纳米技术在医学中的应用

纳米材料和技术在医学中的应用

应101-4 刘明秀 201055501425

摘要：随着纳米材料及纳米技术的不断发展，纳米材料以其独特的结构和理化性质在精细陶瓷、微电子学、生物工程、化工、医学等领域得到了成功应用，使得纳米材料及其技术成为目前科学研究的热点之一。纳米材料和技术在医学领域得到了飞速发展，在一些疑难疾病的治疗上取得了明显进展。本文对纳米技术及纳米材料在生物医学上的研究现状及进展进行综述，并简单探讨了纳米医学的发展前景。

关键词：纳米材料；纳米技术；生物医学；纳米传感器；诊断；肿瘤治疗；骨修复材料

引言

纳米材料和技术是20世纪90年代成熟起来的一个学科领域,这是继互联网、基因之后世界各国竞相逐鹿的又一个焦点，被认为是2 1世纪的又一次产业革命。 纳米技术、信息技术及生物技术将成为世纪社会经济发展的三大支柱。纳米科技的兴起，对我国提出了严峻的挑战，同时也为我国实现跨越式发展提供了难得的机遇。纳米材料是纳米科技的基础，功能纳米材料是纳米材料科学中最富有活力的领域，它对信息、生物、能源、环境、宇航等高科技领域，将产生深远的影响并具有广阔的应用前景。

纳米技术与医学的结合形成了新兴边缘学科——纳米医学,即在分子水平上利用分子工具和人体相关的知识,从事疾病的诊断、治疗、预防和保健等。纳米技术与医学相结合，促进了基础医学技术的完善、临床诊断技术的革新及治疗水平的提高，兴起了纳米医学诊断技术、组织修复和再生医学中的纳米材料、纳米药物载体，纳米药物、纳米中药、及纳米医学材料安全性等一系列技术。

正文

1纳米材料

1.1纳米材料的定义及结构分类

纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(9

10 nm )的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般为210~1nm 。它包括体积分数近似相等的两个部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子,二是粒子间的界面前者具有长程序的晶状结构,后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构[1,2]。

纳米材料的分类：零维、一维、二维和三维纳米材料

（1）零维纳米材料：类似于点状结构，立体空间的三个方向均在纳米尺度，如纳米粒子、原子团簇等。

（2）一维纳米材料：类似于线状结构，立体空间的三个方向中的两个在纳米尺度，如纳米线、纳米棒、纳米管等。

（3）二维纳米材料：类似于面状结构，立体空间的三个方向中的一个在纳米尺度，

如纳米薄膜、纳米多层膜、超晶格薄膜等。

（4）三维纳米材料：在三维空间中有上述纳米材料的块体，如纳米陶瓷等。

C60结构示意图碳纳米管

纳米粒子光学薄膜纳米陶瓷滤芯

1.2纳米材料的性质

（1）纳米材料的体积效应

当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化，这就是纳米粒子的体积效应。

（2）纳米材料的表面效应

表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随着粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。

（3）纳料材料的量子尺寸效应

粒子尺寸下降到一定值时，费米能级接近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子一系列特性，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等。

（4）纳米材料的宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应它们可以穿越宏观系统的势垒产生变化，故称为宏观的量子隧道效应。用此概念可定性解释超细镍微粒在低温下保持超顺磁性等。

2纳米技术

纳米技术是指在0.1～100 nm空间尺度上操纵原子和分子对材料进行加工,制造具有特定功能的产品或对物质及其结构进行研究的一门综合性的高新技术学科。

纳米技术所涉及的领域纳米技术几乎涉及到各个科技领域,纳米材料与纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米摩擦学、纳米测量学、纳米化学和纳米物理学共同构成了纳米科学技术的内涵。

3纳米材料技术在医学上的应用

3.1纳米检测技术

（1）细胞分离

细胞分离技术解决了医学界乃至生物界细胞标本快速获取的难题。

20世纪80 年代初，用纳米SiO2微粒实现了细胞分离的新技术[3]：将15~20nm的SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮溶液中，通过离心技术，利用梯度原理，快速分离所需要的细胞。这种技术在临床医学上得到了很好的应用，利用此技术可以讲孕妇腹中胎儿细胞分离出来，通过对染色体的分析，判断胎儿是否有遗传缺陷。

目前，磁性纳米粒子的发发现与研究在生物分子分析与细胞分离中的得到应用。国内周晓荣等[4]采用免疫磁珠法从人外周血单个核细胞中分离和纯化了CD4+T细胞,分离后的CD4+T细胞对植物血凝素的刺激保持了良好的增殖能力。杜英等[5]用磁性微珠标记的CD133单抗与脑组织的细胞悬液孵育,通过磁性分选器分离出CD133+的细胞,并经体外培养扩增和诱导分化。唐岩等[6]用其来分离人外周血树突状细胞。应用纳米免疫磁珠检测早期肺癌患者循环血液中肿瘤细胞，可以监测肺癌的转移情况。

（2）细胞染色

纳米微粒的出现，为建立新的细胞染色技术提供了新的途径。用自行合成和纯化的一种新颖的树枝状大分子——PAMAM，介导制备出粒子分散均匀，稳定性强，偶联性良好的水溶性纳米PAMAM-Au复合物。该纳米复合物具有长时间稳定的蓝紫色荧光效应和紫红色光学效应，可广泛用于革蓝氏阴性细菌、真菌、蓝细菌、藻类等微生物细胞以及其它真核细胞（系）的非特异性染色；显著地提高了普通光学显微镜对细胞观察的分辨力，操作极为简单；同时该纳米复合物具有特别易于修饰的外部端基功能团，方便改性和制成生物特异性靶向制剂，携带抗体或基因，进行体内靶向示踪科学实验。应用前景十分可观。