生物納米材料研究報告進展與應(yīng)用前景

1、個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用*課程名稱：生物納M材料的研究進程與應(yīng)用前景 姓名：楊紅梅學(xué)號：2018013班級：材料1004班個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用生物納M材料的研究進程與應(yīng)用前景摘要：21世紀，隨著納M技術(shù)的逐漸成熟，越來越多的納M材料也漸漸出現(xiàn)在人們的生活中。納 M技術(shù)結(jié)合生物技術(shù)研發(fā)生物納M材料，目前已涉及到多種不同的領(lǐng)域，并得到較大發(fā)展，如：醫(yī)用領(lǐng)域、仿生領(lǐng)域等。對于這樣一種帶有 生物與納M特征的材料的研究，還具有更大的應(yīng)用空間。本文就生物納 M材料 近年的研究、開發(fā)及應(yīng)用做了一定的闡述，同時結(jié)合時代的發(fā)展探討了生物納M材料的應(yīng)用前景。Abstract:In twenty-first

2、 Century,with the development of nanotechnology maturing gradually, more and more nanometer materials has gradually appeared in peoples life. Nanotechnology that combined biological technology researched the bios-nanometer materials, which has been involved in many different fieldsand have achieved

3、great development, such as medical field ,bionic fieldand so on.For the research of material with characteristicof biology andnanometer,it has much wider applications. The article expounds the research, development and application of bios-nanometer materials that arose in recent years, and probes in

4、to the application prospect of bios-nanometer materialswith the development of the times.關(guān)鍵詞：生物納M材料、研究進展、應(yīng)用前景Key words:bios-nanometer materials research progress application prospect前言：隨著人們對生命領(lǐng)域的認識不斷加深，可以發(fā)現(xiàn)很多生物現(xiàn)象其實都發(fā)生在 納M水平，很多分子生物系統(tǒng)本身就是一些相對完美的納M機器。在自然界，天然生物納M材料其實早就存在，自然界的蛋白質(zhì)就有許多納M微孔，人類及獸類的牙齒也是由納M級有機

5、物質(zhì)所構(gòu)成，其中核酸與蛋白質(zhì)是執(zhí)行生命功能的 重要納M成分，這些成分相互作用編制了一個復(fù)雜而完美的生物世界。對于現(xiàn)在 這樣一個生物工程發(fā)展的時代，生物納 M技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)迫在眉睫。模仿生物系 統(tǒng)的能力來轉(zhuǎn)化和傳輸能量、合成專用有機化學(xué)品、生物生物質(zhì)、儲存信息、識 別、感覺、信號發(fā)送、運動、自組裝和復(fù)制代表著未來的巨大挑戰(zhàn)，將納 M技術(shù) 和生物技術(shù)相結(jié)合的生物納 M技術(shù)不僅對探索生命本質(zhì)具有重大科學(xué)意義，而且 在很多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。1這就需要人們對生物納 M技術(shù)不斷研究與開 發(fā)，提高對生物納M材料的認識，讓其在人們生活中發(fā)揮更大的作用。正文：一、生物納M材料概述生物納M材料的起源生物納M

6、材料很大程度是受到生物礦化的啟發(fā)。生物礦化，從理論上來說是指 在生物體內(nèi)形成礦物質(zhì)的過程。它通過有機大分子和無機物離子在界面處的相互個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用作用，從分子水平控制無機物的析出，從而使生物礦化具有特殊的多級結(jié)構(gòu)和組 裝方式。在此之中，由細胞分泌的自組裝的有機物對無機物的形成起模板作用， 使無機礦物具有一定的形狀、尺寸、取向和結(jié)構(gòu)。1正是因為生物礦化的這些特性，才成為了人類研究生物納 M材料的有效手段。生物納M材料的定義生物納M材料是指用于對生物材料進行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組 織、器官或增進其功能的新型高技術(shù)納M材料，是具有納M量級的超微粒構(gòu)成的固體物質(zhì)，它具有穩(wěn)定的物理化

7、學(xué)性質(zhì)，較高的物理強度，較好擴散和滲透能 力、吸附能力和化學(xué)活性，以及良好生物降解性等特點。2生物納M材料的分類生物納M材料有很多種，對此可進行不同的分類。過去人們按材料組成的不 同可分為高分子納 M生物材料、無機納 M生物材料、金屬納 M生物材料和納M 生物復(fù)合材料。若按用途來分，可分為兩類：一類是利用生物分子的特性而發(fā)展 的新型納M材料，它們可能不再被用于生物體、而被用于其他納M技術(shù)或微制造；一類則是適合于生物體內(nèi)應(yīng)用的納 M材料，它本身既可以具有生物活性，也 可以不具有生物活性，而僅僅易于被生物體接受，且不引起不良反應(yīng)，對于這類 納M材料主要有高分子納 M微粒、無機納M微粒及具有特異識別

8、、定向誘導(dǎo)功 能的組織工程納M結(jié)構(gòu)生物材料等等。1而在現(xiàn)在的21世紀，人們已重新從功能上對生物納 M材料進行了分類，其 中有組織工程與再生醫(yī)學(xué)材料、高性能生物診斷納M材料、生物相容性界面材料，以及智能納M藥物基因傳遞材料，這些對于 21世紀來說將會是核心材料。3 1.4生物納M技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀近年來，材料科學(xué)與生物學(xué)之間的交叉領(lǐng)域已成為新的研究前沿。目前，生 物納M技術(shù)是國際生物技術(shù)領(lǐng)域的最前沿的研發(fā)熱點，并且有美國、日本、德國 等發(fā)達國家已將生物納M技術(shù)列入其國家重點發(fā)展領(lǐng)域。尤其在生物醫(yī)用領(lǐng)域， 生物納M技術(shù)迅速發(fā)展，國際上的生物納 M技術(shù)以研究疾病的早期診斷和提高 療效為目標，主要涉及生物

9、納 M材料、藥物和轉(zhuǎn)基因納 M載體、納M生物相容 性人工器官、生物納 M傳感器和成像技術(shù)、利用掃描探針顯微鏡分析蛋白質(zhì)和 DNA的結(jié)構(gòu)和功能等重要領(lǐng)域。對于這些技術(shù)的發(fā)展，不僅得到科研機構(gòu)的支 持，政府也從戰(zhàn)略上高度重視，并投入大量資金，關(guān)注著生物納M技術(shù)的發(fā)展。目前，美國在納 M結(jié)構(gòu)組裝體系、高比表面積納 M顆粒制備與合成，以及 納M生物學(xué)方面處于領(lǐng)先地位。他們將生物醫(yī)藥列為突破重點，如疾病早期檢測 和治療、納M藥物運輸、納M仿生、人機通訊中的納 M技術(shù)等。此外，他們還 用碳納M管做成人工耳蝸式的聽診器、應(yīng)用于組織工程的多肽分子自發(fā)組裝形成 的三維網(wǎng)狀納M纖維、單DNA分子馬達、羥基磷石灰人

10、工骨表面合成肽等。個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用事實上，日本世界上比較早就制定納 M科技計劃的國家，是利用納 M技術(shù) 發(fā)展微型機電系統(tǒng)的最大投資國，他們所實施的納M科技綜合支援計劃”，就希望通過最大限度地發(fā)揮各科研機關(guān)的潛在能力，促進納M技術(shù)的研究發(fā)展，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到更大的發(fā)展。對于中國在生物納 M技術(shù)這塊的研究，在時間上可以說幾乎是與國外同步 的。在1993年，中國科學(xué)院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出中國”兩個字，這兩個字還出現(xiàn)在了學(xué)生的課本上。它的成功標志著中國開始在在國際 納M科技領(lǐng)域的一大進步。近幾年，中國在生物納 M技術(shù)方面發(fā)展的重點內(nèi)容 為：用于治療惡性月中瘤的納 M靶向藥物

11、載體、醫(yī)用生物納 M材料、納M肥料和 農(nóng)藥等。4各國不管做著什么樣的生物納 M研究，總之都是為了人類未來幸福生活而做 著不懈的努力，由此可見對于生物納 M材料進行研究的重要性。二、生物納M材料的研究進展生物納M材料在醫(yī)用領(lǐng)域的研究近年來，經(jīng)過人們不懈的努力，終于在生物納 M材料研究方面取得了一定的進 展，在各個領(lǐng)域都得到了重視，尤其在醫(yī)用領(lǐng)域，生物納 M材料對醫(yī)學(xué)的影響具 有深遠的意義。納M載體1）納M藥物載體在醫(yī)學(xué)上，醫(yī)生們不免會用到納 M載體來運輸藥物，這給患者帶來了很多的福 音。它可以解決口服易水解藥物給藥途徑中存在的問題，是原本只能注射的藥物 可以直接口服而不破壞療效，大大簡化用藥途徑

12、，而且，它還可以延長藥物的體 內(nèi)半衰期，解決因藥物半衰期短而需每天重復(fù)給藥多次的麻煩，并可解決需長期 乃至終生用藥治療的高血壓、冠心病等的用藥問題，同時減少藥物不良反應(yīng)。納M粒作為藥物載體主要有以下一些優(yōu)點：載藥納M粒作為異物可被巨噬細胞吞噬，到達網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)分布集中的肝、脾、肺、骨髓、淋巴等靶部位，以 及連接有配基、抗體、酶底物所在的靶部位。到達靶部位的載藥納M粒，可對載體材料的種類或配進行調(diào)整，控制釋藥速度。由于納M組裝體的小尺寸易于跨越各層次的生物屏障，高表面積易于通過各種物理、化學(xué)和組裝的方式制備生 物締合的納M微粒，提高了藥物口服吸收的生物利用度，實現(xiàn)了細胞和亞細胞層 次的給藥和治療

13、。防止藥物在胃呈酸性條件下水解，并能大大降低藥物與胃蛋 白酶等消化酶接觸的機會，從而提高藥物在胃腸道中的穩(wěn)定性。改變膜運轉(zhuǎn)機 制，增加藥物對生物膜的透過性，有利于藥物透皮吸收與細胞內(nèi)藥效發(fā)揮。載體 分子對環(huán)境敏感因素的引入則可以為實現(xiàn)人為或生物環(huán)境控釋的材料提供可能。5個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用對于近年出現(xiàn)的納 M智能藥物載體，它用數(shù)層納 M粒子包裹的智能藥物進 入人體后可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織。這對于納M藥物載體來說又是一大進步，使其在癌癥治療、疫苗輔劑、細胞內(nèi)靶向給藥、口服用藥、眼科用 藥等方面具有更大的應(yīng)用價值。(2)納M基因載體目前，世界上的多數(shù)人群都患有基因遺傳病，對于他

14、們來說，遺傳病能得到有 效治療是理想的。而此時在醫(yī)學(xué)上的基因療法對遺傳病、月中瘤等多種疾病的治療 作用已取得很大進展。其中，基因載體成了關(guān)鍵因素。理想的基因載體應(yīng)具有高 效、穩(wěn)定、無毒、靶向性好、容易控制等特點。基因?qū)胼d體分為病毒型和非病 毒型兩種，其中納M基因載體則屬于非病毒型基因?qū)胼d體的一類，它無具有免 疫原性、低毒、裝在容量大、且制備容易等特點。曾經(jīng)中南大學(xué)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)國家 重點實驗室薛志剛等研究設(shè)計和使用了一定濃度的硅納M顆粒，并通過用NaI、NCl修飾后與綠色熒光蛋白基因GFP)質(zhì)粒DNA復(fù)合，在保持 DNA完整的情 況下，制成DNA硅納M顆粒復(fù)合體轉(zhuǎn)染細胞，復(fù)合體吸附在細胞膜上并

15、進入細 胞內(nèi)，從而增加了進入細胞內(nèi)DNA的量，提高了基因轉(zhuǎn)染的效率 轉(zhuǎn)染率達50%),同時轉(zhuǎn)染的 GFP基因能有效地表達。近年來用納 M顆粒作為反義寡核 甘酸載體的研究也相當多。反義寡核甘酸與納M顆粒結(jié)合后，可以不受酶的破壞，增加對細胞的通透性，并明顯改變體內(nèi)的分布特征，是在肝臟和肺的分布增 力口。6在基因載體發(fā)展的近幾年，高分子聚合物與 DNA形成的納M基因?qū)胼d體 系統(tǒng)，由于具有安全、低毒、制備容易等優(yōu)點而引起越來越多的關(guān)注，同時在改 善其低轉(zhuǎn)導(dǎo)效率和體內(nèi)穩(wěn)定性等問題方面也取得了重大進展。在以后的未來，相 信人們對非病毒型納M載體的認識和研究會更加深入，結(jié)合病毒型載體，研發(fā)出 更優(yōu)異的基因

16、載體。納M生物器件1)納M生物傳感器目前，對于疾病的檢測大都采用納 M生物傳感器，它是一種探測單個活細胞 的傳感器，探頭尺寸僅為納 M量級，當它插入活細胞時，可探知會導(dǎo)致月中瘤的早 期DNA損傷。在這個傳感器上裝配所要探測的特制DNA序列，在此，DNA鏈是可以導(dǎo)電的，雜交的 DNA所引起的刪除或變化，均起阻礙電流的作用，通過 測量電導(dǎo)的變化可以識別 DNA的異常狀態(tài)。除此之外，納 M生物傳感器還可以 探測基因表達和靶細胞的蛋白質(zhì)生成用于篩選微量藥物，以確定哪種藥物能夠最 有效地阻止細胞內(nèi)致病蛋白的活動。對于生物傳感器來說，就是使待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進入生物活性材料，經(jīng)分 子識別發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)

17、生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)變成可定個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用量和可處理的電信號，在經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度。在生物 傳感器飛速發(fā)展的時代，各種各樣的傳感器也相應(yīng)的出現(xiàn)，包括通過細胞色素c和熒光標記的細胞色素c的熒光檢測來檢驗氮氧化合物的納 M生物傳感器，還有 以酶為基礎(chǔ)的用到谷氨酸的納 M生物傳感器，當谷氨酸結(jié)合在脫氫酶上，DNA還原為NADH ,而NADH的熒光可以被測量。這樣的生物傳感器為神經(jīng)生物學(xué) 研究提供了一種有力的工具，因為谷氨酰胺是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一種重要的神經(jīng)遞 質(zhì)，通過檢測單個細胞產(chǎn)生谷氨酰胺的濃度就有可能使人們更好地理解人體內(nèi)感 覺傳遞的機制。相對來

18、說，納M傳感器比用熒光染料預(yù)處理再檢測的常規(guī)方法在測定亞細胞 水平的化學(xué)物質(zhì)方面更加可靠，而且在細胞中利用納M傳感器不需任何細胞用指示染料便可以測定任意特定區(qū)域。它的發(fā)展在傳統(tǒng)檢測技術(shù)中有著不可比擬的優(yōu) 越性。72）納M生物計算機計算機在人們生活中必不可少，具有重要的地位，將計算機與納M生物結(jié)合起來，人們研究出了納 M生物計算機，目前已是納 M生物學(xué)的一個重要的研究領(lǐng) 域，它的主要目標就是要尋找或創(chuàng)造一些特定的生物分子，并期待這些生物分子 能夠更加快速地完成計算機的基本運算和存儲功能，以代替目前的半導(dǎo)體計算中 央處理器CPU）和存儲器。目前，大多數(shù)納 M生物計算機都是以蛋白質(zhì)分子為 材料，不僅

19、體積小、質(zhì)量輕、能耗小，環(huán)境適應(yīng)性強，而且運算速度和信息儲存 能力比現(xiàn)有的計算機要高出數(shù)億倍，同時還具有和人腦一樣非常優(yōu)越的分析、判 斷、聯(lián)想、記憶等智能。很多國家都已經(jīng)納M生物計算機的研究有了很大的進展，而且很多科學(xué)家也在利用遺傳物質(zhì) DNA研制具有全新概念的DNA生物計算 機，這都是人們未來大力發(fā)展的領(lǐng)域，成為人工智能的重大突破。2納M中藥中國人傳統(tǒng)的治病，就是尋求中醫(yī)，常常會用到中藥，而隨著納M技術(shù)的發(fā)展，也漸漸出現(xiàn)了納 M中藥，同傳統(tǒng)中藥相比，它具有以下一些特點 ：生物 利用度將提高；靶向性增強；具有緩釋功能；不僅可以增強原有的功效， 還可以增加新的功效；提升了傳統(tǒng)給藥途徑；提高了與人

20、體蛋白的相互作用 性；對于納M中藥的研究，還有很多問題需要去解決，應(yīng)致力于納 M藥物基礎(chǔ) 理論及納M中藥制備技術(shù)的研究，不斷發(fā)現(xiàn)其新的功能和藥效，為人類的治病之 路多出一條通道。9生物納M仿生智能材料近年來，隨著智能材料體系的內(nèi)涵不斷擴大，領(lǐng)域逐漸拓寬，仿生技術(shù)與納 M技術(shù)漸漸緊密結(jié)合。生物納 M仿生智能材料的出現(xiàn)，將認識自然、模仿自然、 超越自然有機結(jié)合，將結(jié)構(gòu)及功能的協(xié)同互補有機結(jié)合，對于它的研究主要集中個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用在力學(xué)形變、微結(jié)構(gòu)與功能方面，闡明了生物納M材料的生化過程、力學(xué)形變與運動規(guī)律有助于生物仿生材料的設(shè)計與制造。7對于這方面的研究早已有了很大的進展。在2004年6

21、月，研究人員就用硅材料模仿奧秘亞棕蠅的耳膜，制造出了 適用于超聲波頻段的耳膜原型，并研發(fā)了一種能辨別方向的新型助聽器，它大大 改善了助聽器的使用效果。這里介紹幾種生物納M仿生材料研究出的結(jié)果：1、壁虎：研究人員發(fā)現(xiàn)壁虎的腳具有特殊的粘附力，是因為壁虎的腳底有大量的細毛與物體表面分子之間產(chǎn)生的 范德華力”累積而成的，而且它的腳還具有 抗灰塵能力的自清潔性。研究人員發(fā)現(xiàn)，模仿它 們的微觀結(jié)構(gòu)，就有可能研制出黏合力超強的新 型膠紙，具有異域被揭下、不對物體表面造成損 傷、可反復(fù)使用等優(yōu)點。最近，研究小組還利用 模板覆蓋法制備了陣列聚苯乙烯 PS）納M管 膜，水滴在這種膜表面具有很大的黏附力，即使 倒

22、置或翻轉(zhuǎn)表面水滴也不會滾落。2、荷葉效應(yīng)：荷葉表面的自清潔特征是由粗 圖1）壁虎的腳糙表面上微M結(jié)構(gòu)的乳突以及表面疏水的蠟狀物的存在共同引起的。研究人員根據(jù)荷葉的這種特性制備了具有類荷葉結(jié)構(gòu)及單純具有納M結(jié)構(gòu)的陣列碳納M管胃2的！滯時涿物際3磷MBACNT）薄膜，同時也有研究人員利用類似的方法復(fù)制荷葉表面得到了具有超疏 水性的聚二甲基硅氧烷PDMS）表面，這對人類研究仿生材料有了更大的進展。對于生物納M仿生材料，不僅僅只有這些，還有更多模仿生物特異性能而做 出來的材料，實現(xiàn)了微觀與宏觀的統(tǒng)一，這對人類研究自然具有重大的意義。10三、生物納M材料的應(yīng)用前景隨著生物納M材料在人們生活中逐漸出現(xiàn)，生

23、物納 M技術(shù)也出現(xiàn)了新一波個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用的浪潮，美國、日本、中國等國家也相應(yīng)在國家實驗室、大學(xué)和公司設(shè)立了大量 的納M技術(shù)研究機構(gòu)，雖然生物納 M技術(shù)的發(fā)展仍然集中在基礎(chǔ)研究方面，但 顯示出了其巨大的產(chǎn)業(yè)化潛力，具有相當大的市場潛力。人們還可以從事更多生 物納M材料的研究，在單分子器件和納 M線路、功能化基因篩選及分析等方面 取得更新的進展。在生物醫(yī)學(xué)方面，雖然現(xiàn)在社會的醫(yī)療條件有所提高，但還有很多病癥人類 無法解決，雖然有了生物納 M材料的加入，但在人體內(nèi)，它始終是異物，在體內(nèi) 必定會產(chǎn)生某種應(yīng)答或出現(xiàn)排異現(xiàn)象。對于這方面的研究，人們要想取得成功， 至少要使發(fā)生的反應(yīng)被人體所接受

24、，不產(chǎn)生有害作用，并對人類的疾病起到治療 的作用，這就需要人們對所研究的生物納 M材料進行一定的安全評估。止匕外，對 于如何利用DNA來構(gòu)建分子線路和分子器件以及找出快速、準確地對長片段 DNA上的突變進行檢測的手段、如何獲得很好的生物相容性來說仍是一個大的挑 戰(zhàn)。在充分安全、有效進入臨床應(yīng)用前，如何得到更可靠的納M載體，更準確的靶向物質(zhì)，更有效的治療藥物，更靈敏、操作更方便的傳感器，以及體內(nèi)載體作 用機制的動態(tài)測試與分析方法等一系列問題仍有待于進一步得到解決。生物納M技術(shù)的迅猛發(fā)展，與人類生活和健康息息相關(guān)，使人們對生物納M材料的安全性進行評價的深入研究已經(jīng)成為了當務(wù)之急。在仿生材料方面，2

25、006年2月，我國就公布了國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展 規(guī)劃綱要，其中 智能材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)”就被列為了新材料技術(shù)中的芍藥發(fā)展方 向，可見，仿生材料在人類發(fā)展過程中的重要性，尤其是生物納M仿生智能材料的應(yīng)用將對如何調(diào)整國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)的布局、設(shè)計新產(chǎn)品、形成新的產(chǎn)業(yè)以及 改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面產(chǎn)生深遠影響。結(jié)合大自然的力量，充分利用自然生物的特 征，結(jié)合 七元協(xié)同納M界面材料”，創(chuàng)造出更多的對人類有利的材料，如自愈、 生物活性劑、腐蝕抑制等材料，盡管目前已有了許多仿生材料，但相信經(jīng)過研究 者對微陣列的精心設(shè)計，努力研究，擴大研究范圍，終會研究出更多新型的生物 納M仿生智能材料，給人類創(chuàng)造出一個豐富多彩的功能材料世界。11結(jié)語：生物納M技術(shù)的快速發(fā)展，印證了一個國家科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，印證了人類對 完美的追求。人們都陶醉在生物納 M材料的許多新奇功能以及它將給人類帶來美 好的這樣一種狀態(tài)中，但科技工作者的特殊職業(yè)敏感性促使他們冷靜思考材料對 人類健康潛在的影響，面對一個一個來臨的挑戰(zhàn)，研究者們也始終沒有放棄，他 們還在繼續(xù)努力著。他們知道納 M技術(shù)的最終目的還在于生物本身，用納 M技 術(shù)制造功能性生物材料。