病毒，同时哈佛大学的Charles Charles LieberLieber 和他的合作者们利用和他的合作者们利用纳米线场效应管纳米线场效应管(nanowirenanowire field-effect transistor)field-effect transistor)来探测来探测单个的流感病毒。这种新方法可以用到医学方面或是用来探测单个的流感病毒。这种新方法可以用到医学方面或是用来探测生物武器。生物武器。靶向给药生物芯片生物芯片概念生物芯片的种类型什么是生物芯片？类比

17、分析：晶体管集成电路计算机芯片生物芯片计算机芯片计算机芯片电子信息生物芯片生物分子携带的信息生物芯片概念生物芯片是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它主要是指通过微加工技术和微电子技术在固体基片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA 以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。芯片上集成的成千上万的密集排列的分子微阵列，能够在短时间内分析大量的生物分子，使人们快速准确地获取样品中的生物信息，效率是传统检测手段的成百上千倍。生物芯片的发展历史很短随着基因组计划而发展起来的基因测序很长基础是生物传感器的发展分子识别

18、研究意义生物芯片将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命；集成电路对改善我们的生活产生了巨大的影响，生物芯片将对保护我们的生命起重要的作用。研究意义YearDNA ChipLab ChipProtein ChipTotal1999$158$14$4$1762001$249$35$8$2922005$745$157$68$950美国的电子商务（Electronic Business）对近年来和未来生物芯片的市场做了统计和预测，如下表（单位为百万美元）生物芯片的分类生物芯片点阵型芯片实验室芯片DNA芯片蛋白芯片细胞芯片反应器芯片流体芯片纯化芯片按应用对象分类生物芯片的分类按制作方法分类生物芯片点阵型芯片实验室芯片MEMSPCB模铸模压法点样法原位合成法分子印章法应用实例人造红血球人造红血球的功能是携带氧气，不过其携氧量是天然红血球的数百倍。它配备有纳米计算机与多种传感器，即使进入病患体内，仍然能够接受体外的声波讯号控制，执行许多复杂的任务，包括在最短时间内游向指定目标。