第9讲-纳米材料在生物医学领域的应用

纳米材料在生物医学领域的应用1纳米生物学和纳米医学概述2纳米生物材料3纳米给药系统与纳米药物载体4纳米医学的突破和应用5纳米生物工程纳米材料在生物医学领域的应用从DNA碱基对(纳米尺度)到细胞(微米尺度)的尺度变化1纳米生物学和纳米医学概述生命现象中的纳米结构蛋白质、DNA、RNA和病毒，都在1-100nm的尺度范围。生命现象中的“纳米机械”细胞中的细胞器。“纳米车间”和“纳米工厂”细胞和植物的光合作用。纳米科技的完美典范：结构精确的遗传基因序列的自组装排列；神经系统的信息传递和反馈等。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉。概述：纳米医学和生物学-----纳米技术中另一个重要分支领域生物学和医学的研究内容组织和生物细胞和器官染色体单个分子分子内部的结构生命由纳米水平的生物分子为中心构成构造体，再由这些构造体聚集起来，相互作用，发挥各自的功能，从而形成生命现象。生物学的重要内容DNA分子的结构和复制：DNA之所以能起遗传作用，是与它的分子结构有密切关系的。DNA结构DNA:脱氧核糖核酸，一种高分子化合物，组成它的基本单位是脱氧核苷酸。1个脱氧核苷酸=1分子磷酸+1分子脱氧核糖+1分子含氮碱基组成的。组成脱氧核苷酸的四种含氮碱基构成四种不同的脱氧核苷酸：腺嘌呤(A)腺嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤(G)鸟嘌呤脱氧核苷酸胞嘧啶(C)胞嘧啶脱氧核苷酸胸腺嘧啶(T)胸腺嘧啶脱氧核苷酸很多个脱氧核苷酸聚合成为DNA。DNA的空间结构:规则的双螺旋结构DNA的复制:边解旋边复制步骤：第一步，利用细胞提供的能量，在解旋梅的作用下，把双链解开，成为解旋；第二步，以解开的每段为模板，以周围环境中游离的脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，合成子链；第三步，随着解旋过程的进行，新合成的子链不断延伸，同时每条子链与其相对应的母链相互盘缠成螺旋结构，形成新的DNA分子。现代遗传学家认为，基因是DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段。基因位于染色体上，并在染色体上呈线性排列。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达。人类只有一个基因组，大约有5－10万个基因。什么是基因？美国科学家于1985年率先提出的，旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。该计划于1990年正式启动，这一价值30亿美元的计划的目标是，为30亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，从而最终弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作用。什么是人类基因组计划？现代生物学和现代医学的不断发展：其研究内容已从细胞，染色体等微米尺度的结构深入到更小的层次，进入到单个分子甚至分子内部的结构。这些极其微细的分子结构的特征尺寸大多在0.l－100nm之间，属于纳米技术的尺度范围。因此，研究这些纳米尺度的分子结构和生命现象的学科，就是纳米生物学和纳米医学。纳米生物学和纳米医学1）在纳米尺度上,应用生物学原理和新兴的纳米技术来研究和解决生物学问题：了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系（这也是整个现代生物学发展的基础）。2）利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造类似生物大分子的分子机器。纳米生物学(nanobiology)关键词：纳米尺度，生物学问题，分子器件纳米生物学的研究集中在五个方面:1)利用纳米技术来解决和研究生物学问题。研究细胞内部各种细胞器的结构和功能、细胞内部、细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换；2)在纳米尺度上获取生命信息,特别是细胞内的各种信息。用扫描质子探针测定细胞膜和细胞器表面的元素成分的信息，用微感器和纳米传感器获取各种生化反应的化学信息和电化学信息。3)脑功能的研究。破译人类的记忆、思维、语言和学习这些高级神经功能和人脑的信息处理功能。4)仿生学的研究。最具诱惑力的纳米机器人。5)纳米结构自组装的研究。利用生物大分子制造分子器件,模仿和制造类似生物大分子的分子机器。纳米医学医学：研究人体疾病发生的内在原因并进行恰当治疗的一门学科。纳米技术将带给医学一场前所未有的技术革命。“纳米”不仅意味着空间尺度，更重要的是提供了一种对医学的全新认识方法和实践方法。纳米技术与医学的结合纳米医学将大幅度提高人类健康和保健的水平，使人们能够真正做到延年益寿。纳米医学将在以下五个方面得到突破和应用：（l）在分子的水平上认识和理解病变的机理（2）大幅度提高医学诊断和疾病检测的精度（3）纳米医用机器人与可控的体内显微手术（4）攻克和杀死癌细胞和病毒的特效药物（5）基因治疗纳米材料在医药领域的应用现状纳米级粒子使药物在人体内的传输更为方便,用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击特定细胞或修补损伤组织。“纳米生物导弹”：将抗肿瘤药物连接在磁性超微粒子上,定向杀死癌细胞。“纳米机器人”：进入人的血管和心脏中,完成医生不能完成的血管修补等“细活”,必要时还可用它直接进行治疗。用纳米级微颗粒（超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体）应用于诊断早期肝癌,可以发现直径3mm以下的肝肿瘤,对肝癌的早期诊断、早期治疗有着十分重要的意义。纳米抗菌药物以及创伤贴、溃疡贴等，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物均有强烈的抑制和杀灭作用,同时还具有广谱、亲水、环保等多种性能。用纳米材料开发的新型药物输送系统由一种内含药物的纳米球组成的,纳米球外面有一种保护性涂层,可在血液中循环而不会受到人体免疫系统的攻击,如果使其具备识别癌细胞的能力,就可直接将药物送到癌变部位,而不会对健康组织造成损害。用纳米技术制造的“芯片实验室”可对血液和病毒进行检测,几分钟即可获得检测结果。在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应。对传统的名贵中草药进行超细开发,可极大提高药物的疗效。2纳米生物材料1、适合于生物体内应用的纳米材料。本身即可以是具有生物活性的，或不具有生物活性，而仅仅易于被生物体接受，而不引起不良反应的材料。2、利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料。可能不再被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。生物材料有哪些？用于制衣、皮带的动物皮革（与高分子材料交叉）；用于镶牙和制作隐形眼睛的材料等被用于生物体内材料等（本章内容）。纳米生物材料可以分为两类：2纳米生物材料一、生物材料的分类二、生物活性材料----羟基磷灰石三、纳米生物材料的重点研究领域（按化学结构分类）1、医用有机高分子材料2、无机非金属生物材料：3、医用金属和合金材料：4、生物复合材料：一、生物材料的分类基本要求：良好的生物相容性、可吸收性、无毒、无蓄积性。{生物材料的另一种分类：按用途分类生物医学材料生物工程材料包括：农用缓释材料、抗菌材料、生物反应器材料以及DNA分离材料等。包括：取代人体的某部分功能的生物功能材料、疾病治疗用材料、疾病诊断用材料、各种防护材料、医学用材料用量最大的生物材料。主要品种：聚乙烯、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚乳酸酯、硅树脂、纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯晴、聚氯乙稀、骨胶原纤维、聚氨酸、纤维蛋白等等。有生物降解和非降解型之分。根据降解产物能否被机体代谢和吸收，降解型又可分为生物可吸收性（如淀粉、纤维素等）和不可吸收性。应用：韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织和器管的修复和制造以及诊断、治疗和生物工程上。(1)医用有机高分子材料软组织置换材料以有机高分子材料为主：1、血液循环系人工脏器材料----人工心脏、人工血管；2、代谢系人工脏器材料---人工肝、人工肾、人工肺隐形眼镜材料1、硬质隐性眼镜（PMMA）2、软质隐性眼镜（甲基丙烯酸羟乙酯聚合物的含水凝胶等）生物降解材料1、生物降解高分子材料---在分子骨架上具有可水解基团的高分子，如聚乳酸、聚己内酯、聚羟乙酸。2、生物降解陶瓷材料----磷酸三钙等。在体液、酶或微生物的作用下被溶解、吸收，即降解的材料。包括控释药物、手术缝线等。人工血管和人工心脏补片分为生物惰性材料和生物活性材料。生物惰性材料在生理环境中保持化学稳定，高强度和耐腐蚀性。缺点是不具有生物活性，不能与生物组织形成化学结合，与组织间的连接基本上是机械性的结合。生物活性材料在生理环境中能通过表面发生的选择性化学反应，形成一层覆盖其表面的羟基磷灰石层，实现材料与人骨或人体组织的牢固化学键合。应用：软、硬组织的修复和替代以及疾病的诊断、治疗、防护以及生物工程等方面。(2)无机非金属生物材料三大支柱：不锈钢、钴基合金、钛及钛基合金。主要用于承力的骨、关节和牙等硬组织的替换。钛及钛基合金：高比强和抗疲劳腐蚀性能、良好的生物相容性和接近骨的弹性模量。不锈钢：稳定性欠佳，但价廉易得。钴基合金：除能满足对材料得生物、物理和化学性质要求之外，易于临床成型加工。主要缺点：不具有生物活性，植入体内后为一层包囊性纤维膜所包裹，难以和组织形成牢固的结合。纳米金属和合金作为生物医用材料的优点：毒性低，传感特性和弹性模量可接近正常的天然生物组织，可使细胞在其表面生长，并具有修复病变组织的功能。(3)医用金属和合金材料整体复合材料：聚枫/碳纤维、聚乙烯/碳纤维、聚甲基丙稀酸酯/碳纤维，碳/碳纤维、碳/碳化硅及环氧树脂/氧化铝/不锈钢等生物惰性复合材料；珊瑚羟基磷灰石/DL聚乳酸等多孔向内生长复合材料；生物玻璃/不锈钢纤维、生物玻璃/钛纤维、骨胶原/羟基磷灰石、聚乙烯/羟基磷灰石、聚甲基丙稀酸酯/磷硅酸盐玻璃纤维、高分子/磷酸盐玻璃等生物活性复合材料；聚羟丁酸酯/羟基磷灰石等降解性复合材料。生物涂层材料：主要是以机械性能比较好的金属或合金材料为衬底，涂有生物活性材料涂层的复合材料。用于衬底的材料主要是不锈钢、钴－铬合金和钛合金等，用于涂层的主要是热解碳、生物玻璃、羟基磷灰石、磷酸三钙、硼硅酸盐玻璃等。(4)生物复合材料解决单一材料强度、韧性及生物活性难以统一的问题。包括整体复合材料和涂层材料两大类。羟基磷灰石【Ca10（PO4）6（OH）2】自身即是人体骨组织中主要的无机物成分，与人体具有良好的相容性，无毒，无致癌性，无过敏反应，不破坏生物组织，并能与自然骨形成牢固的化学结合。化学结合主要是液体中析出的羟基磷灰石晶体与自然骨形成化学键。比其它的骨替代材料拥有不可比拟的优势，在新型骨替代材料的研究领域占有极其重要的地位，是具有生命的材料的生物活性材料。二、生物活性材料—羟基磷灰石胶质的基体与羟基磷灰石增强的复合体高度均匀、有序地结合在一起，形成规则排列组成的复合体。动物的骨组成=生物大分子+无机矿物增强体：纳米或亚微米的微晶羟基磷灰石（HA）基质：胶原蛋白+少量的多糖。动物牙的组织=1/3的胶原纤维+2/3的纳米级羟基磷灰石（HA）特点：由于胶原纤维具有择优取向的性质，沿其横切面、切向面和径向面的力学性能具有各向异性。自然界生物的某些器官就是天然的高分子纳米复合材料，在生物体上认识天然的纳米复合材料并利用人工合成的纳米复合材料，非常有现实意义。羟基磷灰石纳米复合生物材料的意义与人体骨的致密性相比，羟基磷灰石的机械强度低、弹性模量非常高。通过形成纳米复合组织，可使其同时具有高的生物机能和力学性能。改善强度的一个方法是添加ZrO2颗粒。使用热压烧结或热等静压烧结，可以形成羟基磷灰石相和ZrO2复合的纳米复合显微结构。ZrO2的晶粒尺寸为100nm。添加30%ZrO2的复合材料强度为600MPa，添加50%强度可达800MPa（结晶化玻璃的3~5倍）。为达到与生物骨同样的弹性模量，在羟基磷灰石中添加高强度低模量的β-Ca（PO3）2纤维，强度可大190MPa，高于人体骨，而弹性模量为43GPa，比一般陶瓷低一个数量级，接近人体的致密骨（约30GPa）。对人工骨和人工齿的一般要求：（1）满足人体内生物学条件无副作用；相容性好；结合牢固。（2）一定的力学条件机械强度；弹性模量和硬度；耐磨性。（3）使用方便易于成型与加工；变质；颜色和透明度好。获得与骨质中晶体尺寸相当的纳米级微晶羟基磷灰石，并且与胶原纤维的均匀复合。只有这样，才有助于人体细胞