纳米医学概论

纳米医学Nanomedicine田卫群[e-mail]武汉大学基础医学院生物医学工程系Prediction21世纪纳米技术将出现重大进展，医生可能应用纳米机器人或机器直接打通脑血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，治疗肿瘤，……，到2020年将出现一个全新的领域—纳米医学（nanomedicine)。Earth1.2x107m•Mostscientistsbelievethatnanotechnologywillstartseriouslyinfluenceourlivesaroundtheyear2020!第一讲纳米医学概论第二讲纳米医药研究进展第三讲纳米医学诊断技术第四讲纳米医学治疗技术第五讲医用纳米材料的制备与表征方法第六讲纳米材料的安全性评价与分析《纳米医学》课程内容提要第一节基本概念和定义第二节纳米科技的内涵第三节纳米粒的四大效应第四节纳米粒的结构与形貌第五节纳米医学的主要研究方向作业思考题及课外阅读文献第一讲纳米医学概论1.1什么是纳米(nanometer)？纳米是一个长度计量单位，1纳米=10-9米。InGreek,“nano”meansdwarf.§1基本概念和定义人高20亿纳米100万纳米针头红血球DNA分子1000纳米1纳米0.1纳米氢原子冠状病毒100纳米•whichmeansone-billionthpartofsomething.Earth1.2x107m1.1.1物理意义Ananometreisabillionthofametre,ortoputitcomparatively,about1/80,000ofthediameterofahumanhair.Theimagebelowshowsafurthersizecomparison.1.1.2社会意义“纳米”概念的提出标志着介观领域体系一种新的物质观，新的世界观和新的方法论的产生。1.2什么是纳米结构？纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm）的微小结构。1.2什么是纳米结构？纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装成的一种新体系。Inthisdesign,tworigiddiamondoidringsarefusedataquasi-tetrahedraljunctionandsized,throughtheadditionorsubtractionofrepeatsubunitsineachring,toaccommodatetwocarbonnanotubesofdifferentdiameters.ThecrimpingofthenanotubesisaresultofvanderWaalspackingoftherings,afeaturethatcanbeenhancedorremovedbyadjustingtheringsize.(grey=carbon,white=hydrogen,blue=nitrogen,red=oxygen)Inthisdesign,twodiamondoidringsreplacesmallsegmentsofacarbonnanotube,providingalockforathird,largerring.Thelargerringincludesastitch-workofoxygenstocreateanelectron-richinteriorwhoseeffectivecircularvanderWaalspackingjusttouchesthatofthenanotubeframework.Low-frictionbearingassemblywithtwocarbonallotropesCrimpjunctionsforperpendicularcarbonnanotubescaffolding1.3什么是纳米材料?纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料的基本单元可分为：①零维（三维尺度均在纳米尺度）：纳米粒，原子团簇等；②一维（两维处于纳米尺度）：纳米丝（线），纳米棒，纳米管等；③二维（一维处于纳米尺度）：超薄膜，多层膜等。1.4Whatisnanomedicine？•纳米医学是借助纳米科技在分子水平上，利用分子（操作）技术和人体的分子间相互作用知识，开展疾病预防、诊治及康复，改善健康状况等医（药）学应用的一门新型科学技术。1.5纳米技术•纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。目前研究的纳米技术项目有纳米半导体薄膜、纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和量子点、线等。•纳米技术就是要将分子、原子搭起来，做到从小到大，从下到上。要什么东西，就是什么东西，原材料浪费为零，能耗降到极低，彻底从技术上解决了环保问题。其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。1.6什么是纳米科学？在纳米尺度上研究材料的制备、性质、现象及其规律的科学。其研究领域是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的介观领域（0.1~1μm)。1.7什么是纳米科技？研究尺寸在0.1-100nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及实际应用的科学技术。§2纳米科技的内涵•如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹？物体就能得到大量的异乎寻常的特性。当2000年人们回顾历史的时候,他们会为直到1959年才有人想到直接用原子,分子来制造机器而感到惊讶。“Theprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.”“Puttheatomsdownwherethechemistsays,andsoyoumakethesubstance.”-RichardFeynman(1959)PhysicsNobelLaureateHewastalkingaboutnanotechnologybeforethewordexisted!2.1原创思想的提出NanotechnologyVision2.2纳米科技的发展Taniguchi•1974年Taniguchi最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工;1977年美国麻省理工学院Drexler教授提出,可以从模拟活细胞的生物分子的人工类似物---分子装置开始研究,并称之为纳米科技.他70年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组。20世纪80年代初出现的扫描隧道显微镜（STM）极大促进了纳米科技的发展。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开。•（Note:1996/9/8-12，Nano-STIV,Beijing）EricDrexler3.纳米科技的科学意义（1）纳米科技将促使人类认知的革命;（2）纳米科技将引发一场新的工业革命;（3）纳米科技是一门综合性的交叉学科.师昌绪院士为国家自然科学基金资助纳米科技研究成果展览题词（1）纳米科技将促使人类认知的革命•纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域,也是一片新的研究疆土。•由于纳米科技是对人类认知领域新疆域的开拓，人类将面临对新理论和新发现重新学习和理解的任务。•纳米科技推动产品的微型化、高性能化和与环境友好化，这将极大节约资源和能源，减少人类对其过分依赖，并促进生态环境的改善。这将在新的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证。(2)纳米科技将引发一场新的工业革命•纳米技术将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件，使未来的电脑、电视机、卫星、机器人等的体积变得越来越小.1）可以制造一种材料，其强度为钢的几倍，而重量仅为钢的几分之一。2）可以将国会图书馆的信息都存储在一块方糖大小的存储器上。3）可以检测出几个癌细胞。•纳米技术可能是下个世纪前二十年最重要的技术.-------克林顿•纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会有一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命.-------钱学森•正像20世纪70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。-------Armstrong(IBM首席科学家)扫描隧道显微镜（STM）的发明人预言•许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情,而没有什么实际意义。但我确信纳米科技现在已具有与此同时150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精确标准,并成为工业革命的技术基础,最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样,未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准,并首先学习和使用它的国家。我们应当记住：微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确,微米与牛毫无关系,但它却改变了耕作方式,带来了拖拉机。---H.Rohrer(IBM苏黎世实验室)微米与农民的“命运”MicrometerNote:Thesamefatetonanometer!!!!!•纳米技术的确是通向新世界的一扇门。--------RitaColwell美国国家科学基金主任（3）纳米科技是一门综合性的交叉学科•纳米科技是多学科交叉汇合而出现的新学科生长点。纳米科技中的多种学科的交叉、渗透，势必把物理、化学和生物领城的许多学科推向一个新层次。•纳米科技主要包括：(1)纳米物理学；(2)纳米化学；(3)纳米材料学；(4)纳米生物学；(5)纳米电子学；(6)纳米加工学；(7)纳米力学。……Nanotechnology–Applications26国家自然科学基金与纳米科技国家自然科学基金资助纳米科技项目和经费逐年增加(根据题目上出现纳米字样的部分基金项目的统计结果)纳米科技是一个多学科交叉的前沿领域，各科学部分别从不同角度予以了资助§3纳米粒的四大效应3.1纳米粒的四大效应（1）表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。（2）量子尺寸效应当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。（3）小尺寸效应当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。（4）宏观量子隧道效应微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。（1）表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。Relationshipbetweentheratioofthesurfaceatomstowholeatomsandparticlesize•粒径为5nm时，表面将占50%；•粒径为2nm时，表面体积百分数增到80%；（2）量子尺寸效应当粒子尺寸极小时，费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级的现象。量子尺寸效应可导致纳米颗粒的磁、光、声、电、热以及超导电性与同一物质原有性质有显著差异，即出现反常现象。例如金属都是导体，但纳米金属颗粒在低温时，由于量子尺寸效应会呈现绝缘性。美国贝尔实验室发现半导体硒化镉颗粒随尺寸的减小能带间隙加宽，发光颜色由红色向蓝色转移。美国伯克利实验室控制硒化镉纳米颗粒尺寸，所制备的发光二极管可在红、绿和蓝光之间变化。尺寸及形貌导致颜色不同（3）小尺寸效应当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸