纳米生物材料学

第三章纳米生物材料Nanobiomaterials卫生部肝胆肠外科研究中心罗育林概述光导纤维光通信硅单晶集成电路计算机和电子设备纳米材料纳米技术纳米材料广泛地存在于自然界。材料是一切技术的物质基础。陨石鲨鱼珊瑚海藻珊瑚SugarBeets糖用甜菜SugarBeetPulpCellulose20%cellulose,25-30%hemicelluloseand25-35%pectin,sucrose,proteins,lignin,fatIndividualmicrofibrils2-4nmindiameterBacterialCelluloseAcetobacterxylinumRibbons:rectangularcross-sectionof50x0.8nm300nmMicrofibrilsizeCottonWoodSugarBeetAlgae海藻Tunicin被囊纤维素纳米材料的概念纳米材料的特性纳米材料的分类常用的纳米生物材料典型的纳米材料一.概念纳米材料是指由尺寸小于100nm（0.1-100nm）的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维材料或由它们作为基本单元构成的三维材料的总称。材料维数纳米尺度维数非纳米尺度维数例子0维(量子点)301维(量子线)212维(量子阱)12纳米粉末纳米纤维/管纳米膜3维03纳米块体AFMpictureNanoparticles8.gifFigure1–NanoaluminafibersFigure2–Nanoaluminafibers(noteabsenceofparticulates)(notefibersinforegroundbroughtTheruleis200nmlongintofocus)Theruleis100nmlongCarbonnanotubes纳米无创注射器纳米管阵列NanomembraneAFMpictureDetailedstructureNanomembraneAFMpictureDetailedstructure二.纳米材料的特性相对于普通材料而言，纳米材料由纳米粒子（或称为纳米结构单元）组成。纳米粒子一般是指尺寸在1—100nm之间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域；从通常的微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。纳米材料由于晶粒极细，原子大量处于晶界和晶粒内的缺陷中心，本身具有表面效应、小尺寸/量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，而显示出许多既不同于微观的原子、分子，又不同于宏观物体的奇异的物理、化学特性，即它的光学、磁学、力学、热学、电学以及化学性质和大块固体时相比将会有显著的不同。1.表面效应固体材料表面的原子与内部的原子所处的环境是不同的，当材料的粒径大于原子直径时，表面原子可以忽略；但当粒径逐渐接近于原子直径时，表面原子的数目及其作用就不能忽略，而且这时晶粒的表面积、表面能和表面结合能等都发生了很大的变化，人们把由此而引起的种种特异效应统称为表面效应。比表面积↑↑表面原子百分数↑↑纳米颗粒的表面能高、活性强颗粒直径↓纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。性质变化从图中可以看出，粒径在10nm以下，表面原子的比例迅速增加。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。球形颗粒的比表面积=S/V=4πг2/（4/3）πг3=3/г高表面活性→交联或吸附性强Drug/GeneDeliverySystem药物/基因转运系统吸附在细胞膜上胞吞作用进入细胞吸附药物/质粒DNA纳米粒纳米粒-药物/DNA复合物纳米载体-绿色荧光蛋白报道基因转染细胞纳米粒纳米粒纳米粒吸附Ab或Ag用于检测或导向技术1nm10nm102nm103nm104nm105nmPartsofDNA,VirusCellsProteins,EnzymesNanoparticlesBeadsBIOMAT190802MHNanoparticleAntibodyAntigenOrganicbeadwithinorganicnanoparticlesCellslikemacrophages,lymphocytesetc.2.小尺寸效应小尺寸效应是指由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化。尺寸变小+比表面积↑↑→新奇的性质光学热学力学磁学由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的。对介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子/小尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。（1）特殊的光学性质纳米颗粒当尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性。金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。几乎所有的金属纳米颗粒都可呈现黑色。纳米涂料隐形飞机（2）特殊的磁学性质纳米颗粒的磁性与大块材料的磁性有显著的不同，磁性纳米颗粒具有高矫顽力。当纯铁颗粒尺寸减小到一定程度（二十个纳米）时，其矫顽力可显著增加；尺寸减小到6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。生物磁性纳米颗粒生物体内磁性超微颗粒---生物磁罗盘磁性阿霉素纳米粒在磁场中的定向运动磁性纳米粒运动轨迹磁性纳米球用于细胞分离癌症诊断磁性纳米粒在生物医学中的应用（3）特殊的热学性质固态物质在大尺寸形态时，其熔点是固定的，超细微化后其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。（4）特殊的力学性质呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。纳米颗粒的一些宏观物理量，如颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等，亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。3.宏观量子隧道效应三.纳米材料分类纳米粉末：碳酸钙，白炭黑，氧化锌纳米纤维：纳米丝、纳米棒、纳米管纳米膜：超薄膜、多层膜、超晶格纳米液体材料纳米块体:纳米Cu的块体材料材料的形态物理性能纳米半导体纳米磁性材料纳米非线性光学材料纳米铁电体纳米超导材料纳米热电材料化学结构纳米金属纳米晶体纳米陶瓷纳米玻璃纳米高分子材料纳米复合材料应用纳米电子材料纳米光电子材料纳米生物医学材料纳米敏感材料纳米储能材料四.纳米生物材料的制备固相法反应物的聚合状态液相法气相法纳米颗粒的作用受其尺寸、形貌和结构的影响。不是所有纳米尺寸的颗粒都能起作用，纳米颗粒的尺寸也不是越小越好；特定的技术领域需要特定尺寸、大小均一的纳米颗粒才能发挥最佳效果。四.几种典型的纳米材料1.纳米颗粒型材料应用时直接使用纳米颗粒的材料称为纳米颗粒型材料。纳米金属磁粉→高密度金属磁带、磁盘超微颗粒催化剂镍和钢-锌合金的超微颗粒，超细铁粉磁性纳米颗粒→药剂的载体纳米金颗粒→金溶胶+Ag/Ab→间接凝集试验(快速诊断)超细的银/镍粉轻烧结体→电池的电极纳米隐身涂料→军事（吸波特性，波的反射率↓↓）2.纳米固体材料●纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。●主要特征是具有巨大的颗粒间界面，原子的扩散系数大大提高，使得纳米材料具有高韧性。普通陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点，但又具有脆性和难以加工等缺点。纳米陶瓷—增加韧性，改善脆性复合纳米固体材料金属陶瓷：含有20％超微钻颗粒---火箭喷气口的耐高温材料金属铝中含进少量的纳米陶瓷颗粒---重量轻、强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。渐变功能材料：成分缓慢连续地发生变化的材料。耐高温陶瓷表面→陶瓷与金属的复合体→导热性好的金属（与冷却系统相接触）用途：航天飞机隔热材料、核聚变反应堆的结构材料；人造器官3.纳米膜材料颗粒膜材料是指将颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜。通常选用两种在高温互不相溶的组分制成复合靶材，在基片上生成复合膜，当两组份的比例大致相当时,就生成迷阵状的复合膜，因此改变原始靶材中两种组份的比例可以很方便地改变颗粒膜中的颗粒大小与形态，从而控制膜的特性。如对金属与非金属复合膜，改变组成比例可使膜的导电性质从金属导电型转变为绝缘体。金颗粒膜→红外线传感元件氧化锡颗粒膜→气体一湿度多功能传感器铬—三氧化二铬颗粒膜—吸收太阳光，将太阳光转变为热能颗粒膜传感器的优点是高灵敏度、高响应速度、高精度、低能耗和小型化。4.纳米磁性液体材料磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。特点：可以在外磁场作用下整体地运动。金属磁性微粒制成的磁性液体用途：（1）旋转轴动态密封（2）提高扬声器输出功率（3）各种阻尼器件（4）分离不同比重的非磁性金属与矿物五.纳米生物医用材料及其应用1.细胞分离用纳米材料利用纳米复合粒子性能稳定、不与胶体溶液反应且易实现与细胞分离等特点,可将纳米粒子应用于诊疗中进行细胞分离。美国科学家用纳米SiO2微粒很容易将怀孕8星期左右妇女的血样中极少量的胎儿细胞分离出来,并能准确地判断是否有遗传缺陷；挪威工科大学的研究人员,利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中肿瘤细胞的分离；利用纳米微粒进行细胞分离技术很可能在肿瘤早期从血液中检查出癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏感程度和亲和力的显著差异,选择抗体种类，将纳米金粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合,制备成多种纳米金/抗体复合物。2.用于细胞内部染色的纳米材料借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物,在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色(如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色),从而给各种组合“贴上”了不同颜色的标签,因而为提高细胞内组织的分辨率提供了一种急需的染色技术。应用不同的材料制备纳米颗粒并通过改变其大小和形状可以改变纳米颗粒的光散射性质。以此为基础可制备多种颜色的纳米颗粒标签。改变纳米颗粒的形状不仅可以改变其光散射特征，还可以改变其他特征如产生谐波等。例如：球形纳米银颗粒不散射红光，而棱柱形纳米银颗粒却呈红色。这些不同颜色的纳米颗粒标签表面包被细胞特异性抗体/配体后，可进行组织/细胞染色或标记、疾病的诊断及示踪技术。3.纳米药物控释材料纳米粒子不但具有能穿过组织间隙并被细胞吸收、可通过人体最小的毛细血管、甚至可通过血脑屏障等特性,而且还具有靶向、缓释、高效、低毒且可实现口服、静脉注射及敷贴等多种给药途径等许多优点。载地塞米松的乳酸-乙酸纳米粒子→有效治疗动脉再狭窄聚乙烯吡咯烷酮包覆紫松醇→纳米粒子抗癌新药聚氰基丙烯酸己酯包覆胰岛素→延长作用时间，提高疗效载抗增生药物的乳酸-乙醇酸纳米粒子→有效防止冠状动脉再狭窄4.纳米抗菌材料及创伤敷料利用Ａｇ+可使细胞膜上的蛋白失活,从而杀死细菌。利用该类材料的光催化作用,与Ｈ2Ｏ反应生成具有强氧化性的羟基以杀死病菌ZnO、TiO2等光触媒型纳米抗菌材料Ａｇ+系抗菌材料:内部有特殊的结构而带有不饱和的负电荷,具有强烈的阳离子交换能力,对病菌、细菌有强的吸附固定作用,从而起到抗菌作用。Ｃ-18Ａ°纳米蒙脱土等无机材料壳聚糖等高分子聚合物Figure.AFMsofS.choleraesuiscellsaftertreatmentwithchitosannanoparticlesfordifferenttime.30min1h1.5h2h3huntreated5.纳米颗粒中药及