现代物理导论---纳米技术

现代物理导论——纳米技术林雪莹内容提要•纳米技术简介•纳米技术与药物学•纳米技术在生物学的研究对象•纳米技术与当代中国•纳米技术的发展前景纳米技术用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。纳米技术与药物学目前，国际医药行业面临新的抉择之一就是用纳米技术发展制药业。生物医药中采用纳米技术的基本过程与目的是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度上组合，最大限度地发挥药效。即在提取精华后，用一种很小的骨架（如人体可以吸收的糖、淀粉），使其高效缓释和靶向药物。对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。纳米技术在医药方面成果传统药物制剂的成效和缺点•颗粒剂表面积大，容易分散，起效快，使用也方便，制作简单，剂量易于控制；缺点：由于分散度大对吸湿性，化学活性，气味，刺激性的影响•胶囊剂能掩盖药物的不良气味，提高药物的稳定性，再体内起效快，可以延缓药物的释放和定位。缺点：水溶液，稀乙醇溶液，易风干或易潮湿，易溶性刺激药物不能制成胶囊•片剂是使用方便，剂量精确，含量均匀，长量大，成本低，可以制成不同的剂型，满足不同的临床需要，缺点：幼儿及昏迷病人不易服用，药物的溶出机生物利用度不理想纳米乳纳米乳（nanoemulsion）又称微乳（microemulsion），是由水、油、表面活性剂和助表面活性剂等自发形成，粒径为1～100nm的热力学稳定、各向同性，透明或半透明的均相分散体系.一般来说，纳米乳分为三种类型1.水包油型纳米乳(O/W)2.油包水型纳米乳(W/O)3.双连续型纳米乳(B.C)纳米乳具有许多其它制剂无可比拟的优点•①为各向同性的透明液体，属热力学稳定系统，经热压灭菌或离心也不能使之分层；•②工艺简单，制备过程不需特殊设备，可自发形成，纳米乳粒径一般为1～100nm；•③黏度低，可减少注射时的疼痛；•④具有缓释和靶向作用；•⑤提高药物的溶解度，减少药物在体内的酶解，可形成对药物的保护作用并提高胃肠道对药物的吸收，提高药物的生物利用度。因此纳米乳作为一种药物载体受到广泛的关注。•有人把在纳米尺度(水平)上研究生命现象的生物学叫做纳米生物学。纳米结构通常指尺寸在1nm～100nm范围的微小结构。1纳米等于10-9m，即1m的十亿分之一。我们知道，细胞具有微米(10-6m)量级的空间尺度，生物大分子具有纳米量级的空间尺度。在它们之间的层次是亚细胞结构，具有几十到几百纳米量级的空间尺度。显然在纳米水平上研究生命现象的纳米生物学，它的研究对象就是亚细胞结构和生物大分子体系。由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径即利用纳米微粒进行细胞分离、疾病诊断，利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。纳米技术在生物医学纳米技术在生物医学方面的应用•测量和控制生物大分子•磁性纳米粒子的应用•纳米脂质体—仿生物细胞的药物载体•DNA纳米技术和基因治疗•纳米细胞分离技术对生物大分子的测量纳米技术与扫描探针显微镜(Scanningprobemicroscopes,SPMs)相结合，便具有了观察、制造原子水平物质结构的能力，为生物医学工作者提供了直接在亚细胞水平或分子水平研究生命现象的应用前景。扫描探针显微镜是指利用扫描探针的显微技术，常用的有扫描隧道显微镜(STM,它是ScanningTunnelingMicroscope的简称)和原子力显微镜(AFM,它是AtomicForceMicroscope的简称)。STM的原理是利用电子隧道效应测量探针和样品间微小的距离，又将探针沿样品表面逐点扫描，从而得到样品表面各点高低起伏的形貌。对生物大分子的控制当探针和样品表面间的距离非常近达到一个纳米时，同时在它们之间施加适当电压，在它们之间会形成隧道电流，这就是电子隧道效应。这时探针尖端便吸引材料的一个原子过来，然后将探针移至预定位置，去除电压，使原子从探针上脱落。如此反复进行，最后便按设计要求“堆砌”出各种微型构件。德国学者报道了含有75%～80%铁氧化物的超顺磁多糖纳米粒子(200～400nm)的合成和物理化学性质。将它与纳米尺寸的SiO2相互作用，提高了颗粒基体的强度，并进行了纳米磁性颗粒在分子生物学中的应用研究。可以将磁性纳米粒子表面涂覆高分子材料后与蛋白质结合，作为药物载体注入到人体内，在外加磁场作用下，通过纳米磁性粒子的磁性导向性，使其向病变部位移动，从而达到定向治疗的目的磁性纳米粒子纳米脂质体•脂质体（Liposome)是一种定时定向药物载体，属于靶向给药系统的一种新剂型。纳米脂质体作为药物载体的优点•①由磷脂双分子层包封水相囊泡构成，与各种固态微球药物载体相区别，脂质体弹性大，生物相容性好；•②对所载药物有广泛的适应性，水溶性药物载入内水相，脂溶性药物溶于脂膜内，两亲性药物可插于脂膜上，而且同一个脂质体中可以同时包载亲水和疏水性药物；•③磷脂本身是细胞膜成分，因此纳米脂质体注入体内无毒，生物利用度高，不引起免疫反应；•④保护所载药物，防止体液对药物的稀释，及被体内酶的分解破坏。纳米脂质体的靶向作用•纳米粒子—药物复合物可通过被动和主动两种方式达到靶向作用：当该复合物被Kupffer细胞捕捉吞噬，使药物在肝脏内聚集，然后再逐步降解释放入血液循环，使肝脏药物浓度增加，对其它脏器的副作用减少，此为被动靶向作用；•当纳米粒子尺寸足够小约100～150nm且表面覆以特殊包被后，便可以逃过Kupffer细胞的吞噬，靠其连接的单克隆抗体等物质定位于肝实质细胞发挥作用，此为主动靶向作用。Kupffer细胞DNA纳米技术•定义：DNA纳米技术(DNAnanotechnology)是指以DNA的理化特性为原理设计的纳米技术，主要应用于分子的组装。DNA纳米技术的应用•DNA复制过程中所体现的碱基的单纯性、互补法则的恒定性和专一性、遗传信息的多样性以及构象上的特殊性和拓扑靶向性，都是纳米技术所需要的设计原理。现在利用生物大分子已经可以实现纳米颗粒的自组装。将一段单链的DNA片断连接在13nm直径的纳米金颗粒A表面，再把序列互补的另一种单链DNA片断连接在纳米金颗粒B表面，将A和B混合，在DNA杂交条件下，A和B将自动连接在一起。利用DNA双链的互补特性，可以实现纳米颗粒的自组装。•优点：利用生物大分子进行自组装，有一个显著的优点：可以提供高度特异性结合基因、细胞治疗•基因治疗是治疗学的巨大进步，质粒DNA插入目的细胞后，可修复遗传错误或可产生治疗因子(如多肽、蛋白质、抗原等)。利用纳米技术，可使DNA通过主动靶向作用定位于细胞；将质粒DNA浓缩至50～200nm大小且带上负电荷，有助于其对细胞核的有效入侵；而最后质粒DNA插入细胞核DNA的准确位点则取决于纳米粒子的大小和结构。在了解纳米细胞分离技术前，我们先来了解细胞分离技术离心技术流式细胞术细胞电泳细胞分离技术差速离心法密度梯度离心然而在普通细胞与纳米细胞之间该技术不能共用，因此我们便需要纳米细胞分离技术。以下举一例子说明•SiO2纳米微粒分离步骤备注：纳米SiO2在橡胶改性、工程塑料、陶瓷、生物医学、光学、建材、树脂基复合材料准备步骤：先制备SiO2纳米微粒，尺寸大小控制在15～20nm,结构一般为非晶态，再将其表面包覆单分子层。包覆层的选择主要依据所要分离的细胞种类而定，一般选择与所要分离细胞有亲和作用的物质作为附着层。1.制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液，适当控制胶体溶液浓度。2.纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，3.再通过离心技术，利用密度梯度原理，使所需要的细胞很快分离出来。该方法优点•①易形成密度梯度；•②易实现纳米SiO2粒子与细胞的分离。这是因为纳米SiO2微粒是属于无机玻璃的范畴，性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应，既不会沾污生物细胞，也容易把它们分开。•近代中国的机遇与挑战–二百年回顾–蒸汽机技术、电气化技术、微电子技术的高潮都错过–IT产业、网络通讯与西方差距不大–纳米技术使大家都面临着重新变革，相当于5千米赛跑，都才跑出500米，我们落后得不是很多，有的还不落后中国的纳米技术发展进程•中科院物理所制备出大面积碳纳米管阵列;合成了当时最长的纤维级碳纳米管•中国科技大学:氮化镓粉体•清华大学:氮化镓纳米棒•中国科技大学:从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被誉为“稻草变黄金”纳米技术的发展前景•化学化工–催化剂、助催化剂、阻燃剂•镍催化氧化丙醛，当镍的粒径在5nm以下，反应选择性发生急剧变化，生成酒精的转化率迅速增大•塑料和橡胶–制品成型剂、补强剂、抗老化剂•OA领域–复印机和激光打印机的墨粉–喷墨打印机墨水、高级墨水提升国防科技•纳米探测系统•纳米材料提高武器打击•纳米材料提高防护能力•纳米机械系统制造的小型机器人•雷达隐身技术–美国:“超黑粉”,对雷达波的吸收率达99％–法国:Co-Ni纳米颗粒包覆绝缘层纳米技术对竞争力的提升•能源领域–石油、煤等不可再生资源•环保领域–解决水污染的问题–解决空气污染的问题•微电子–纳米电子器件、纳米线、纳米传感器•信息领域–光纤、发光器件Kupffer细胞——肝脏的巨噬细胞单核吞噬细胞系统中高度分化、成熟的细胞类型。由血液中单核细胞迁入组织后分化而成，在不同器官、组织中有不同类型和命名，其表达Fc受体、C3b受体和CD14，在固有免疫中发挥防御功能，也是参与适应性免疫的专职抗原提呈细胞。返回欢迎观看