南开大学生物医用材料-纳米生物医学材料2

纳米生物医学材料

纳米材料

•纳米材料: 在纳米量级(1~100nm)内调控物质结构制成的具有特异性能的新材料

•: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大

•: 小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应•纳米材料特性取决于指由尺寸小于100nm 的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维材料或以它们作为基本单元构成的三维材料的总称

生物体与纳米结构

牙齿、骨骼等生物体中最坚硬的部分，其主要组成为各

种无机矿物质，如碳酸钙、二氧化硅、羟基磷灰石等。

这种常见的化合物，在我们的建筑上随处可见，其本身

的强度和硬度是有限的，原不足以抵抗外界很大压力。

然而，生物体却创造性的使用了有机、无机杂化的方

法，并通过微观尺度上的组装，增强了其机械性能，使

得这种矿物质能够满足生物体保护自身的作用。

骨结构示意图

软体动物贝壳，尤其是珍珠质部分，主要为碳酸钙的最稳定晶型（方解石或文石）的纳米级有序堆叠结构。这种结构与建筑上常用的砖泥结构类似，以碳酸钙晶体单元为砖，以有机体如蛋白质

等为泥，使用层层堆砌的方式构筑。研究发现，

其所以比普通碳酸钙矿物有着更高的强度和硬度，更好地分散外界压力，保护和支撑生物体均

与其纳米结构密切相关。

生物体的纳米级有序结构不仅有利于提升机械性能，在光学性能的提高上也显示了强大的攻效。一种被称为结构色的生物体显色方式被发现是纳米层次上的有序和无序结构相

互作用的结果。

生物体还用特殊组装形式来完成对外界光线的感应，如复眼结构——由表面具有无数纳米结构整齐排列的微米级小眼构成，具有优异的超疏水性，很好的防雾能力；

由于生物系统的复杂性，搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期，而且解决实际问题需要多学科长时间地密切协作，这是限制仿生学发展速度的主要原因。

甲壳虫能将糖及蛋白质转化为质轻而强度很高的坚硬外壳？

蜘蛛吐出的水溶性蛋白质在常温常压下竟变成不溶的丝，而丝的强度比防弹背心还要坚韧？

长颈鹿

萤火虫

乌龟

蝴蝶

甲虫

蝙蝠冷光二元化武器雷达宇航员的失重现象薄壳建筑物迷彩服仿生——模仿生物的某些结构和功能来发明创造各种仪器设备，这就是仿生。

纳米技术制造仿生生物材料

——纳米生物材料

将有可能满足临床对高性能组织修

复、器官替换的迫切需求，提高疾病的现有诊疗方法的效率，开创新的诊疗途径，

在人类康复工程中发挥重要作用。

预期在未来30年内，与医学和健康领域相关的纳米技术的研究将影响产值达4800亿美元的生物医药制造业。纳米生物医学材料的研究既能满足现实的迫切需求，又有着广阔的应用前景和巨大的社会效益。

纳米生物材料科学研究内容

研究生物物质的纳米结构与功

能，并以某种生物微观结构的特点进行材料设计与制造的学科

无机纳米

生物材料有机纳米

生物材料

复合纳米

生物材料纳米金：快速免疫诊断细胞染色DNA 检测药物载体

纳米银：抗菌材料

金属纳米颗粒材料磁性纳米材料磁性铁氧化体——Fe 3O 4超顺磁性——物理导向性

用于细胞分离、探针检测靶分

子及病原体、靶向药物载体

纳米膜材料

生物传感器、微孔过滤器、晶体样细菌表层两亲高分子形成类脂质体、树枝状聚合物，用作基因或药物载体常用作组织工程材料

纳米生物医学材料研究热点

•纳米生物传感器

•纳米器官（骨）

•纳米技术与疾病诊治

生物传感器的结构识别器换能器信号数据处理

固定或靠近固体载体且对被测物质（底物）具有高度选择性的生物分子膜

识别分子膜上进行的生化反

应并转变成光电信号

将电信号放大、处理、显

示或记录下来SAMs （自组装单分子膜）:制备识别器的重要方法

纳米技术和生物传感技术的结合

•表面效应、微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应；

•灵敏度大幅提高；

•缩短检测时间；

•实时分析。

按照纳米材料结构

1.纳米粒子；

2.纳米线；

3.纳米微管和多孔纳米结构；

4.光纤纳米生物传感器；

5.纳米级微加工

纳米颗粒在生物传感器中的应用

将功能性纳米颗粒（电学性、光学性和磁性）固定在生物大分子（多肽、蛋白和核酸）上，可制成用于生物信号检测、信号转换和放大的传感器，其可分为声波、光学、磁性和电化学传感器等

将功能性纳米颗粒（电学性、光学性和磁性）

固定在生物大分子（多肽、蛋白和核酸）上

•声波生物传感器

纳米胶体修饰检测分子引起石英晶体微天平的频率改变的检测原理示意图

光共振

固定纳米金属颗粒引起反射光的共振加强

荧光标记定位肿瘤

金纳米颗粒用于通用的荧光湮灭物的示意图

Maxwell D., Taylor M .J.,Nie.S.,J.Am.Chem.Soc.,2002,124:9606-9612

磁性生物传感器

•磁性材料标记生物分子，结合分子识别，可以实现混合样

品的分离、检测等复杂操作。

1、磁性材料标记分子，在磁场梯度下实现样品的分离检

测；

2、用磁性材料标记肿瘤识别因子，可在体外测定磁性纳

米颗粒的体内分布和位置，从而给肿瘤定位。

3、利用纳米颗粒的超顺磁性，把固定抗体的磁性颗粒悬

浮在溶液中，然后在瞬时磁场脉冲下，磁化纳米颗粒产生，当磁场消失时，颗粒趋向自由分布，因为没有结合抗体的颗粒呈布朗运动，所以没有检测信号，而结合靶分子的纳米颗粒按照Neel松弛方式运动，产生一个缓慢衰减的磁信号。