现代生命科学与生物技术-10纳米生物技术

1第十章纳米生物技术2•10.1概述•10.2纳米生物材料•10.3纳米生物传感器•10.4纳米载药系统•10.5纳米生物机器人本章内容310.1.1纳米和纳米科技10.1.2纳米生物学和纳米生物技术10.1.3生物大分子的观测和操纵10.1.4纳米生物技术的国内外研究现状10.1概述概述4•纳米（nm）是一个空间尺度的单位，1纳米等于1×10-9米•纳米科技（NanometerScienceandTechnology）指的就是在纳米尺度（1~100nm）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术•目前纳米科技的新兴领域有纳米物理学、纳米化学、纳米电子学、纳米计量学、纳米生物学和纳米医药学等10.1.1纳米和纳米科技概述5概述纳米科技的早期发展历程•纳米科技的思想最早由美国物理学家Feynman1959年12月在加州理工学院召开的全美物理学会会议上提出•1981年，瑞士苏黎世IBM实验室的Binnig和Rohrer发明了扫瞄隧道显微镜（STM），首次实现了人类直接“看”到单个原子的愿望•1985年，Binnig和Quate在美国斯坦福大学发明了原子力显微镜（AFM）•STM和AFM构成了扫描探针显微镜（SPM）的主体。使用SPM能观察和操纵一个个原子和分子。•SPM的发明和广泛应用直接促进了纳米科技的诞生，Binnig、Rohrer和Quate分享了1986年诺贝尔物理学奖•1989年，美国加州IBM实验室的Eigler博士使用STM将35个氙原子排布成了世界上最小的IBM商标，首次实现了Feynman的设想：按照人的意愿排布一个个原子来构建纳米器件•1990年，在美国巴尔的摩市召开了第一届国际纳米科学技术会议6概述10.1.2纳米生物学和纳米生物技术•纳米生物学是纳米科技和生物学的交叉学科，同时也涉及物理学、化学、机械学、材料学、电子学、计算机学和医学等众多领域•纳米生物学具有两个含义：一方面是用先进的物理学、纳米科技手段研究生物学基本问题，即基于纳米技术的生物学；另一方面是向生命学习，开创发展纳米科技的新思路和新方向，即基于生物学的纳米科技研究7概述纳米材料和纳米生物技术纳米材料是指三维空间尺度中至少有一维处于纳米量级（1~100nm）的材料，是由尺寸介于原子、分子和宏观体系间的纳米粒子组成的新一代材料。其特性主要包括量子尺寸效应、小尺寸效应、表面和界面效应、宏观量子隧道效应。目前纳米生物学研究中的新方法主要包括单分子成像、单分子操纵和精确的分子间相互作用力测定等；新技术主要包括纳米生物传感器、纳米生物芯片、纳米机器人和纳米载体系统等，通常也被称为纳米生物技术810.1.3生物大分子的观测和操纵扫描探针显微镜（SPM）是研究生物大分子的有力工具，包括扫描隧道显微镜（STM），原子力显微镜（AFM），力调制显微镜（FMM），相位检测显微镜（PDM）、静电力显微镜（EFM）、电容扫描显微镜（SCM）、热扫描显微镜（SThM）和近场光隧道扫描显微镜（NSOM）等各种系列显微镜STM由探针及扫描器、电子学控制和计算机数据处理和显示三部分组成AFM是通过探针与样品原子间斥力梯度信息成像的，它不受样品导电性的影响910.1.4纳米生物技术的国内外研究现状纳米生物技术是国际生物技术领域前沿的研发热点，美、日、德等发达国家已将其列入国家重点发展领域，并斥巨资投入该项研究我国纳米生物技术研究主要集中在纳米药物载体、纳米诊断技术、纳米生物材料和纳米中药等方面2003年，卫生部纳米生物技术重点实验室在中南大学（湖南省长沙市）挂牌成立我国纳米生物技术的未来发展重点将在药物和转基因纳米载体、组织相容性纳米生物材料和体内植入物、纳米诊断技术和纳米中药等重要领域，以提高疾病的早期诊断效率和疗效为目标1010.2纳米生物材料10.2.1天然纳米生物材料10.2.2纳米仿生材料10.2.3纳米医学材料1110.2纳米生物材料应用于生命科学中的纳米材料可称之为纳米生物材料纳米生物材料主要包括两类：一类是适合于生物体内应用的纳米材料，其特征是具有良好的生物兼容性，如组织工程材料等；另一类是利用生物分子的特性而发展的纳米材料，可能不再适用于生物体内，而被用于其他用途，如分子马达等纳米生物材料具有特殊的生物学效应1210.2.1天然纳米生物材料生物马达是一类能够将ATP水解产生的化学能转化为机械能的生物大分子或复合物，主要包括Kinesin与Dynein超家族、以及与DNA相互作用的蛋白质，也称作纳米机器ATP合成酶是世界上最小的马达蛋白纳米马达也能以与DNA结合的单个蛋白分子形式存在DNA易合成，具有高度特异性与柔韧性，是构建纳米机器的最佳材料132000年8月，Bell实验室和牛津大学的研究者开发了第一个DNA马达。据预测，DNA马达技术可制造比当今快1000倍的计算机。在制作DNA马达时DNA既是结构材料，而且也作为“燃料”。14科学家一直在研究微生物的机械本领并试图把它应用到纳米机械的设计中去。例如大肠杆菌等细菌的移动靠的是一种称为鞭毛马达的驱动机构。微生物的鞭毛马达虽然只有30至50纳米，但它的效率却极高。这种效率相当于只需百分之一马力就可以使体重60公斤的人像骑摩托车一样飞速前进。1510.2.2纳米仿生材料核酸与蛋白质是执行生命功能的重要纳米成分，是最好的天然纳米生物材料纳米仿生材料研究，不仅涉及基因与蛋白质的结构与功能，还包括它们的识别、结合、相变、特殊因子的释放、生物电化学信号的产生与传导、生物力学与热力学特性生物矿化是指在生物体内形成矿物质（生物矿物）的过程，生物矿化为纳米生物材料的设计加工提供了有效的手段1610.2.3纳米医学材料氧化物陶瓷是一类重要的组织工程材料，在临床上主要用于人工骨、人工关节、人工骨钉、人工齿、种植牙和耳听骨修复等模仿天然的细胞外基质——胶原的结构制成的含有纳米纤维的生物可降解材料已开始应用于组织工程的体外及动物实验碳基纳米生物材料在人工心脏瓣膜、人工骨、人工关节、人工齿根等方面具有广泛的应用纳米高分子材料在生物医学领域，如免疫分析、药物控释载体和介入性诊疗等方面都有着广泛应用纳米材料在临床应用的一个主要问题是这些材料能否被机体免疫系统接受17生物电线DNA是一种理想的构建材料。近来，科学家通过在DNA的表面覆盖金属原子的培植方法，合成了导电的DNA链。JeremyLee等人发现通过pH值的适当调控，DNA可以稳定地把锌、钴、镍等金属离子并入其双螺旋中心，并找到了在高的pH值等基本条件下，稳定DNA含有金属离子的状态，并仍然保持选择性地结合其他分子的能力，由此获得了新的DNA导电体。还有，将DNA接在两个金电极之间，将银离子交换到表面上，最后将银离子还原为银，就成为直径在100nm左右、长度可达微米级的银线。18纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。19美国佛罗里达大学的科学家最近研制出一种能够100%地杀灭丙肝病毒的纳米机器人。这种纳米机器人由两组物质构成：一组是能够攻击并摧毁RNA（参与复制丙肝相关蛋白）的酶，另一部分是一种寡核苷酸，能识别疾病相关蛋白并将酶送过去消除危害。在细胞培养和小鼠实验中，这个新方法已达到了近乎100%的有效率，且没有任何副作用，例如免疫系统反应。这项新成果促进了医疗纳米机器人的发展，目前也逐步向临床应用迈进。2010.3纳米生物传感器10.3.1基本概念10.3.2纳米生物传感器的研究状况2110.3.1纳米生物传感器－基本概念“酶电极”是出现最早的生物传感器生物传感器是能够感受生物量并转换成可用输出信号的传感器，是一种实时监测生物体内、组织、细胞内各项成分、性质指标的技术生物传感器具有灵敏度高、选择性好、响应快、操作简便、样品需要量少、易于微型化、价格低廉等特点，因此，在生物医学、环境监测、食品医药工业领域得到迅速发展和应用22生物传感器主要由两部分组成：其一是分子识别元件或称感受器，由具有分子识别能力的生物活性物质构成；其二是信号换能器，是一个电化学或光学转换元件生物传感器是基于电化学或光学传感的原理，原则上可分为电化学式和光学式两大类。其中电化学式包括电位式、电流式和电导式；光学式包括吸光式、反光式和发光式纳米生物传感器是一种敏感部尺寸为1~100nm的生物传感器，具有体积小、能在细胞内实时测量、对细胞无损伤或微损伤等诸多特点2310.3.2纳米生物传感器的研究状况利用纳米技术和光纤技术可以制成各种纳米光纤生物传感器，如荧光纳米光纤生物传感器、光纤免疫传感器、DNA纳米光纤传感器、无转换器的细胞内生物传感器以及利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制的高灵敏度磁传感器等24纳米探针Elghanian等人将直径约13纳米的金微粒粘附上DNA链，当在溶液中这些DNA链和互补的碱基序列结合后就形成DNA链的网络，使其中的微粒间距减小，由于金粒的表面等离子体共振，体系的颜色从红色变成蓝色。这种方法对病原体检测简便而价廉。25研究者们正在研制的遗传畸变探测生物传感器，类似于其他的DNA探测传感器。在此传感器上装配所要探测的特制DNA序列。这里，DNA链是导电的。杂交DNA所引起的删除或变化，均起阻碍电流的作用，通过测量电导的变化可以识别DNA的异常状态。26这种生物传感器还能用于鉴别混合物，如：环境毒素、毒品、或蛋白质等，当这类分子结合到金属DNA上，将把金属离子排斥出来，导致电流中断，由于信号强度的减少正比于污染物的浓度，所以能够很容易地确定环境毒素的量。2710.4纳米载药系统10.4.1纳米药物载体10.4.2纳米基因传递系统10.4.3纳米微粒药物2810.4.1纳米药物载体纳米药物载体以纳米颗粒作为药物的携带体，将药物包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面纳米药物粒径小，能很容易地通过胃、肠黏膜和鼻腔黏膜，甚至皮肤的角质层，不仅可以进入血液循环，甚至可以进入骨髓。通过与导向物质等功能成分的组装，既可以显著提高靶向性，又可以提高药物在患部的相对浓度。同时，由于载药纳米粒的粒径小，比表面大，对受体组织的黏附性大，给药后滞留性及与组织的接触时间、接触面积均大为增加，从而可提高药物的生物利用度、降低毒性、减少药剂用量29纳米高分子材料可分为合成聚合物、天然聚合物或两者结合使用。天然聚合物包括壳聚糖、纤维素及其衍生物、淀粉和蛋白质等；合成聚合物一般有聚乳酸（PLA）、聚乙交酯丙交酯（PLGA）、聚羟基烷酯（PHA）、聚羟基丁酯（PHB）、聚乙交酯（PGA）、聚内酯（PCL）及其共聚物等纳米复合材料是指由两种以上的纳米微粒进行复合，或两种以上的纳米薄膜逐层交替铺上，或纳米微粒和薄膜复合的复合材料3010.4.2纳米基因传递系统基因治疗的基本原理是通过将质粒DNA插入目的细胞，来修复遗传错误或产生治疗因子，如多肽、蛋白质、抗原等，从而达到治疗的目的介导基因转染的载体一般分为病毒型和非病毒型两种目前，纳米基因传递系统采用的纳米载体主要包括纳米脂质体、纳米微粒、微胶粒、LDH（layereddoublehydroxide）和树枝状分子（dendrimer）等31纳米基因载体的特点与传统基因载体相比，纳米基因载体具有以下几个特点：–生物安全性–核苷酸保护作用–提高细胞摄取率–缓释、控释性基因传递–靶向性修饰3210.4.3纳米微粒药物纳米技术可将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，同时提高溶解性，以提高难溶性药物的药效率同传统的药物制剂相比，纳米微粒药物具有以下一些特点：–提高药物利用度，减少用药量–呈现新的药效，拓宽原药适应症–丰富药物的剂型选择，改变传统的给药途径–纳米技术可使中药制剂标准化