納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

1、納米技能在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用摘要納米技能與生物化學(xué)、分子生物學(xué)整合將對21世紀(jì)的生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)生深化的影響。它將利用生物大分子舉行物質(zhì)的組裝、闡發(fā)與檢測技能的優(yōu)化、并將藥物靶向性與基因治療等研究引入微型、微不雅范疇，用納米生物技能檢測是否患有癌癥只用幾個細(xì)胞。關(guān)鍵詞納米技能；納米生物學(xué)；DNA納米技能20世紀(jì)80年代才開始研究的納米技能在90年代得到了打破性希望。比來美國?貿(mào)易周刊?列出了21世紀(jì)大概獲得龐大打破的三個范疇：一是生命科學(xué)和生物技能；二是從外星球獵取能源；三是納米技能。所謂納米技能(Nantehnlgy)是指在小于100n的量度范疇內(nèi)對物質(zhì)和布局舉行制造的技能，實(shí)在就是一種用單個原子、

2、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技能1。納米技能在新世紀(jì)將鞭策信息技能、生物醫(yī)學(xué)、情況科學(xué)、主動化技能及能源科學(xué)的生長，將極大的影響人類的生存，衣、食、注行、醫(yī)療等方面。本文將圍繞納米技能給21世紀(jì)的生物醫(yī)學(xué)大概帶來影響作一概述。1納米生物學(xué)的研究東西有人把在納米標(biāo)準(zhǔn)(程度)上研究生命征象的生物學(xué)叫做納米生物學(xué)。納米布局通常指尺寸在1n100n范疇的微小布局。1納米即是10-9，即1的十億分之一。我們知道，細(xì)胞具有微米(10-6)量級的空間標(biāo)準(zhǔn)，生物大分子具有納米量級的空間標(biāo)準(zhǔn)。在它們之間的條理是亞細(xì)胞布局，具有幾十到幾百納米量級的空間標(biāo)準(zhǔn)。顯然在納米程度上研究生命征象的納米生物學(xué)，它的研究東西就是亞細(xì)胞布

3、局和生物大分子體系。由于納米微粒的尺寸一樣平常比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅細(xì)胞小得多，這就為生物學(xué)研究提供了一個新的研究途徑即利用納米微粒舉行細(xì)胞疏散、疾病診斷，利用納米微粒制成特別藥物或新型抗體舉行局部定向治療等。2納米技能在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用2.1丈量和操縱生物大分子納米技能與掃描探針顯微鏡(Sanningprbeirspes,SPs)相結(jié)合，便具有了不雅察、制造原子程度物質(zhì)布局的本領(lǐng)，為生物醫(yī)學(xué)事情者提供了直接在亞細(xì)胞程度或分子程度研究生命征象的應(yīng)用遠(yuǎn)景2，3。掃描探針顯微鏡是指利用掃描探針的顯微技能，常用的有掃描隧道顯微鏡(ST,它是SanningTunnelingirspe的簡稱)和原子力顯

4、微鏡(AF,它是AtiFreirspe的簡稱)。ST的原理是利用電子隧道效應(yīng)丈量探針和樣品間微小的間隔，又將探針沿樣品外貌逐點(diǎn)掃描，從而得到樣品外貌各點(diǎn)凹凸升沉的形貌。當(dāng)探針和樣品外貌間的間隔非常近到達(dá)一個納米時，同時在它們之間施加得當(dāng)電壓，在它們之間會形成隧道電流，這就是電子隧道效應(yīng)。這時探針尖端便吸引質(zhì)料的一個原子過來，然后將探針移至預(yù)定位置，去除電壓，使原子從探針上脫落。云云重復(fù)舉行，末了便按方案要求“堆砌出種種微型構(gòu)件。Hafner(1999)等4報(bào)道了碳納米管的制備要領(lǐng)，整個歷程猶如用磚頭蓋屋子一樣。隧道電流的巨細(xì)和探針與外貌間的間隔有關(guān)，因此通過隧道電流的丈量可以確定這間隔的值。S

5、T不雅測的樣品要有導(dǎo)電性，用AF就沒有這種要求。AF的原理是用探針的針尖去“觸摸樣品外貌，將探針沿外貌逐點(diǎn)掃描，針尖隨著樣品外貌的凹凸升沉作上下活動。用光學(xué)要領(lǐng)正確丈量針尖這種上下活動，就可以得到樣品外貌凹凸升沉的圖像。用AF還可以丈量分子間作用力的巨細(xì)以及差異情況中分子間作用力巨細(xì)的變革。掃描探針顯微鏡又是操縱生物大分子的東西。用它們可以改變或拉伸生物大分子，從而研究單個生物大分子的活動學(xué)特性。ST和AF在平行于樣品外貌的標(biāo)的目的上的空間區(qū)分率到達(dá)0.1n。樣品中原子間間隔的量級是0.1n，以是ST和AF的空間區(qū)分率到達(dá)了區(qū)分單個原子的程度。它的時間區(qū)分率取決于要掃描的樣品范疇和像素點(diǎn)數(shù)量，

6、用它們丈量結(jié)實(shí)不雅測點(diǎn)時，時間區(qū)分率到達(dá)ns乃至ps，掃描一幅面積是10n10n的樣品時，中等象素密度的時間區(qū)分率約是1秒5。顯而易見，利用ST、AF等技能，仿佛利用“納米筆一樣，可以把持原子分子，在納米石版印刷術(shù)中布局龐大的圖形和布局6。2.2磁性納米粒子的應(yīng)用德國粹者報(bào)道了含有75%80%鐵氧化物的超順磁多糖納米粒子(200400n)的合成和物理化學(xué)性子7。將它與納米尺寸的Si2彼此作用，進(jìn)步了顆?；w的強(qiáng)度，并舉行了納米磁性顆粒在分子生物學(xué)中的應(yīng)用研究。試驗(yàn)了具有必然比外貌的葡聚糖和二氧化硅加強(qiáng)的納米粒子。鄙人列方面與產(chǎn)業(yè)上可得到的人造磁珠作了比力：DNA主動提純、卵白質(zhì)檢測、疏散和提純

7、、生物物料中逆轉(zhuǎn)錄病毒檢測、內(nèi)毒素掃除和磁性細(xì)胞疏散等。比方在DNA主動提純中，用濃度為25g/L的葡聚糖nanagR和Si2加強(qiáng)的納米粒子懸濁液，到達(dá)了300ng/L的DNA型12KD的非專門DNA鍵合本領(lǐng)。Si2加強(qiáng)的葡聚糖納米粒子的應(yīng)用使配景信號大大削弱。別的，還可以將磁性納米粒子外貌涂覆高分子質(zhì)料后與卵白質(zhì)結(jié)合，作為藥物載體注入到人體內(nèi)，在外加磁場2125103/(A/)作用下，通過納米磁性粒子的磁性導(dǎo)向性，使其向病變部位挪動，從而到達(dá)定向治療的目的。比方1050n的Fe34的磁性粒子外貌包裹甲基丙烯酸，尺寸約為200n，這種亞微米級的粒子攜帶卵白、抗體和藥物可以用于癌癥的診斷和治療。

8、這種局部治療結(jié)果好，副作用少。2.3納米脂質(zhì)體仿生物細(xì)胞的藥物載體脂質(zhì)體Lipse)是一種按時定向藥物載體，屬于靶向給藥體系的一種新劑型。20世紀(jì)60年代，英國BanghaAD起首創(chuàng)造磷脂疏散在水中構(gòu)成由脂質(zhì)雙分子層構(gòu)成的內(nèi)部為水相的關(guān)閉囊泡，由雙分子磷脂類化合物懸浮在水中形成的具有雷同生物膜布局和通透性的雙分子囊泡稱為脂質(zhì)體。70年代初，RahanYE等在生物膜研究的底子上，初次將脂質(zhì)體作為酶和某些藥物的載體。納米脂質(zhì)體作為藥物載體的長處：由磷脂雙分子層包封水相囊泡構(gòu)成，與種種固態(tài)微球藥物載體相區(qū)別，脂質(zhì)體彈性大，生物相容性好；對所載藥物有普及的順應(yīng)性，水溶性藥物載入內(nèi)水相，脂溶性藥物溶于脂

9、膜內(nèi)，兩親性藥物可插于脂膜上，并且同一個脂質(zhì)體中可以同時包載親水和疏水性藥物；磷脂自己是細(xì)胞膜身分，因此納米脂質(zhì)體注入體內(nèi)無毒，生物利用度高，不引起免疫反響；庇護(hù)所載藥物，防范體液對藥物的稀釋，及被體內(nèi)酶的剖析粉碎。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為便利。對脂質(zhì)體外貌舉行修飾，譬如將對特定細(xì)胞具有選擇性或親和性的種種配體組裝于脂質(zhì)體外貌，以到達(dá)尋靶目的。以肝臟為例，納米粒子藥物復(fù)合物可通過被動和主動兩種方法到達(dá)靶向作用：當(dāng)該復(fù)合物被Kupffer細(xì)胞捕獲吞噬，使藥物在肝臟內(nèi)聚攏，然后再漸漸落說明放入血液循環(huán)，使肝臟藥物濃度增長，對別的臟器的副作用淘汰，此為被動靶向作用；當(dāng)納米粒子尺寸充足小約1

10、00150n且外貌覆以特別包被后，便可以逃過Kupffer細(xì)胞的吞噬，靠其毗連的單克隆抗體等物質(zhì)定位于肝本色細(xì)胞發(fā)揮作用，此為主動靶向作用。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動搜刮并打擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷構(gòu)造。納米粒作為運(yùn)送多肽與卵白質(zhì)類藥物的載體是令人煽動的，這不但是由于納米?？筛镄露嚯念愃幬锏乃幋鷦恿W(xué)參數(shù)，并且在必然程度上可以有用地促進(jìn)肽類藥物穿透生物屏蔽。納米粒給藥體系作為多肽與卵白質(zhì)類藥物生長的東西有著非常普及的應(yīng)用遠(yuǎn)景8。2.4DNA納米技能和基因治療DNA納米技能(DNAnantehnlgy)是指以DNA的理化特性為原理方案的納米技能，重要應(yīng)用于分子的組裝。DNA復(fù)制歷程中

11、所表現(xiàn)的堿基的單純性、互補(bǔ)規(guī)那么的恒定性和埋頭性、遺傳信息的多樣性以及構(gòu)象上的特別性和拓?fù)浒邢蛐裕际羌{米技能所必要的方案原理9。如今利用生物大分子已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)納米顆粒的自組裝。將一段單鏈的DNA片斷毗連在13n直徑的納米金顆粒A外貌，再把序列互補(bǔ)的另一種單鏈DNA片斷毗連在納米金顆粒B外貌，將A和B混淆，在DNA雜交條件下，A和B將主動毗連在一起10。利用DNA雙鏈的互補(bǔ)特性，可以實(shí)現(xiàn)納米顆粒的自組裝。利用生物大分子舉行自組裝，有一個明顯的長處：可以提供高度特異性結(jié)合，這在布局龐大體系的自組裝方面是必須的?；蛑委熓侵委煂W(xué)的宏大進(jìn)步，質(zhì)粒DNA插入目的細(xì)胞后，可修復(fù)遺傳錯誤或可產(chǎn)生治療因子(

12、如多肽、卵白質(zhì)、抗原等)。利用納米技能，可使DNA通過主動靶向作用定位于細(xì)胞；將質(zhì)粒DNA濃縮至50200n巨細(xì)且?guī)县?fù)電荷，有助于其對細(xì)胞核的有用入侵；而末了質(zhì)粒DNA插入細(xì)胞核DNA的正確位點(diǎn)那么取決于納米粒子的巨細(xì)和布局。此時的納米粒子是DNA自己所構(gòu)成，但有關(guān)它的物理化學(xué)特性尚有待進(jìn)一步研究12。2.5納米細(xì)胞疏散技能20世紀(jì)80年代初，人們開始利用納米微粒舉行細(xì)胞疏散，創(chuàng)立了用納米Si2微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞疏散的新技能。其根本原理和歷程是：先制備Si2納米微粒，尺寸巨細(xì)操縱在1520n,布局一樣平常為非晶態(tài)，再將其外貌包覆單分子層。包覆層的選擇重要根據(jù)所要疏散的細(xì)胞種類而定，一樣平常選擇與所

13、要疏散細(xì)胞有親和作用的物質(zhì)作為附著層。這種Si2納米粒子包覆后所形成復(fù)合體的尺寸約為30n。第二步是制取含有多種細(xì)胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液，得當(dāng)操縱膠體溶液濃度。第三步是將納米Si2包覆粒子勻稱疏散到含有多種細(xì)胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，再通過離心技能，利用密度梯度原理，使所必要的細(xì)胞很快疏散出來。此要領(lǐng)的長處是：易形成密度梯度；易實(shí)現(xiàn)納米Si2粒子與細(xì)胞的疏散。這是由于納米Si2微粒是屬于無機(jī)玻璃的范疇，性能不變，一樣平常不與膠體溶液和生物溶液反響，既不會沾污生物細(xì)胞，也輕易把它們分開。3生長趨勢跨入21世紀(jì)后的將來二三十年，數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等底子研究的希望將擴(kuò)大納米技能的應(yīng)用范疇，使

14、納米技能與物醫(yī)學(xué)的接洽越發(fā)精細(xì)，其生長趨勢是：生體相容性好的鈦合金等物質(zhì)將漸漸開拓13，并進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段；納米技能與分子生物學(xué)技能相結(jié)合，將有助于展現(xiàn)生物大分子各級布局與成效的破譯；納米生物技能將使藥物的消費(fèi)實(shí)現(xiàn)低本錢、高服從、主動化、大范圍，而藥物的作用將實(shí)現(xiàn)器官靶向化14；納米生物技能應(yīng)用于分子之間的彼此作用、分子復(fù)合物和分子組裝的研究將在病毒布局、細(xì)胞器布局細(xì)節(jié)和自身裝配機(jī)制上獲得希望15；納米生物技能將使生物活性分子診斷、檢測技能向微型、微不雅、微量、微創(chuàng)或無創(chuàng)、快速、及時、遙距、動態(tài)、成效性和智能化的標(biāo)的目的生長。有人猜測，二三十年后，大夫利用納米技能只需檢測幾個細(xì)胞就能斷定出病人

15、是否患上癌癥或斷定胎兒是否有遺傳缺陷。婦女有身8個星期擺布，在血液中開始出現(xiàn)非常少量的胎兒細(xì)胞，用納米微粒很輕易將這些胎兒細(xì)胞疏散出來舉行診斷。在人工器官外表涂上納米粒子可防范移植后的排異反響。利用納米技能的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能通過此中的卵白質(zhì)和DNA診斷出種種疾玻參考文獻(xiàn)1KeahlerT.Nantehnlgy:basineptsanddefinitinsJ.linhe,1994,40(9):1797.2PeriakvNK,AnanianA,SrkviVI,etal.Sanningprbeirspyandedibilgialnantehnlgy:histryandprspets

16、J.ArklPatl,1998,60(5):9.3HEinzF,HhJF.SpatiallyreslvedfrespetrspyfbilgialsurfaesusingatifreirspyJ.TrendsBitehnl,1999,17:143.4HafnerJH,heungL,Lieber.DiretgrthfsinglealledarbnnantubesanningprbeirspytipsJ.JAheS,1999,121:9750.5唐孝威，胡鈞.丈量和操縱生物大分子J.天下科技研究與生長,2000，22(4):16.7許孫曲，徐小妹編譯.用新型二氧化硅加強(qiáng)的磁性納米粒子作分子生物學(xué)研究的東西J.外洋醫(yī)門生物醫(yī)學(xué)工程分冊,2000,23(1)：62.8arinGP,athiitzE.AdvaneddrugdeliveryJ.Revies,1999,35:249.9SeeanN.DNAnantehnlgy:nvelDNAnstrutinsJ.AnnuRevBipgysBilstrut,1998,27:225.10irkinA,LetsingerRL,uiR,etal.ADNAbasedethdfrratinallyasseblingnanpartilesintaerspiaterialsJ