纳米材料在生物医药领域的应用

纳米尺度调整杀死变异的癌 变细胞，通过外部激光器指 引，精确计算找到出辐射超 标的癌变细胞，利用先进的 生物细胞溶解技术讲可能病 变的细胞溶解成化学分子元 素，并通过特定传感器系统 精确的核查后，将细胞组分 成功进入健康细胞中，完成 坏死细胞与成功健康细胞的 转换。由于纳米机器人可以 小到在人的血管中自由的游 动，对于像脑血栓、动脉硬 化等病灶，它们可以非常容 易的予以清理，而不用再进 行危险的开颅、开胸手术。
操作的“功能分子器 件”。纳米生物学的近 期设想，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
机器人学国家重点实验室微 纳米课题组与中国人民解放 军307医院开展合作，利用纳 米机器人技术对淋巴瘤细胞 开展了体外探测研究，期望 通过对肿瘤细胞表面抗原密 度的表征和抗体-抗原分子作 用力的检测，揭示抗CD20单 抗产生耐药性差异的分子机 理，并通过与实际临床疗效 的对比与建模，实现临床治 疗中患者耐药性的前期预测。
胞和肿瘤细胞。
新型纳米载药系统应用于恶性肿瘤治疗
• 实现恶性肿瘤安全 有效治疗是目前生 物医学界的重大挑 战之一。
• 化疗药物在杀伤肿 瘤细胞的同时，也 将正常细胞一同杀 灭，纳米药物载体 可以增强药物的抗 肿瘤效果，并且降 低药物引起的毒副 作用
• 中国科学院理化技术研究所唐芳琼研究员利 用纳米金壳偶联转铁蛋白分子携带药物靶向 至肿瘤，光热疗与化疗结合杀死肿瘤细胞。
• 利用小分子构建的纳米机械和我们日常生活所 见的机械有很大不同。在纳米级别，机械力学 已经不再适用，取而代之的是量子力学。
• 尽管 Montemagno自信可以在两年内向人们展 示分子马达的用途，他也不得不承认还有许多 工程问题尚待解决。目前，这种分子马达的组 装成功率是1%～4%。
纳米机器人
根据分子水平的生物学 原理为设计原型，设计 制造可对纳米空间进行
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纳米技术在神经科学的应用
美国每日科学网站日前报道说， 加利福尼亚南部大学工程学研究 人员采用交叉学科研究方法，将 电路设计与纳米技术结合在一起， 以解决具备大脑机能这一复杂问 题。
帕克强调，真正开发出人造大脑 甚至只是大脑的某个功能区域还 需要几十年时间。她说，研究小 组面临的下一道障碍是在电路中 复制出大脑的可塑性
• 加州大学洛杉矶分校的研究人员利用纳米技 术，首次成功地将载有药物的纳米小碟封装 入重组穹窿体纳米粒子，开发出一种全新有 效的纳米囊靶向药物传输系统。
阳离子聚合物聚乙烯亚胺（PEI）修饰 的氧化石墨烯转染具有靶向肿瘤抗凋
亡蛋白Bcl-2的siRNA进入细胞后，能显 著的抑制Bcl-2蛋白的表达。序贯递送 siRNA和阿霉素表现出显著的协同增强
抗肿瘤效果（张智军课题组）
碳纳米管/石墨烯的功能化改性在生物医药领域的 应用
包括亲水性、亲油性碳纳米管/石墨烯的制备 和磁、pH、温度响应性碳纳米管/石墨烯的制 备。通过这些功能化改性反应，可以显著改 善碳纳米管/石墨烯材料在水或有机溶剂中的 分散性和与其他材料的相容性，同时也可以 赋予碳纳米管新的特性（磁、pH和温度响应 性等），扩大了碳纳米管/石墨烯的应用范围。
研究人员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56 摄氏度，这温度足以烧 毁癌瘤细胞，而周围健
康组织不会受到伤害。 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，这就是 对付癌症的纳米生物导 弹。
纳米技术在生物医药领域的应用
S201209048 郑广伟
纳米粒子一生物分子复合体的制备
• 通过物理吸附、静电吸附、特异性识别和共价 键藕合等技术，生物分子可以被固定到聚合物 或无机纳米粒子上。这些修饰上生物分子(如蛋 白质、酶、抗体、抗原、D N A 等)的纳米粒子 在生物分子特异性分离、生物传感器和生物靶 向给药等生物技术上得到了很好的应用。
• 该材料内层以结构独特的中空介孔夹心二氧 化硅为核，其表面包覆金壳，纳米金壳以其 物理化学性质——等离子体共振性质为基础， 经近红外激光照射，可将近红外激光光能转 化为热能，并配以夹心二氧化硅对多种化疗 药物的装载控制缓释技术，高效低毒杀死肿 瘤细胞，该成果于2011年初发表在国际化学 界顶级刊物《德国应用化学》
• 链酶亲和素(SA V) 功能化的金纳米粒子已经 用来连接蛋白质(免疫球蛋白和血清蛋白)或 低聚核昔酸
• 现在, 蛋白质A 连接银纳米粒子已普遍作为不 同免疫球蛋白功能片断的通用连接剂
纳米药物载体
• 纳米药物载体是以纳米颗粒作为载体， 将药物包裹在纳米颗粒中或吸附在其表 面，同时结合特异性配体等通过靶向分 子与细胞表面特异性受体结合，实现安 全有效的靶向治疗。由于其特殊的理化 性质，从而能将不同药物在特定时间内 运输到身体特定部位。
物传输系统，将药物高效传输至指定病灶部位( 复旦大学高分子科学系胡建华课题组）
中科院过程工程研 究所马光辉课题组 构建了一种基于磁 性氧化铁纳米管的 传输体系，实现了 紫杉醇（光谱抗肿 瘤药物之一）的高 效给药。
肿瘤早期诊断型纳米材料
2012年6月17日，《自然—纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志在线发表了中国科学院生物物 理研究所阎锡蕴课题组在肿瘤诊断方面的最新研究 成果。课题组合成了一种新型纳米肿瘤诊断试剂— —铁蛋白纳米粒。 由氧化铁纳米内核及铁蛋 白外壳两部分组成的双功 能纳米小体，蛋白壳能够 特异识别肿瘤细胞，氧化 铁纳米内核能够催化底物 使肿瘤显色，区分正常细
纳米技术在其他方面的应用
海洋生物晶须让受损肌肉再生 C6-神经酰胺纳米胶囊可杀癌细胞 碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器研究取得进展 科学家发明晶体管可测量细胞内活动 核酸药物新型纳米载体问世 新型纳米粒子能按需合成蛋白质
分子马达
分子马达，又名分子发动机， 利用化学能进行机械做功的 纳米系统。是分布于细胞内 部或细胞表面的一类蛋白质， 它们的构象会随着与ATP和 ADP的交替结合而改变， ATP水解的能量转化为机械 能，引起马达形变，或者是 它和与其结合的分子产生移 动。就是说，分子马达本质 上是一类ATP酶。
• 康奈尔大学的 Carlo Montemagno已经制作出 了一种体积只有红细胞l/5大小的生物分子马达。 其关键部分是附着在镇轴上的一种来自大肠杆 菌的蛋白质和推进器。这种分子马达只有几 nm大小，它所需的能量来自于细胞中普遍存 在的生物燃料——ATP( 三磷酸腺苷 )
通过乳化剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS） 辅助下的自由基反应，我们可以得到聚
丙烯酸（PAA）改性的碳纳米管，进而 通过水相化学共沉淀方法可以得到磁性
四氧化三铁纳米粒子修饰的碳纳米管
将上述制备的功能化碳纳米管/石墨烯作为药物 载体，利用碳纳米管/石墨烯的富电子可高效负 载抗肿瘤药物和纳米尺度效应可以构建靶向药
纳米粒 药物载
体
• 调节释药速度
• 改变药物在体 内的分布
纳米乳 药物载
体
• 提高难溶性药 物溶解度
• 提高药物生物 利用度
磁性纳 米载体
• 减少药物毒副 作用
• 准确到达特定 的靶向部位
• 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 张智军课题组在新型纳米药物载体研究方面 取得系列进展。他们通过化学修饰氧化石墨 烯，实现了抗癌药物阿霉素和喜树碱的可控 联合载药和生物靶向递送，其在体外实验中 表现出比单一载药更高的抗肿瘤效应， (Small, 2010, 6, 537- 544)这项工作入选Small 月度Top 10 most accessed articles
• 基于此技术的研究产生了非病毒性基因转染载 体技术。基因转染载体主要用于治疗人类由基 因引起的而难以根治的先天性或后天性疾病。
• 羟基衍生物(柠檬酸、酒石酸盐、硫辛酸)等 阴离子修饰纳米粒子时, 纳米粒子通过静电 反应吸附在阳极蛋白质上
• 纳米粒子抗与体结合体也常用来亲和的连 接与它们匹配的抗原