纳米生物技术及其应用课件
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• 美国正在设计一种纳米"智能炸弹"，它可以识别出癌细胞的化学特征。 这种"智能炸弹"很小，仅有20纳米左右，能够进入并摧毁单个的癌细胞。
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人工红血球
纳米医学不仅具有消除体内坏因素的功能，而且还有 增强人体功能的能力。我们知道，脑细胞缺氧6至10分钟 即出现坏死，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。设想一种装 备超小型纳米泵的人造红血球，携氧量是天然红血球的 200倍以上。当人的心脏因意外，突然停止跳动的时候， 医生可以马上将大量的人造红血球注入人体，随即提供生 命赖以生存的氧，以维持整个机体的正常生理活动。它可 以应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体 育运动需要的额外耗氧等。 随着转子的转动，气体分子与转子上的结合位点结合再 释放到血浆中。
从分子的微观角度来看，目前的医疗技术尚无法达到分子修
复的水平。
纳米医学是在分子水平上，利用分子工具和人体的分子知识，
创造并利用纳米装置和纳米结构来防病治病，改善人类的整个生
命系统。例如：修复畸变的基因、扼杀刚刚萌芽的癌细胞、捕捉
侵入人体的细菌和病毒，并在它们致病前就消灭它们；
探测机体内化学或生物 化学成分的变化，适时 地释放药物和人体所需 的微量物质，及时改善 人的健康状况。最终实 现纳米医学，使人类拥 有持续的健康。
同时，纳米药物制剂的赋形剂在胃 肠道中起表面活性剂的作用，也提 高了纳米药物颗粒的溶解率。一旦， 不溶性药物转变成稳定的纳米颗粒， 就适合于口服或者注射了。
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捕获病毒的纳米陷阱
密西根大学的Donald Tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获 病毒的纳米陷阱。体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染细胞之 前就捕获它们，同样的方法期望用于捕获类似爱滋病病毒等更复杂的 病毒。此纳米陷阱使用的是超小分子，此分子能够在病毒进入细胞致 病前即与病毒结合，使病毒丧失致病的能力。通俗地讲，人体细胞表 面装备着含硅铝酸成分的"锁"，只准许持"钥匙"者进入。不幸的是，病 毒竟然有硅铝酸受体"钥匙"。Tomalia的方法是把能够与病毒结合的硅 铝酸位点覆盖在陷阱细胞表面。当病毒结合到陷阱细胞表面，就无法 再感染人体细胞了。陷阱细胞由外壳、内腔和核三部分组成。内腔可 充填药物分子；将来有可能装上化疗药物，直接送到肿瘤上。研究者 希望发展针对各种致病病毒的特殊陷阱细胞和用于医疗的陷阱细胞库。
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• 纳米骨材料：把它植入体内填充各类型的骨缺损，其网状结构 可生长出很多新生的骨细胞，所有填的纳米骨材料，最后会降 解消失，骨缺损部能完全被新生骨取代。
具有纳米级别的天然骨分级结构和天然骨的多孔结构
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智能药物
• 这是纳米医学中的一个非常活跃的领域，适时准确地释放药物是它的基 本功能之一。863计划项目“心血管病与糖尿病多指标微流控芯片检测系 统的研制”，为糖尿病人研制超小型的、模仿健康人体内的葡萄糖检测 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， 使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。研究控制这个芯片 的尺寸，可以把它做得更小，并计划装上一个“智能化”的传感器，使 它可以适时和适量地释放药物。
法，但存在着良恶性及细胞来源判断不准确的问题。利用原子力
显微镜(atomic force microscope，AFM)可以在纳米水平上揭示肿
瘤细胞的形态特点。通过寻找特异性的Βιβλιοθήκη Baidu常纳米级结构改变，以
解决肿瘤诊断的难题。
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二、在治疗方面的应用
1、纳米化增加药物吸收度
增大药物的表面积促进溶解。 药物大分子就能穿透组织间隙，也可以通过人体最小的毛细血管。
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一、在诊断方面的应用
1、遗传病诊断
纳米技术有助诊断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕8个星期时， 血液中开始出现少量胎儿细胞。利用具有纳米级大小孔洞的半透 膜或特殊的合成纳米管等，可把胎儿细胞分离出来进行诊断。不 需要进行羊水穿刺。目前美国已将此项技术应用于临床诊断中。
2、病理学诊断
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
而且分布面极广。 应用于中药制剂。药物的物理活性、靶向性比普通中药大大提高。
2、纳米医用材料
目前广泛使用的人工心脏瓣膜，是由钛金属与不锈钢合金所构成， 但在移植入人体后仍有损坏的可能性。结晶纳米氧化锆是一种具有 高度抗生物损耗的替代材料。
银在纳米状态下的杀菌能力产生了质的飞跃。只需用极少量的纳米 银即可产生强力的杀菌作用。
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7. 生物大分子的直接操纵和改性
• DNA分子是全部遗传信息的携带者，因而DNA分子操纵成为生命科学、 物理学等多学科的共同热点。
• DNA操纵包括：（1）DNA链的原子力切割。利用原子力显微镜AFM在几 年前已经实现了DNA分子链的原子力切割，可不受DNA序列的限制，在 任何部位进行纳米级的精确切割。（2）DNA分子链的拉直操纵。其实现 方法很多，主要有以下三种：①静电场法。在一定强度的电场下，可拉直 小片段的DNA。②激光镊子法。在DNA的两端点粘上微小的颗粒，可通 过激光镊子将其展开。③分子梳法。通过受压的液体流动产生的流体力可 将DNA链进行拉直操纵，与双色荧光标记法结合成为基因研究中的有力 工具。
6
纳米药物输运
纳米微粒药物输送技术也是重要发展方向之一。目前，有半数 以上的新药存在溶解和吸收的问题。863计划项目“纳米药物制剂的 生物效应研究”，当药物颗粒缩小时，药物与胃肠道液体的有效接 触面积将增加，药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小而提高。利 用纳米晶体技术将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，提高溶解性和 难溶性药物的药效率。
光的形成。癌细胞会产生一种明亮的
闪光；而健康细胞只发射一种标准波 长的光，以此鉴别癌变。
识别血液异常
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2. DNA合成过程、基因调控过程的STM研究 3. 质粒DNA及其与限制性内切酶相互作用的研究 4. 对染色体的AFM研究 5. 对生物分子之间及分子内部的力的测量 6. 生物大分子动态过程的研究
8
识别血液异常的生物芯片
美国圣地亚国家实验室发现纳米技术
可以在血流中进行巡航探测，即时地
发现诸如病毒和细菌类型的外来入侵
者，并予以歼灭，从而消除传染性疾
病。Micheal Wisz做了一个雏形装置，
发挥芯片实验室的功能，它可以沿血
流流动并跟踪像镰状细胞血症和感染
了爱滋病的细胞。血液细胞被导入一
个发射激光的腔体表面， 从而改变激
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人工红血球
纳米医学不仅具有消除体内坏因素的功能，而且还有 增强人体功能的能力。我们知道，脑细胞缺氧6至10分钟 即出现坏死，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。设想一种装 备超小型纳米泵的人造红血球，携氧量是天然红血球的 200倍以上。当人的心脏因意外，突然停止跳动的时候， 医生可以马上将大量的人造红血球注入人体，随即提供生 命赖以生存的氧，以维持整个机体的正常生理活动。它可 以应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体 育运动需要的额外耗氧等。 随着转子的转动，气体分子与转子上的结合位点结合再 释放到血浆中。
从分子的微观角度来看，目前的医疗技术尚无法达到分子修
复的水平。
纳米医学是在分子水平上，利用分子工具和人体的分子知识，
创造并利用纳米装置和纳米结构来防病治病，改善人类的整个生
命系统。例如：修复畸变的基因、扼杀刚刚萌芽的癌细胞、捕捉
侵入人体的细菌和病毒，并在它们致病前就消灭它们；
探测机体内化学或生物 化学成分的变化，适时 地释放药物和人体所需 的微量物质，及时改善 人的健康状况。最终实 现纳米医学，使人类拥 有持续的健康。
同时，纳米药物制剂的赋形剂在胃 肠道中起表面活性剂的作用，也提 高了纳米药物颗粒的溶解率。一旦， 不溶性药物转变成稳定的纳米颗粒， 就适合于口服或者注射了。
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捕获病毒的纳米陷阱
密西根大学的Donald Tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获 病毒的纳米陷阱。体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染细胞之 前就捕获它们，同样的方法期望用于捕获类似爱滋病病毒等更复杂的 病毒。此纳米陷阱使用的是超小分子，此分子能够在病毒进入细胞致 病前即与病毒结合，使病毒丧失致病的能力。通俗地讲，人体细胞表 面装备着含硅铝酸成分的"锁"，只准许持"钥匙"者进入。不幸的是，病 毒竟然有硅铝酸受体"钥匙"。Tomalia的方法是把能够与病毒结合的硅 铝酸位点覆盖在陷阱细胞表面。当病毒结合到陷阱细胞表面，就无法 再感染人体细胞了。陷阱细胞由外壳、内腔和核三部分组成。内腔可 充填药物分子；将来有可能装上化疗药物，直接送到肿瘤上。研究者 希望发展针对各种致病病毒的特殊陷阱细胞和用于医疗的陷阱细胞库。
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• 纳米骨材料：把它植入体内填充各类型的骨缺损，其网状结构 可生长出很多新生的骨细胞，所有填的纳米骨材料，最后会降 解消失，骨缺损部能完全被新生骨取代。
具有纳米级别的天然骨分级结构和天然骨的多孔结构
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智能药物
• 这是纳米医学中的一个非常活跃的领域，适时准确地释放药物是它的基 本功能之一。863计划项目“心血管病与糖尿病多指标微流控芯片检测系 统的研制”，为糖尿病人研制超小型的、模仿健康人体内的葡萄糖检测 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， 使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。研究控制这个芯片 的尺寸，可以把它做得更小，并计划装上一个“智能化”的传感器，使 它可以适时和适量地释放药物。
法，但存在着良恶性及细胞来源判断不准确的问题。利用原子力
显微镜(atomic force microscope，AFM)可以在纳米水平上揭示肿
瘤细胞的形态特点。通过寻找特异性的Βιβλιοθήκη Baidu常纳米级结构改变，以
解决肿瘤诊断的难题。
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二、在治疗方面的应用
1、纳米化增加药物吸收度
增大药物的表面积促进溶解。 药物大分子就能穿透组织间隙，也可以通过人体最小的毛细血管。
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一、在诊断方面的应用
1、遗传病诊断
纳米技术有助诊断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕8个星期时， 血液中开始出现少量胎儿细胞。利用具有纳米级大小孔洞的半透 膜或特殊的合成纳米管等，可把胎儿细胞分离出来进行诊断。不 需要进行羊水穿刺。目前美国已将此项技术应用于临床诊断中。
2、病理学诊断
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
而且分布面极广。 应用于中药制剂。药物的物理活性、靶向性比普通中药大大提高。
2、纳米医用材料
目前广泛使用的人工心脏瓣膜，是由钛金属与不锈钢合金所构成， 但在移植入人体后仍有损坏的可能性。结晶纳米氧化锆是一种具有 高度抗生物损耗的替代材料。
银在纳米状态下的杀菌能力产生了质的飞跃。只需用极少量的纳米 银即可产生强力的杀菌作用。
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7. 生物大分子的直接操纵和改性
• DNA分子是全部遗传信息的携带者，因而DNA分子操纵成为生命科学、 物理学等多学科的共同热点。
• DNA操纵包括：（1）DNA链的原子力切割。利用原子力显微镜AFM在几 年前已经实现了DNA分子链的原子力切割，可不受DNA序列的限制，在 任何部位进行纳米级的精确切割。（2）DNA分子链的拉直操纵。其实现 方法很多，主要有以下三种：①静电场法。在一定强度的电场下，可拉直 小片段的DNA。②激光镊子法。在DNA的两端点粘上微小的颗粒，可通 过激光镊子将其展开。③分子梳法。通过受压的液体流动产生的流体力可 将DNA链进行拉直操纵，与双色荧光标记法结合成为基因研究中的有力 工具。
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纳米药物输运
纳米微粒药物输送技术也是重要发展方向之一。目前，有半数 以上的新药存在溶解和吸收的问题。863计划项目“纳米药物制剂的 生物效应研究”，当药物颗粒缩小时，药物与胃肠道液体的有效接 触面积将增加，药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小而提高。利 用纳米晶体技术将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，提高溶解性和 难溶性药物的药效率。
光的形成。癌细胞会产生一种明亮的
闪光；而健康细胞只发射一种标准波 长的光，以此鉴别癌变。
识别血液异常
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2. DNA合成过程、基因调控过程的STM研究 3. 质粒DNA及其与限制性内切酶相互作用的研究 4. 对染色体的AFM研究 5. 对生物分子之间及分子内部的力的测量 6. 生物大分子动态过程的研究
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识别血液异常的生物芯片
美国圣地亚国家实验室发现纳米技术
可以在血流中进行巡航探测，即时地
发现诸如病毒和细菌类型的外来入侵
者，并予以歼灭，从而消除传染性疾
病。Micheal Wisz做了一个雏形装置，
发挥芯片实验室的功能，它可以沿血
流流动并跟踪像镰状细胞血症和感染
了爱滋病的细胞。血液细胞被导入一
个发射激光的腔体表面， 从而改变激