常用的納米生物材料課件

05一月2023常用的納米生物材料28十二月2022常用的納米生物材料1概述光導(dǎo)纖維光通信硅單晶集成電路計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備納米材料納米技術(shù)納米材料廣泛地存在于自然界。材料是一切技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。概述光導(dǎo)纖維光通信硅單晶集成電路計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備納米材料2隕石隕石3鯊魚鯊魚4珊瑚海藻珊瑚珊瑚海藻珊瑚5SugarBeets糖用甜菜SugarBeets6SugarBeetPulpCellulose

20%cellulose,25-30%hemicelluloseand25-35%pectin,sucrose,proteins,lignin,fatIndividualmicrofibrils2-4nmindiameterSugarBeetPulpCellulose20%7BacterialCelluloseAcetobacterxylinumRibbons:rectangularcross-sectionof50x0.8nm300nmBacterialCelluloseAcetobacter8MicrofibrilsizeCottonWoodSugarBeetAlgae海藻Tunicin被囊纖維素MicrofibrilsizeCotton9內(nèi)容納米材料的概念納米材料的特性納米材料的分類常用的納米生物材料典型的納米材料內(nèi)容納米材料的概念納米材料的特性納米材料的分類常用的納10一.概念納米材料是指由尺寸小于100nm（0.1-100nm）的超細(xì)顆粒構(gòu)成的具有小尺寸效應(yīng)的零維、一維、二維材料或由它們作為基本單元構(gòu)成的三維材料的總稱。

材料維數(shù)納米尺度維數(shù)非納米尺度維數(shù)例子0維(量子點(diǎn))301維(量子線)212維(量子阱)12納米粉末納米纖維/管納米膜3維03納米塊體一.概念納米材料是指由尺寸小于100nm（0.11AFMpictureNanoparticlesAFMpictureNanoparticles12常用的納米生物材料課件13Figure1–Nanoaluminafibers

Figure2–Nanoaluminafibers

(noteabsenceofparticulates)(notefibersinforegroundbroughtTheruleis200nmlongintofocus)Theruleis100nmlongFigure1–Nanoaluminafibers14CarbonnanotubesCarbonnanotubes15納米無創(chuàng)注射器納米管陣列納米無創(chuàng)注射器納米管陣列16NanomembraneAFMpictureDetailedstructureNanomembraneAFMpictureDetailedstructureNanomembraneAFMpictureDetaile17二.納米材料的特性

相對于普通材料而言，納米材料由納米粒子（或稱為納米結(jié)構(gòu)單元）組成。納米粒子一般是指尺寸在1—100nm之間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域；從通常的微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)。納米材料由于晶粒極細(xì)，原子大量處于晶界和晶粒內(nèi)的缺陷中心，本身具有表面效應(yīng)、小尺寸/量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，而顯示出許多既不同于微觀的原子、分子，又不同于宏觀物體的奇異的物理、化學(xué)特性，即它的光學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)以及化學(xué)性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。

二.納米材料的特性相對于普通材料而言，納米材181.表面效應(yīng)固體材料表面的原子與內(nèi)部的原子所處的環(huán)境是不同的，當(dāng)材料的粒徑大于原子直徑時(shí)，表面原子可以忽略；但當(dāng)粒徑逐漸接近于原子直徑時(shí)，表面原子的數(shù)目及其作用就不能忽略，而且這時(shí)晶粒的表面積、表面能和表面結(jié)合能等都發(fā)生了很大的變化，人們把由此而引起的種種特異效應(yīng)統(tǒng)稱為表面效應(yīng)。1.表面效應(yīng)固體材料表面的原子與內(nèi)部的原子所處19比表面積↑↑表面原子百分?jǐn)?shù)↑↑納米顆粒的表面能高、活性強(qiáng)顆粒直徑↓

納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。性質(zhì)變化比表面積↑↑表面原子百分?jǐn)?shù)↑↑納米顆粒的表面能高、活性強(qiáng)顆粒20從圖中可以看出，粒徑在10nm以下，表面原子的比例迅速增加。當(dāng)粒徑降到1nm時(shí)，表面原子數(shù)比例達(dá)到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。球形顆粒的比表面積

=S/V=4πг2/（4/3）πг3=3/г從圖中可以看出，粒徑在10nm以下，表面原子的比例迅速增21高表面活性→交聯(lián)或吸附性強(qiáng)Drug/GeneDeliverySystem

藥物/基因轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)吸附在細(xì)胞膜上胞吞作用進(jìn)入細(xì)胞吸附藥物/質(zhì)粒DNA納米粒納米粒-藥物/DNA復(fù)合物高表面活性→交聯(lián)或吸附性強(qiáng)Drug/GeneDel22納米載體-綠色熒光蛋白報(bào)道基因轉(zhuǎn)染細(xì)胞納米載體-綠色熒光蛋白報(bào)道基因轉(zhuǎn)染細(xì)胞23納米粒納米粒納米粒吸附Ab或Ag用于檢測或?qū)蚣夹g(shù)納米粒納米粒納米粒吸附Ab或Ag用于檢測或?qū)蚣夹g(shù)241nm10nm102nm103nm104nm105nmPartsofDNA,VirusCellsProteins,EnzymesNanoparticlesBeadsBIOMAT190802MHNanoparticleAntibodyAntigenOrganicbeadwithinorganicnanoparticlesCellslikemacrophages,lymphocytesetc.1nm10nm102nm103nm104nm105252.小尺寸效應(yīng)

小尺寸效應(yīng)是指

由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化。尺寸變小+比表面積↑↑→新奇的性質(zhì)

光學(xué)熱學(xué)力學(xué)磁學(xué)2.小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)是指由于顆粒尺寸變小所尺寸26由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的。對介于原子、分子與大塊固體之間的納米顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子/小尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體，磁矩的大小與顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長方向的移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。

由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶，27（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)

納米顆粒當(dāng)尺寸小到一定程度時(shí)具有很強(qiáng)的吸光性。金屬納米顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米的厚度就能完全消光。幾乎所有的金屬納米顆粒都可呈現(xiàn)黑色。（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)納米顆粒當(dāng)尺寸小到一定程度時(shí)具有28納米涂料隱形飛機(jī)納米涂料隱形飛機(jī)29（2）特殊的磁學(xué)性質(zhì)納米顆粒的磁性與大塊材料的磁性有顯著的不同，磁性納米顆粒具有高矯頑力。當(dāng)純鐵顆粒尺寸減小到一定程度（二十個(gè)納米）時(shí)，其矯頑力可顯著增加；尺寸減小到6nm時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。

（2）特殊的磁學(xué)性質(zhì)納米顆粒的磁性與大塊材料的磁性30生物磁性納米顆粒生物體內(nèi)磁性超微顆粒---生物磁羅盤生物磁性納米顆粒生物體內(nèi)磁性超微顆粒---生物磁羅盤31磁性阿霉素納米粒在磁場中的定向運(yùn)動(dòng)磁性納米粒運(yùn)動(dòng)軌跡磁性阿霉素納米粒在磁場中的定向運(yùn)動(dòng)磁性納米粒運(yùn)動(dòng)軌跡32常用的納米生物材料課件33磁性納米球用于細(xì)胞分離癌癥診斷磁性納米粒在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用磁性納米球用于細(xì)胞分離磁性納米粒在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用34（3）特殊的熱學(xué)性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)在大尺寸形態(tài)時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。（3）特殊的熱學(xué)性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)在大尺寸形態(tài)時(shí)，其熔點(diǎn)是固35電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。納米顆粒的一些宏觀物理量，如顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等，亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。3.宏觀量子隧道效應(yīng)電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在3.宏觀量子隧道36三.納米材料分類納米粉末：碳酸鈣，白炭黑，氧化鋅納米纖維：納米絲、納米棒、納米管納米膜：超薄膜、多層膜、超晶格納米液體材料納米塊體:納米Cu的塊體材料材料的形態(tài)三.納米材料分類納米粉末：碳酸鈣，白炭黑，氧化鋅納米纖維：37物理性能納米半導(dǎo)體納米磁性材料納米非線性光學(xué)材料納米鐵電體納米超導(dǎo)材料納米熱電材料物理性能納米半導(dǎo)體38化學(xué)結(jié)構(gòu)納米金屬納米晶體納米陶瓷納米玻璃納米高分子材料納米復(fù)合材料化學(xué)結(jié)構(gòu)納米金屬39應(yīng)用納米電子材料納米光電子材料納米生物醫(yī)學(xué)材料納米敏感材料納米儲(chǔ)能材料應(yīng)用納米電子材料40四.納米生物材料的制備固相法反應(yīng)物的聚合狀態(tài)液相法氣相法納米顆粒的作用受其尺寸、形貌和結(jié)構(gòu)的影響。不是所有納米尺寸的顆粒都能起作用，納米顆粒的尺寸也不是越小越好；特定的技術(shù)領(lǐng)域需要特定尺寸、大小均一的納米顆粒才能發(fā)揮最佳效果。四.納米生物材料的制備41四.幾種典型的納米材料

1.納米顆粒型材料應(yīng)用時(shí)直接使用納米顆粒的材料稱為納米顆粒型材料。

納米金屬磁粉

→高密度金屬磁帶、磁盤

超微顆粒催化劑

鎳和鋼-鋅合金的超微顆粒，超細(xì)鐵粉

磁性納米顆粒

→藥劑的載體

四.幾種典型的納米材料1.納米顆粒型材料應(yīng)用時(shí)直接使用納米42納米金顆粒

→金溶膠+Ag/Ab→間接凝集試驗(yàn)(快速診斷)超細(xì)的銀/鎳粉輕燒結(jié)體

→電池的電極

納米隱身涂料→軍事（吸波特性，波的反射率↓↓）

納米金顆?！鹑苣z+Ag/Ab→間接凝集試驗(yàn)超細(xì)的432.納米固體材料

●納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。

●主要特征是具有巨大的顆粒間界面，原子的擴(kuò)散系數(shù)大大提高，使得納米材料具有高韌性。

2.納米固體材料●納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超44普通陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但又具有脆性和難以加工等缺點(diǎn)。

納米陶瓷—增加韌性，改善脆性

復(fù)合納米固體材料金屬陶瓷：含有20％超微鉆顆粒---火箭噴氣口的耐高溫材料金屬鋁中含進(jìn)少量的納米陶瓷顆粒---重量輕、強(qiáng)度高、韌性好、耐熱性強(qiáng)的新型結(jié)構(gòu)材料。

普通陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但又具有脆性和難45漸變功能材料：成分緩慢連續(xù)地發(fā)生變化的材料。耐高溫陶瓷表面→陶瓷與金屬的復(fù)合體→導(dǎo)熱性好的金屬（與冷卻系統(tǒng)相接觸）用途：航天飛機(jī)隔熱材料、核聚變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料；人造器官漸變功能材料：成分緩慢連續(xù)地發(fā)生變化的材料。463.納米膜材料

顆粒膜材料是指將顆粒嵌于薄膜中所生成的復(fù)合薄膜。

通常選用兩種在高溫互不相溶的組分制成復(fù)合靶材，在基片上生成復(fù)合膜，當(dāng)兩組份的比例大致相當(dāng)時(shí),就生成迷陣狀的復(fù)合膜，因此改變原始靶材中兩種組份的比例可以很方便地改變顆粒膜中的顆粒大小與形態(tài)，從而控制膜的特性。如對金屬與非金屬復(fù)合膜，改變組成比例可使膜的導(dǎo)電性質(zhì)從金屬導(dǎo)電型轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。3.納米膜材料顆粒膜材料是指將顆粒嵌于薄膜中所生成的復(fù)合薄47金顆粒膜→紅外線傳感元件

氧化錫顆粒膜

→氣體一濕度多功能傳感器

鉻—三氧化二鉻顆粒膜—吸收太陽光，將太陽光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮茴w粒膜傳感器的優(yōu)點(diǎn)是高靈敏度、高響應(yīng)速度、高精度、低能耗和小型化。金顆粒膜→紅外線傳感元件氧化錫顆粒膜→氣體一濕度多功能484.納米磁性液體材料

磁性液體是由超細(xì)微粒包覆一層長鍵的有機(jī)表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。

特點(diǎn)：可以在外磁場作用下整體地運(yùn)動(dòng)。金屬磁性微粒制成的磁性液體

用途：（1）旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)密封

（2）提高揚(yáng)聲器輸出功率（3）各種阻尼器件

（4）分離不同比重的非磁性金屬與礦物

4.納米磁性液體材料磁性液體是由超細(xì)微粒包覆一層長鍵的49五.納米生物醫(yī)用材料及其應(yīng)用1.細(xì)胞分離用納米材料利用納米復(fù)合粒子性能穩(wěn)定、不與膠體溶液反應(yīng)且易實(shí)現(xiàn)與細(xì)胞分離等特點(diǎn),可將納米粒子應(yīng)用于診療中進(jìn)行細(xì)胞分離。

五.納米生物醫(yī)用材料及其應(yīng)用1.細(xì)胞分離用納米材料50美國科學(xué)家用納米SiO2微粒很容易將懷孕8星期左右婦女的血樣中極少量的胎兒細(xì)胞分離出來,并能準(zhǔn)確地判斷是否有遺傳缺陷；挪威工科大學(xué)的研究人員,利用納米磁性粒子成功地進(jìn)行了人體骨骼液中腫瘤細(xì)胞的分離；利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離技術(shù)很可能在腫瘤早期從血液中檢查出癌細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。

美國科學(xué)家用納米SiO2微粒很容易將懷孕8星期左右婦女的51利用不同抗體對細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和力的顯著差異,選擇抗體種類，將納米金粒子與預(yù)先精制的抗體或單克隆抗體混合,制備成多種納米金/抗體復(fù)合物。

2.用于細(xì)胞內(nèi)部染色的納米材料利用不同抗體對細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和52借助復(fù)合粒子分別與細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復(fù)合物,在白光或單色光照射下呈現(xiàn)某種特征顏色(如10nm的金粒子在光學(xué)顯微鏡下呈紅色),從而給各種組合“貼上”了不同顏色的標(biāo)簽,因而為提高細(xì)胞內(nèi)組織的分辨率提供了一種急需的染色技術(shù)。借助復(fù)合粒子分別與細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復(fù)53應(yīng)用不同的材料制備納米顆粒并通過改變其大小和形狀可以改變納米顆粒的光散射性質(zhì)。以此為基礎(chǔ)可制備多種顏色的納米顆粒標(biāo)簽。改變納米顆粒的形狀不僅可以改變其光散射特征，還可以改變其他特征如產(chǎn)生諧波等。例如：球形納米銀顆粒不散射紅光，而棱柱形納米銀顆粒卻呈紅色。應(yīng)用不同的材料制備納米顆粒并通過改變其大小和形54常用的納米生物材料課件55這些不同顏色的納米顆粒標(biāo)簽表面包被細(xì)胞特異性抗體/配體后，可進(jìn)行組織/細(xì)胞染色或標(biāo)記、疾病的診斷及示蹤技術(shù)。這些不同顏色的納米顆粒標(biāo)簽表面包被細(xì)胞特異性563.納米藥物控釋材料納米粒子不但具有能穿過組織間隙并被細(xì)胞吸收、可通過人體最小的毛細(xì)血管、甚至可通過血腦屏障等特性,而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實(shí)現(xiàn)口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑等許多優(yōu)點(diǎn)。

3.納米藥物控釋材料納米粒子不但具有能穿過組織間隙并被細(xì)57載地塞米松的乳酸-乙酸納米粒子

→有效治療動(dòng)脈再狹窄

聚乙烯吡咯烷酮包覆紫松醇

→納米粒子抗癌新藥

聚氰基丙烯酸己酯包覆胰島素

→延長作用時(shí)間，提高療效載抗增生藥物的乳酸-乙醇酸納米粒子

→有效防止冠狀動(dòng)脈再狹窄

載地塞米松的乳酸-乙酸納米粒子→有效治療動(dòng)脈再狹窄聚乙烯584.納米抗菌材料及創(chuàng)傷敷料利用Ａｇ+可使細(xì)胞膜上的蛋白失活,從而殺死細(xì)菌。

利用該類材料的光催化作用,與Ｈ2Ｏ反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的羥基以殺死病菌

ZnO、TiO2等光觸媒型納米抗菌材料Ａｇ+系抗菌材料:

4.納米抗菌材料及創(chuàng)傷敷料利用Ａｇ+可使細(xì)胞膜上的蛋白失活,59內(nèi)部有特殊的結(jié)構(gòu)而帶有不飽和的負(fù)電荷,具有強(qiáng)烈的陽離子交換能力,對病菌、細(xì)菌有強(qiáng)的吸附固定作用,從而起到抗菌作用。Ｃ-18Ａ°納米蒙脫土等無機(jī)材料殼聚糖等高分子聚合物內(nèi)部有特殊的結(jié)構(gòu)而帶有不飽和的負(fù)電荷,具有強(qiáng)烈的陽離子交換能60Figure.AFMsofS.choleraesuiscellsaftertreatmentwithchitosannanoparticlesfordifferenttime.30min1h1.5h2h3huntreatedFigure.AFMsofS.choleraesui615.納米顆粒中藥及保健品納米級(jí)中藥粒子——可溶于水,有效提高藥物利用率

——口服膠囊、口服液或膏藥

納米膠囊或納米粒子懸浮液保健品

——↓毒性，↑活性（硒旺膠囊）5.納米顆粒中藥及保健品納米級(jí)中藥粒子——可溶于水,有626.

納米醫(yī)用陶瓷納米陶瓷在人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒以及牙種植體、耳聽骨修復(fù)體等人工器官制造及臨床應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

納米級(jí)羥基磷灰石復(fù)合材料

聚酰胺/納米HA晶體生物活性材料ZrO2的納米羥基磷灰石復(fù)合材料

納米TiO2

/聚合物復(fù)合材料

6.納米醫(yī)用陶瓷納米陶瓷在人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒以及牙種63納米磷酸鈣/膠原基骨材料

圖1.納米磷酸鈣/膠原的TEM可知磷酸鈣/膠原層間距為11.7nm與骨組織里的7.1nm十分接近，均為一種傾斜的層狀結(jié)構(gòu)。圖2.納米磷酸鈣/膠原基骨材料SEM可知納米磷酸鈣膠原基骨材料的多孔結(jié)構(gòu)與天然松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)相同，有利于細(xì)胞的長入和營養(yǎng)物質(zhì)的交換，使得該材料具有優(yōu)良的生物相容性和可降解性。納米磷酸鈣/膠原基骨材料圖1.納米磷酸鈣/膠原的TEM64圖3活性仿生人工骨植入24周,骨缺損完全連接

在犬橈骨20mm節(jié)段性骨缺損實(shí)驗(yàn)中，第四周就骨皮質(zhì)基本連接，24周骨缺損完全連接。圖3活性仿生人工骨植入24周,骨缺損完全連接在657.納米生物活性材料

鈣鹽納米ＳｉＯ2/聚合物復(fù)合材料:

在人體液中放置1周后,可以觀察到其表面有羥基磷灰石層形成。

含鈦硅的納米復(fù)合材料：具有優(yōu)良的透光率、氧氣透過率和吸濕性,是理想的隱形眼鏡材料。

7.納米生物活性材料鈣鹽納米ＳｉＯ2/聚合物復(fù)合材料:66聚氨酯材料：因其良好的生物相容性和優(yōu)異的力學(xué)性能常用來制作血管移植物、介入導(dǎo)管、心臟輔助循環(huán)體系及人工心臟等。

納米微孔ＳｉＯ2玻璃：可用作微孔反應(yīng)器、功能性分子吸附劑、生物酶催化劑及藥物控釋體系的載體等。

聚氨酯材料：因其良好的生物相容性和優(yōu)異的力學(xué)性能常用來制作67六.當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和技術(shù)前沿▲納米組裝材料（碳納米管）▲高性能納米結(jié)構(gòu)材料（納米陶瓷，納米復(fù)合材料）▲納米涂層材料的設(shè)計(jì)與合成▲納米電子器件的研制（單電子晶體管，納米激光器，納米開關(guān)等）▲C60超高密度信息存儲(chǔ)材料六.當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和技術(shù)前沿▲納米組裝材料（碳納米管）68七.我國納米材料研究的重大成果大面積定向碳管陣列合成

超長納米碳管制備

氮化嫁納米棒制備

硅襯底上碳納米管陣列研制成功

唯一維納米絲和納米電纜

用苯熱法制備納米氮化像微晶

用催化熱解法制成納米金剛石

七.我國納米材料研究的重大成果大面積定向碳管陣列合成69ThankYouThankYou70EndEnd7105一月2023常用的納米生物材料28十二月2022常用的納米生物材料72概述光導(dǎo)纖維光通信硅單晶集成電路計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備納米材料納米技術(shù)納米材料廣泛地存在于自然界。材料是一切技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。概述光導(dǎo)纖維光通信硅單晶集成電路計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備納米材料73隕石隕石74鯊魚鯊魚75珊瑚海藻珊瑚珊瑚海藻珊瑚76SugarBeets糖用甜菜SugarBeets77SugarBeetPulpCellulose

20%cellulose,25-30%hemicelluloseand25-35%pectin,sucrose,proteins,lignin,fatIndividualmicrofibrils2-4nmindiameterSugarBeetPulpCellulose20%78BacterialCelluloseAcetobacterxylinumRibbons:rectangularcross-sectionof50x0.8nm300nmBacterialCelluloseAcetobacter79MicrofibrilsizeCottonWoodSugarBeetAlgae海藻Tunicin被囊纖維素MicrofibrilsizeCotton80內(nèi)容納米材料的概念納米材料的特性納米材料的分類常用的納米生物材料典型的納米材料內(nèi)容納米材料的概念納米材料的特性納米材料的分類常用的納81一.概念納米材料是指由尺寸小于100nm（0.1-100nm）的超細(xì)顆粒構(gòu)成的具有小尺寸效應(yīng)的零維、一維、二維材料或由它們作為基本單元構(gòu)成的三維材料的總稱。

材料維數(shù)納米尺度維數(shù)非納米尺度維數(shù)例子0維(量子點(diǎn))301維(量子線)212維(量子阱)12納米粉末納米纖維/管納米膜3維03納米塊體一.概念納米材料是指由尺寸小于100nm（0.82AFMpictureNanoparticlesAFMpictureNanoparticles83常用的納米生物材料課件84Figure1–Nanoaluminafibers

Figure2–Nanoaluminafibers

(noteabsenceofparticulates)(notefibersinforegroundbroughtTheruleis200nmlongintofocus)Theruleis100nmlongFigure1–Nanoaluminafibers85CarbonnanotubesCarbonnanotubes86納米無創(chuàng)注射器納米管陣列納米無創(chuàng)注射器納米管陣列87NanomembraneAFMpictureDetailedstructureNanomembraneAFMpictureDetailedstructureNanomembraneAFMpictureDetaile88二.納米材料的特性

相對于普通材料而言，納米材料由納米粒子（或稱為納米結(jié)構(gòu)單元）組成。納米粒子一般是指尺寸在1—100nm之間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域；從通常的微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)。納米材料由于晶粒極細(xì)，原子大量處于晶界和晶粒內(nèi)的缺陷中心，本身具有表面效應(yīng)、小尺寸/量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，而顯示出許多既不同于微觀的原子、分子，又不同于宏觀物體的奇異的物理、化學(xué)特性，即它的光學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)以及化學(xué)性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。

二.納米材料的特性相對于普通材料而言，納米材891.表面效應(yīng)固體材料表面的原子與內(nèi)部的原子所處的環(huán)境是不同的，當(dāng)材料的粒徑大于原子直徑時(shí)，表面原子可以忽略；但當(dāng)粒徑逐漸接近于原子直徑時(shí)，表面原子的數(shù)目及其作用就不能忽略，而且這時(shí)晶粒的表面積、表面能和表面結(jié)合能等都發(fā)生了很大的變化，人們把由此而引起的種種特異效應(yīng)統(tǒng)稱為表面效應(yīng)。1.表面效應(yīng)固體材料表面的原子與內(nèi)部的原子所處90比表面積↑↑表面原子百分?jǐn)?shù)↑↑納米顆粒的表面能高、活性強(qiáng)顆粒直徑↓

納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。性質(zhì)變化比表面積↑↑表面原子百分?jǐn)?shù)↑↑納米顆粒的表面能高、活性強(qiáng)顆粒91從圖中可以看出，粒徑在10nm以下，表面原子的比例迅速增加。當(dāng)粒徑降到1nm時(shí)，表面原子數(shù)比例達(dá)到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。球形顆粒的比表面積

=S/V=4πг2/（4/3）πг3=3/г從圖中可以看出，粒徑在10nm以下，表面原子的比例迅速增92高表面活性→交聯(lián)或吸附性強(qiáng)Drug/GeneDeliverySystem

藥物/基因轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)吸附在細(xì)胞膜上胞吞作用進(jìn)入細(xì)胞吸附藥物/質(zhì)粒DNA納米粒納米粒-藥物/DNA復(fù)合物高表面活性→交聯(lián)或吸附性強(qiáng)Drug/GeneDel93納米載體-綠色熒光蛋白報(bào)道基因轉(zhuǎn)染細(xì)胞納米載體-綠色熒光蛋白報(bào)道基因轉(zhuǎn)染細(xì)胞94納米粒納米粒納米粒吸附Ab或Ag用于檢測或?qū)蚣夹g(shù)納米粒納米粒納米粒吸附Ab或Ag用于檢測或?qū)蚣夹g(shù)951nm10nm102nm103nm104nm105nmPartsofDNA,VirusCellsProteins,EnzymesNanoparticlesBeadsBIOMAT190802MHNanoparticleAntibodyAntigenOrganicbeadwithinorganicnanoparticlesCellslikemacrophages,lymphocytesetc.1nm10nm102nm103nm104nm105962.小尺寸效應(yīng)

小尺寸效應(yīng)是指

由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化。尺寸變小+比表面積↑↑→新奇的性質(zhì)

光學(xué)熱學(xué)力學(xué)磁學(xué)2.小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)是指由于顆粒尺寸變小所尺寸97由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的。對介于原子、分子與大塊固體之間的納米顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子/小尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體，磁矩的大小與顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長方向的移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。

由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶，98（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)

納米顆粒當(dāng)尺寸小到一定程度時(shí)具有很強(qiáng)的吸光性。金屬納米顆粒對光的反射率很低，通常可低于l％，大約幾微米的厚度就能完全消光。幾乎所有的金屬納米顆粒都可呈現(xiàn)黑色。（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)納米顆粒當(dāng)尺寸小到一定程度時(shí)具有99納米涂料隱形飛機(jī)納米涂料隱形飛機(jī)100（2）特殊的磁學(xué)性質(zhì)納米顆粒的磁性與大塊材料的磁性有顯著的不同，磁性納米顆粒具有高矯頑力。當(dāng)純鐵顆粒尺寸減小到一定程度（二十個(gè)納米）時(shí)，其矯頑力可顯著增加；尺寸減小到6nm時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。

（2）特殊的磁學(xué)性質(zhì)納米顆粒的磁性與大塊材料的磁性101生物磁性納米顆粒生物體內(nèi)磁性超微顆粒---生物磁羅盤生物磁性納米顆粒生物體內(nèi)磁性超微顆粒---生物磁羅盤102磁性阿霉素納米粒在磁場中的定向運(yùn)動(dòng)磁性納米粒運(yùn)動(dòng)軌跡磁性阿霉素納米粒在磁場中的定向運(yùn)動(dòng)磁性納米粒運(yùn)動(dòng)軌跡103常用的納米生物材料課件104磁性納米球用于細(xì)胞分離癌癥診斷磁性納米粒在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用磁性納米球用于細(xì)胞分離磁性納米粒在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用105（3）特殊的熱學(xué)性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)在大尺寸形態(tài)時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。（3）特殊的熱學(xué)性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)在大尺寸形態(tài)時(shí)，其熔點(diǎn)是固106電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。納米顆粒的一些宏觀物理量，如顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等，亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。3.宏觀量子隧道效應(yīng)電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在3.宏觀量子隧道107三.納米材料分類納米粉末：碳酸鈣，白炭黑，氧化鋅納米纖維：納米絲、納米棒、納米管納米膜：超薄膜、多層膜、超晶格納米液體材料納米塊體:納米Cu的塊體材料材料的形態(tài)三.納米材料分類納米粉末：碳酸鈣，白炭黑，氧化鋅納米纖維：108物理性能納米半導(dǎo)體納米磁性材料納米非線性光學(xué)材料納米鐵電體納米超導(dǎo)材料納米熱電材料物理性能納米半導(dǎo)體109化學(xué)結(jié)構(gòu)納米金屬納米晶體納米陶瓷納米玻璃納米高分子材料納米復(fù)合材料化學(xué)結(jié)構(gòu)納米金屬110應(yīng)用納米電子材料納米光電子材料納米生物醫(yī)學(xué)材料納米敏感材料納米儲(chǔ)能材料應(yīng)用納米電子材料111四.納米生物材料的制備固相法反應(yīng)物的聚合狀態(tài)液相法氣相法納米顆粒的作用受其尺寸、形貌和結(jié)構(gòu)的影響。不是所有納米尺寸的顆粒都能起作用，納米顆粒的尺寸也不是越小越好；特定的技術(shù)領(lǐng)域需要特定尺寸、大小均一的納米顆粒才能發(fā)揮最佳效果。四.納米生物材料的制備112四.幾種典型的納米材料

1.納米顆粒型材料應(yīng)用時(shí)直接使用納米顆粒的材料稱為納米顆粒型材料。

納米金屬磁粉

→高密度金屬磁帶、磁盤

超微顆粒催化劑

鎳和鋼-鋅合金的超微顆粒，超細(xì)鐵粉

磁性納米顆粒

→藥劑的載體

四.幾種典型的納米材料1.納米顆粒型材料應(yīng)用時(shí)直接使用納米113納米金顆粒

→金溶膠+Ag/Ab→間接凝集試驗(yàn)(快速診斷)超細(xì)的銀/鎳粉輕燒結(jié)體

→電池的電極

納米隱身涂料→軍事（吸波特性，波的反射率↓↓）

納米金顆粒→金溶膠+Ag/Ab→間接凝集試驗(yàn)超細(xì)的1142.納米固體材料

●納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。

●主要特征是具有巨大的顆粒間界面，原子的擴(kuò)散系數(shù)大大提高，使得納米材料具有高韌性。

2.納米固體材料●納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超115普通陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但又具有脆性和難以加工等缺點(diǎn)。

納米陶瓷—增加韌性，改善脆性

復(fù)合納米固體材料金屬陶瓷：含有20％超微鉆顆粒---火箭噴氣口的耐高溫材料金屬鋁中含進(jìn)少量的納米陶瓷顆粒---重量輕、強(qiáng)度高、韌性好、耐熱性強(qiáng)的新型結(jié)構(gòu)材料。

普通陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但又具有脆性和難116漸變功能材料：成分緩慢連續(xù)地發(fā)生變化的材料。耐高溫陶瓷表面→陶瓷與金屬的復(fù)合體→導(dǎo)熱性好的金屬（與冷卻系統(tǒng)相接觸）用途：航天飛機(jī)隔熱材料、核聚變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料；人造器官漸變功能材料：成分緩慢連續(xù)地發(fā)生變化的材料。1173.納米膜材料

顆粒膜材料是指將顆粒嵌于薄膜中所生成的復(fù)合薄膜。

通常選用兩種在高溫互不相溶的組分制成復(fù)合靶材，在基片上生成復(fù)合膜，當(dāng)兩組份的比例大致相當(dāng)時(shí),就生成迷陣狀的復(fù)合膜，因此改變原始靶材中兩種組份的比例可以很方便地改變顆粒膜中的顆粒大小與形態(tài)，從而控制膜的特性。如對金屬與非金屬復(fù)合膜，改變組成比例可使膜的導(dǎo)電性質(zhì)從金屬導(dǎo)電型轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。3.納米膜材料顆粒膜材料是指將顆粒嵌于薄膜中所生成的復(fù)合薄118金顆粒膜→紅外線傳感元件

氧化錫顆粒膜

→氣體一濕度多功能傳感器

鉻—三氧化二鉻顆粒膜—吸收太陽光，將太陽光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮茴w粒膜傳感器的優(yōu)點(diǎn)是高靈敏度、高響應(yīng)速度、高精度、低能耗和小型化。金顆粒膜→紅外線傳感元件氧化錫顆粒膜→氣體一濕度多功能1194.納米磁性液體材料

磁性液體是由超細(xì)微粒包覆一層長鍵的有機(jī)表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。

特點(diǎn)：可以在外磁場作用下整體地運(yùn)動(dòng)。金屬磁性微粒制成的磁性液體

用途：（1）旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)密封

（2）提高揚(yáng)聲器輸出功率（3）各種阻尼器件

（4）分離不同比重的非磁性金屬與礦物

4.納米磁性液體材料磁性液體是由超細(xì)微粒包覆一層長鍵的120五.納米生物醫(yī)用材料及其應(yīng)用1.細(xì)胞分離用納米材料利用納米復(fù)合粒子性能穩(wěn)定、不與膠體溶液反應(yīng)且易實(shí)現(xiàn)與細(xì)胞分離等特點(diǎn),可將納米粒子應(yīng)用于診療中進(jìn)行細(xì)胞分離。

五.納米生物醫(yī)用材料及其應(yīng)用1.細(xì)胞分離用納米材料121美國科學(xué)家用納米SiO2微粒很容易將懷孕8星期左右婦女的血樣中極少量的胎兒細(xì)胞分離出來,并能準(zhǔn)確地判斷是否有遺傳缺陷；挪威工科大學(xué)的研究人員,利用納米磁性粒子成功地進(jìn)行了人體骨骼液中腫瘤細(xì)胞的分離；利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離技術(shù)很可能在腫瘤早期從血液中檢查出癌細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。

美國科學(xué)家用納米SiO2微粒很容易將懷孕8星期左右婦女的122利用不同抗體對細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和力的顯著差異,選擇抗體種類，將納米金粒子與預(yù)先精制的抗體或單克隆抗體混合,制備成多種納米金/抗體復(fù)合物。

2.用于細(xì)胞內(nèi)部染色的納米材料利用不同抗體對細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和123借助復(fù)合粒子分別與細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復(fù)合物,在白光或單色光照射下呈現(xiàn)某種特征顏色(如10nm的金粒子在光學(xué)顯微鏡下呈紅色),從而給各種組合“貼上”了不同顏色的標(biāo)簽,因而為提高細(xì)胞內(nèi)組織的分辨率提供了一種急需的染色技術(shù)。借助復(fù)合粒子分別與細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復(fù)124應(yīng)用不同的材料制備納米顆粒并通過改變其大小和形狀可以改變納米顆粒的光散射性質(zhì)。以此為基礎(chǔ)可制備多種顏色的納米顆粒標(biāo)簽。改變納米顆粒的形狀不僅可以改變其光散射特征，還可以改變其他特征如產(chǎn)生諧波等。例如：球形納米銀顆粒不散射紅光，而棱柱形納米銀顆粒卻呈紅色。應(yīng)用不同的材料制備納米顆粒并通過改變其大小和形125常用的納米生物材料課件126這些不同顏色的納米顆粒標(biāo)簽表面包被細(xì)胞特異性抗體/配體后，可進(jìn)行組織/細(xì)胞染色或標(biāo)記、疾病的診斷及示蹤技術(shù)。這些不同顏色的納米顆粒標(biāo)簽表面包被細(xì)胞特異性1273.納米藥物控釋材料納米粒子不但具有能穿過組織間隙并被細(xì)胞吸收、可通過人體最小的毛細(xì)血管、甚至可通過血腦屏障等特性,而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實(shí)現(xiàn)口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑等許多優(yōu)點(diǎn)。

3.納米藥物控釋材料納米粒子不但具有能穿過組織間隙并被細(xì)128載地塞米松的乳酸-乙酸納米粒子

→有效治療動(dòng)脈再狹窄

聚乙烯吡咯烷酮包覆紫松醇

→納米粒子抗癌新藥

聚氰基丙烯酸己酯包覆胰島素

→延長作用時(shí)間，提高療效載抗增生藥物的乳酸-乙醇酸納米粒子

→有效防止冠狀動(dòng)脈再狹窄

載地塞米松的乳酸-乙酸納米粒子→有效治療動(dòng)脈再狹窄聚乙烯1294.納米抗菌材料及創(chuàng)傷敷料利用Ａｇ+可使細(xì)胞