纳米生物技术学概述

机械瓣膜 人造血管（Φ<6mm） 人工髋关节（寿命） 骨修复材料
12-14年，50±15%； 6年，50-80% 无合成材料产品[年需140万件（美）] 10-15年（老年组），3-5年（青年组） 陶瓷/金属/聚合物 人造：13%，其中Ca-P: 66%, 胶原：13% 自体骨/异体骨：二次手术/失血/传染
纳米生物技术
目前已开发30多种检测疾病的试剂盒，其中包括7 种癌 细胞的早期诊断 • AFP 甲胎蛋白（肝癌早期普查） • CEA 癌胚抗原 • FERRITIN 铁蛋白 • PSA 前列腺特异性抗原
• CA199 乳腺癌
• CA125 胃癌
• CA153 肠癌
纳米生物技术
磁性微珠的其它应用
纳米生物技术
国内外现状
纳米生物技术是目前国际生物技术领域的前沿 和热点问题，在医药和现代农业领域有着广泛 的应用和明确的产业化前景。 美、日、德等先进国家均已将纳米生物技术作 为21世纪的科研优先项目予以重点发展，一场 新的国际纳米生物技术科技竞争已经开始。医 药和农业领域纳米生物技术的研究尚处于起步 阶段，但近几年在医药领域的研究已取得一定 的进展。
细胞分离 基因分离
纳米生物技术
医用植入体和人工器官 200-300种 几乎每一品种都可使用纳米技术予以改造，并 将产生众多的新品种
骨 软骨 皮肤 肌腱/韧带 心血管系统 泌尿系统 其它 0 500 1000 US$百万 1500 2000 2000 2002
美国几种医用植入体的市场情况
纳米生物技术
纳米管或纳米线
多元纳米传感芯片
纳米生物技术
纳米复合免疫磁性微珠
纳米复合免疫磁性
微珠是当代疾病（尤其 癌症）早期诊断的最重 要的技术之一。实验室 利用有机-无机纳米复合
技术研制了系列疾病诊
断试剂盒。
纳米生物技术
诊断原理
每种疾病在血液中都存在与之对应的特征活性蛋白，因此疾病早期诊断决定于 疾病特征蛋白的确定。诊断过程由三大技术组成： — 免疫反应技术
撕裂，钙化 凝血 磨损碎松动 脆/应力刺激/ 无活性
纳米生物技术
医疗技术的发展:
通 用→个体化 大创伤→微创伤
围绕人体的微细组成与结构，及其 生物与功能特性开展纳米生物材 料与检测技术研究
纳米生物技术
分子马达

分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械 做功的纳米系统。 美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达， 研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备--" 纳米直升机"。该设备共包括三个组件，两个金属推 进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物 分子组件。其中的生物分子组件将人体的生物"燃料 "ATP转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达 到每秒8圈。这种技术仍处于研制初期，它的控制和 如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内 发放药物等医疗任务。
骨修复材料和 器械 预防骨折和修 复材料 血液吸附，人 工关节 药物控释，人 工肝 避孕器械，疫 苗控释
全球髋关节替 换100万套
美国患者：65 万/年，销售 额US$40多亿
>200
宫内节育器 2000
纳米生物技术
常规生物医学材料的问题
功能和寿命不能满足临床要求
名称 失 效（寿命） <35岁 人工心 脏瓣膜 生物瓣膜 10-15年，>50%； 5年， ≈100% 钙化，非钙化 退变， 原因
美国杜克大学研究人员利用自行组装的ＤＮＡ分 子作为分子建筑材料，建造了支撑蛋白质的″纳米级 ″脚手架和金属线，其直径只有数十亿分之一米。这 是在纳米级合成方面取得的重要成就，可能由此开发 可编程的分子级传感器或电路。 以色列和美国的研究人员在制造分子马达的联合 研究方面获得新进展。他们通过光或者电的驱动，可 以使分子按照控制模式围绕一个轴旋转，并且能够停 止或者暂停。这一成果将使纳米级的分子机械能够在 一些较大机械无法应用的场合，例如一些外科手术中 大显身手。
神经性肌肉障碍 200,000 皮肤（烧伤） 2,150,000 输 血 齿科 1 8 , 010,000,000 0 0 , 0 0 0 输尿管 30,000 尿道修复 51,900 疝修补 肝癌 25,000 290,00 胰（糖尿病） 728,000 0 肾（透析） 600,000 介入导管 606,000 肝 250,000 人造血管 754,000
纳米生物技术
纳米生物技术的研究进展
多肽纳米管作为抗菌剂，可在细菌细胞膜上穿 孔，导致细菌死亡。
纳米生物技术
纳米粒用作除污剂给士兵消毒
纳米生物技术
基因和药物纳米载体
1.
纳米药物载体（纳米微粒药物输送）技术是纳米生 物技术的重要发展方向之一, 将给恶性肿瘤、糖尿 病和老年性痴呆等疾病的治疗带来变革。 利用纳米技术能够把新型基因材料输送到已经存在 的DNA里，而不会引起任何免疫反应。 按目前的认识，有半数以上的新药存在溶解和吸收 的问题，纳米晶体技术可将药物颗粒转变成稳定的 纳米粒子，同时提高溶解性，以提高难溶性药物的 药效率。
纳米生物技术
总预算为505.21亿欧元的欧盟第七研发
框架计划（2007-2013）将“纳米科学、纳米
技术、材料和新制造技术”列为十大主题研究 领域合作计划之一。
纳米生物技术
2003年美国科学年会的报告,纳米医学技术已 经被列入美国的优先科研计划。现任总统布什 2003年12月签署的《21世纪纳米技术研究开发法 案》,自2005财年开始的4年内，联邦政府将投入 约37亿美元用于支持纳米技术研发工作。 美国的优先研究领域包括： 生物材料（材料-组织介面，生物相容性材料） 仪器（生物传感器，研究工具） 治疗（药物和基因载体），已有一种纳米药物 载体通过了FDA批准并应用于临床。
纳米生物技术
关键技术
(1) 磁性微珠的制备技术
——纳米级Fe3O4粉末表面改性处理后，与有机高分子单体复合， 经聚合形成微珠。 ——微珠表层经化学修饰处理，并接种具有活性的化学基团
纳米生物技术
(2) 磁性微珠表面与抗体（抗原）联结技术 —— 通过化学交联或化学吸附，将抗体（Antibody)或抗原（Antigen) 联结在微珠表面。
纳米生物技术
近两年，采用微制作技术，制成了微米量级 的机械手，能够在细胞溶液中捕捉到单个细胞， 进行细胞结构，功能和通讯等特性研究。美国哈 佛大学的研究人员发展了微电子工业普遍使用的 光刻技术在生物学领域的应用，并研制出效果更 好的软光刻方法。以此，制出了可以捕捉和固定 单个细胞的生物芯片，通过调节细胞间距等，研 究细胞分泌和胞间通讯。此类细胞芯片还可以作 细胞分类和纯化，利用芯片表面微单元的几何尺 寸和表面改性，即可达到选择和固定细胞，及细 胞面密度控制。
10 >100 3-6
6-12 100 50 >300
ຫໍສະໝຸດ Baidu
0.6-0.8 0.5 0.5
1 ≈10 10 目前销售额 仅10亿元
国产 <2000 国产≈20% 90%进口
90%进口 国产3万套 国产（中外合 资）15
全球≈40万
肾衰 关节病 血内障 骨损伤 骨质疏松 类风湿 肝炎 人口控制
肾透析器 人工关节 人工晶体

纳米生物技术
纳米技术在生物医学、药学、人类健康 等领域有重大应用。纳米生物医用材料将解 决临床对高性能组织修复、器官替换和诊疗 的迫切需求，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。纳米生物医用材料 和医药技术研究既有现实的迫切需求，又有 广阔的应用前景和巨大的社会效益。
纳米生物技术
生物芯片技术
生物芯片是不同于半导体电子芯片的另 一类芯片。半导体电子芯片是集成具有特定电 子学功能的微单元，所形成的电子集成电路； 而生物芯片则是在很小几何尺度的表面积上， 装配一种或集成多种生物活性，仅用微量生理 或生物采样，即可以同时检测和研究不同的生 物细胞、生物分子和DNA的特性，以及它们之 间的相互作用，获得生命微观活动的规律。
抗原和抗体的反应，具有高度的特异性，从而保证了分析的精确性。
— 磁性微珠技术 磁性微珠即是反应场所，又是反应物分离的工具。首先在磁性微珠表面与抗体 发生化学键耦联，使之成为与某种疾病特征蛋白实现抗原抗体反应的载体。然后在 磁场作用下将反应物分离出来。 — 示踪分析技术 为精确定量分析必须对待测活性蛋白的抗体进行示踪剂的标记，以便将待测 物转变为可测的信号(如放射信号、颜色信号、光信号)，从而对待测物进行精确分 析。
(3)
抗体或抗原与示踪剂的标记技术
纳米生物技术
(4) 在磁性微珠载体上进行免疫反应
纳米生物技术
（5） 免疫反应产物的示踪和定量分析
—— 通过对反应产物比色或在一定时间内（一般为5 秒）测定发 出光光子强度，测定待测物质浓度。
美国东北大学发明了一种新的DNA检测技术，是 利用DNA-金纳米颗粒的选择性以及目标DNA序列的连 接，导致纳米颗粒在电极之间排列，从而通过电子信 号来表示对不同DNA序列的响应。这种检测比以往的 低聚核苷酸检测在灵敏度上提高了10倍，在选择性上 则更高出了许多。并采用低聚核苷酸和Raman-活化 染料为标记的金纳米颗粒探头专门检测DNA和RNA。 这种表面增强Raman散射技术有飞摩尔探测极限，并 且能在一种溶液中同时探测多种成分，将来有可能替 代以分子荧光为基础的生物探测技术。
纳米生物技术学概述
张阳德
国家卫生部肝胆肠外科研究中心 国家卫生部纳米生物技术重点实验室 中国医师协会内镜医师分会 中南大学生物医学工程研究院 中南大学湘雅医院外科 主任 主任 主席 院长 主任 专家
国家‘‘十一五“863计划专家委员会纳米生物技术
纳米生物技术
概

念
纳米是尺寸或大小的度量单位：千米（103 ） →米→厘米→毫米→微米→纳米（ 10-9） 4倍原子大小 万分之一头发粗细 纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-7)到 十亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它 类型物质运动和变化的学问；同时在这一尺度 范围内对原子、分子进行操纵和加工。
美国部分生物材料年耗量（件/年） （美国企业约有200-300个品种）
纳米生物技术
我国几种生物材料的市场需求统计 （我国企业仅有约50余种制品）
材料和制 品
人工心瓣膜 心脏起搏器 血管支架
需求量（万例 /年） 实际用量 来源 备注
患者
病例数（ 万/年）
心血管病
>2000
>12 ≈1亿 500（年增 长3-5%） > 1000 ≈6500 ≈1000 2-3亿
纳米生物技术

为研究工作方便，有人把尺寸0.1～1μm视为 亚微米体系，尺寸1～100nm划分纳米体系。
我国科学家在 石墨表面“写”出“中国”和 中 科 院 的 英 文 缩 写 “ CAS” 。 字 的 尺 寸 为 200nm×200nm。按照这个尺寸，可以在大 头针针尖一样的面积上记录下一部《红楼梦》 的全部内容。
2005年，全世界投入用于纳米技术研 究和开发的资金便已超过50亿美元。 据报道，迄今为止全美国至少已有60 种以上的药物新制剂以及90种左右的医 疗器械、诊断试剂等新产品使用了纳米 材料。
纳米生物技术
国际上纳米生物技术的研究范围涉及纳米 生物材料、药物和转基因纳米载体、纳米生物 相容性人工器官、纳米生物传感器和成像技术 、利用扫描探针显微镜分析蛋白质和DNA的结 构与功能等重要领域，以疾病的早期诊断和提 高疗效为目标。
骨软骨炎 14,500 肌腱修复 33,000 韧带修复 90,000 半月瓣修复 250,000 关节炎（髋、膝）369,200 指关节和小关节 179,000 内固定骨板 480,000 颌面重建 30,000 软骨（髌） 319,400 脊柱 40,000 关节（髋） 558,200 骨片 275,000 褥 疮 治 疗 静脉阻滞溃疡治疗500,000 1 , 5 0 0 , 0 0 0 糖尿病溃疡治疗 600,000
2.
3.
纳米生物技术
非生物材料药物载体，不会诱发病人的 免疫反应，作为药物的纳米载体，携带药物分 子进入人体的血液循环，使药物在无免疫排斥 的条件下发挥治病的效果，这种技术用于糖尿 病和癌症治疗前景广泛。同时，这些赋形剂在 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。