納米生物材料研究進展

　　生物材料又稱生物工藝學(xué)或生物技術(shù)。應(yīng)用生物學(xué)和工程學(xué)的原理，對生物材料、生物所特有的功能，定向地組建成具有特定性狀的生物新品種的綜合性的科學(xué)技術(shù)。生物工程學(xué)是70年代初，在分子生物學(xué)、細胞生物學(xué)等的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，包括基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程等，他們互相聯(lián)系，其中以基因工程為基礎(chǔ)。只有通過基因工程對生物進行改造，才有可能按人類的愿望生產(chǎn)出更多更好的生物產(chǎn)品。而基因工程的成果也只有通過發(fā)酵等工程才有可能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，而今天，就讓我?guī)ьI(lǐng)你走進微小，但不失奇妙的納米生物材料。 納米，其實是長度單位，原稱毫微米，就是10億分之一米，即100萬分之一毫米。如同厘米、分米和米一樣，是長度的度量單位。相當(dāng)于4倍原子大小，比單個細菌的長度還要小。舉個例子來說，假設(shè)一根頭發(fā)的直徑是0.05毫米，把它徑向平均剖成5萬根，每根的厚度大約就是一納米。也就是說，一納米大約就是0.000001毫米.納米科學(xué)與技術(shù)，有時簡稱為納米技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。納米技術(shù)的發(fā)展帶動了與納米相關(guān)的很多新興學(xué)科。有納米醫(yī)學(xué)、納米化學(xué)、納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)等。

　　全世界的科學(xué)家都知道納米技術(shù)對科技發(fā)展的重要性，所以世界各國都不惜重金發(fā)展納米技術(shù)，力圖搶占納米科技領(lǐng)域的戰(zhàn)略高地。我國于1991年召開納米科技發(fā)展戰(zhàn)略研討會，制定了發(fā)展戰(zhàn)略對策。十多年來，我國納米材料和納米結(jié)構(gòu)研究取得了引人注目的成就。目前，我國在納米材料學(xué)領(lǐng)域取得的成就高過世界上任何一個國家，充分證明了我國在納米技術(shù)領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。 在過去幾年中,生物納米材料的理論與實驗研究已成為人們關(guān)注的焦點,特別是核酸與蛋白質(zhì)的生化、生物物理、生物力學(xué)、熱力學(xué)與電磁學(xué)特征及其智能復(fù)合材料已成為生命科學(xué)與材料科學(xué)的交叉前沿。目前,納米生物芯片材料、仿生材料、納米馬達、納米復(fù)合材料、界面生物材料、納米傳感器與藥物傳遞系統(tǒng)等方面已取得很大進展。

　　1. 納米生物芯片材料

　　納米生物芯片材料是一個正在發(fā)展的技術(shù)，它首先利用生物智能全數(shù)字癲癇定位儀查出致癇病灶，并進行精確定位，運用生物芯片技術(shù)進行植入病灶頂部，運用生物芯片調(diào)節(jié)神經(jīng)興奮及異常發(fā)作的微小電流，芯片植入后(就是出現(xiàn)發(fā)作人體也感應(yīng)不到，因為電流被芯片吸收，就不會出現(xiàn)電流刺激神經(jīng)和腦細胞，各種肢體抽搐等異常癥狀即刻消失)。而治療系統(tǒng)中另一項需同時進行的血液磁化技術(shù)，它是依據(jù)生物物理學(xué)、生物磁學(xué)、生物光學(xué)、生物化學(xué)的原理，將磁、光、氧有機結(jié)合形成磁共振作用，以血液為媒介調(diào)節(jié)機體代謝實現(xiàn)對機體的治療，它能感應(yīng)和影響人體電流分布、電荷微粒的運動、膜系統(tǒng)的通透性和生物高分子的磁矩取向等，清除大腦異常電流，穩(wěn)定神經(jīng)細胞膜，提高神經(jīng)細胞興奮閾，抑制大腦神經(jīng)元高頻放電和沖動的傳播。在腦部形成穩(wěn)定的生物磁場，使異常放電的神經(jīng)元電位趨于平衡，調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)路電失衡。對神經(jīng)細胞功能失調(diào)有整合作用,對缺氧破損的神經(jīng)細胞有修復(fù)作用,可以增進神經(jīng)細胞的重新生長,針對性的修復(fù)受損的神經(jīng)細胞，從而產(chǎn)生鎮(zhèn)靜、解痙作用，激發(fā)神經(jīng)自身保護功能，促使神經(jīng)功能恢復(fù)。據(jù)悉，國際最新癲癇治療高科技項目微納米生物芯片技術(shù)已經(jīng)取得解放軍軍部、國家權(quán)威醫(yī)療衛(wèi)生部門認可和臨床驗證，并被允許臨床推廣。

　　2．納米仿生材料

　　仿生材料是指模仿生物的各種特點或特性而研制開發(fā)的材料。通常把仿照生命系統(tǒng)的運行模式和生物材料的結(jié)構(gòu)規(guī)律而設(shè)計制造的人工材料稱為仿生材料。而納米技術(shù)在仿生材料上的應(yīng)用，則使得材料的物理、化學(xué)特性發(fā)生重大變化，性能得到顯著提高。核酸與蛋白質(zhì)是執(zhí)行生命功能的重要納米成分，是最好的天然生物納米材料。這些成分相互作用編織了一個復(fù)雜的完美的生物世界。 近年來，在人造復(fù)眼結(jié)構(gòu)上也有了突破性的進展。Jeong 等通過軟刻蝕法，合成了結(jié)構(gòu)近似的人造復(fù)眼，其具有近乎完整的復(fù)眼構(gòu)造，其包括完整的微透鏡、錐體、光通道和檢測器，很好地模擬了復(fù)眼的功能，這種人造復(fù)眼結(jié)構(gòu)的成功，將對今后微存儲、照相領(lǐng)域帶來不可忽視的影響。

　　在對荷葉結(jié)構(gòu)的模仿上，江雷研究小組利用激光刻蝕的方法制備了相似陣列的超疏水碳納米管薄膜。Barthlott 研究小組利用雙組分硅及熔融的聚醚對荷葉植物表面進行結(jié)構(gòu)復(fù)制也得到了超疏水表面薄膜。這些結(jié)構(gòu)與荷葉類似，都具有很強的疏水性能。隨著研究的深入，已經(jīng)可以通過各種方法制備超疏水材料，如等離子體處理、氣相沉積等。進一步地，將固體表面的特殊浸潤性結(jié)合起來，可以設(shè)計超雙親、超雙疏、親疏條件切換等特殊材料，這些材料在物理、化學(xué)、智能控制等方面有著巨大的潛力。

　　水黽能自由的在水面行走、滑動。這種迷人的特性一直吸引著人們。已經(jīng)知道，水黽的這種特性與其腿部的微納結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的疏水性是分不開的。Bush 研究小組模擬制造了一只機器水黽，其身軀由易拉罐的金屬皮制成，前后兩對腿為疏水性的不銹鋼絲，中間的一對腳則由一條彈力帶和滑輪構(gòu)成。同水黽一樣，此機器水黽也能依靠腿的彎曲產(chǎn)生的曲率來支撐其身體，也能自由的漂浮在水面上。如果將這種超疏水性材料應(yīng)用到船體上，則可以明顯減小船底的吃水深度，如能大規(guī)模應(yīng)用，必將對航運事業(yè)產(chǎn)生不可估量的影響。

　　壁虎等是靠腳上無數(shù)微小的剛毛與物體之間產(chǎn)生的范德華力來黏附的。范德華力本身是一種非常弱的分子間力，由于其過于微弱，長期以來并不引人注意。直到Full 小組研究發(fā)現(xiàn)，壁虎能夠在墻壁等上面自由行走，靠的確實是每根剛毛累積起來的范德華力，雖然每根剛毛產(chǎn)生的范德華力非常微小，幾十萬根剛毛的總體產(chǎn)生的力就十分可觀了。

　　對這種黏附力的模仿，Geim等用電子束刻蝕和氧等離子體處理，報道合成了類似壁虎腳上剛毛的聚酰亞胺陣列絨毛，這是一種非黏性黏合劑，依靠的正是范德華力。這種材料有很多潛在的用途，將有可能使人在墻壁上自然行走，成為真正的“蜘蛛”。

　　3.納米馬達

　　生物納米馬達，又稱生物馬達分子、分子馬達或納米機器，是由生物大分子構(gòu)成并將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的納米系統(tǒng)。天然的分子馬達，如：驅(qū)動蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物體內(nèi)的胞質(zhì)運輸、DNA復(fù)制、細胞分裂、肌肉收縮等生命活動起著重要作用。它是馬達家族的革命，標(biāo)志著人類由制造物理馬達到制造生物馬達的理想成為現(xiàn)實。納米馬達這種聚合物分子含有數(shù)對氮原子，氮原子兩側(cè)各有一個苯環(huán)，環(huán)與環(huán)之間的氮“橋”扭結(jié)在一起。分子的往復(fù)伸縮形變就是馬達的運轉(zhuǎn)。

　　4,. 納米復(fù)合材料

　　納米復(fù)合材料是以樹脂、橡膠、陶瓷和金屬等基體為連續(xù)相，以納米尺寸的金屬、半導(dǎo)體、剛性粒子和其他無機粒子、纖維、納米碳管等改性為分散相，通過適當(dāng)?shù)闹苽浞椒▽⒏男詣┚鶆蛐缘胤稚⒂诨�體材料中，形成一相含有納米尺寸材料的復(fù)合體系，這一體系材料稱之為納米復(fù)合材料。

　　復(fù)合材料由于其優(yōu)良的綜合性能，特別是其性能的可設(shè)計性被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防、交通、體育等領(lǐng)域，納米復(fù)合材料則是其中最具吸引力的部分，近年來發(fā)展很快，世界發(fā)達國家新材料發(fā)展的戰(zhàn)略都把納米復(fù)合材料的發(fā)展放到重要的位置。該研究方向主要包括納米聚合物基復(fù)合材料、納米碳管功能復(fù)合材料、納米鎢銅復(fù)合材料。

　　在納米聚合物基復(fù)合材料方面，主要采用同向雙螺桿擠出方法分散納米粉體，分散水平達到納米級，得到了性能符合設(shè)計要求的納米復(fù)合材料。我們制備的納米蒙脫土/PA6復(fù)合材料中，納米蒙脫土的層間距為1.96nm，處于國內(nèi)同類材料的領(lǐng)先水平（中國科學(xué)院為1.5~1.7nm），蒙脫土復(fù)合到尼龍基體中后完全剝離成為厚度1~1.5nm的納米微粒，其復(fù)合材料的耐溫性能、阻隔性能、抗吸水性能均非常優(yōu)秀，此材料已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化；正在開發(fā)的納米TiO2/聚丙烯復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗菌效果，納米TiO2粉體在聚丙烯中分散達到60nm以下，此項技術(shù)正在申報發(fā)明專利。

　　5. 界面生物材料

　　很多納米材料,如納米粒子、納米管、核酸、納米肽等具有巨大的臨床應(yīng)用潛力。納米材料在臨床應(yīng)用的一個主要問題是這些材料能否被機體免疫系統(tǒng)接受。生物兼容性意指控制與生物組織相接觸的材料行為的一系列復(fù)雜的理化與生物學(xué)反應(yīng)過程。利用納米技術(shù)，科研人員還研制出一種超雙親性界面物質(zhì)（即同時具有超親水性和超親油性的表面）材料，用這種材料整理過的玻璃表面及建筑材料表面具有自清潔及防霧等效果。

　　仿生智能界面材料是指具有感知環(huán)境(包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境)刺激,對之進行分析、處理、判斷,并采取一定的措施進行適度響應(yīng)的一類新型復(fù)合材料。

　　生物材料作為醫(yī)用植入材料始于18世紀初。1808年初成功制成了鑲牙陶齒。1892年Dreesman發(fā)表了第1篇關(guān)于利用熟石膏填充骨缺損的報告。1963年Smith報告發(fā)展了一種陶瓷骨替代材料，這是一種由48％多孔鋁酸鹽陶瓷和環(huán)氧樹脂組成的陶瓷，它與骨組織的物理性能很相匹配。進入80年代以后，復(fù)合型生物材料的研究掀起了一個高潮，隨著研究的深化和應(yīng)用廣泛化，為獲得長期滿意的生物效應(yīng)，對生物材料的要求越來越高

　　6. 納米傳感器與藥物傳遞系統(tǒng)

　　當(dāng)今納米技術(shù)的發(fā)展，不僅為傳感器提供了良好的敏感材料，例如納米粒子、納米管、納米線、納米薄膜等，而且為傳感器制作提供了許多新穎的構(gòu)思和方法，例如納米技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)STM，研究對象向納米尺度過渡的MEMS技術(shù)等。

　　與傳統(tǒng)的傳感器相比，納米傳感器尺寸減小、精度提高等性能大大改善，更重要的是利用納米技術(shù)制作傳感器，是站在原子尺度上，從而極大地豐富了傳感器的理論，推動了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域納米傳感器主要包括以下三大類：1.納米生物和化學(xué)傳感器2.納米氣敏傳感器3.其他類型的納米傳感器（流量、壓力和溫度等）

　　納米傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)療保健、軍事、工業(yè)控制和機器人、網(wǎng)絡(luò)和通信以及環(huán)境監(jiān)測等。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，納米傳感器在國防安檢方面的強大優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。相信在不久的將來，納米傳感器將用于新一代的軍服和設(shè)備，并將用來檢測炭疽和其他的危險氣體等。

　　7. 藥物傳遞系統(tǒng)

　　藥物傳輸系統(tǒng)(Drug Delivery Systems,DDS)系指人們在防治疾病的過程中所采用的各種治療藥物的不同給藥形式，在60年代以前的藥劑學(xué)中稱為劑型。如注射劑、片劑、膠囊劑、貼片、氣霧劑等。隨著科學(xué)的進步，劑型的發(fā)展已遠遠超越其原有的內(nèi)涵，需要用藥物傳輸系統(tǒng)或給藥器(Device)這類術(shù)語加以表述，即原由藥物與輔料制成的各種劑型已滿足不了臨床治療的需要，有的將藥物制成輸注系統(tǒng)供用，有的則采用鈦合金制成給藥器植入體內(nèi)應(yīng)用，使臨床用藥更理想化。為克服普通制劑的有效血濃維持時間短的缺陷，出現(xiàn)了長效注射劑，口服長效給藥系統(tǒng)或緩/控釋制劑、經(jīng)皮給藥系統(tǒng)等一系列新的制劑。由于緩/控釋制劑的特點，它的市場前景看好。緩釋制劑通常是指口服給藥后能在機體內(nèi)緩慢釋放藥物，使達有效血濃，并能維持相當(dāng)長時間的制劑�？蒯屩苿┫抵羔屗幩俣葍H受給藥系統(tǒng)本身的控制，而不受外界條件，如pH、酶、離子、胃腸蠕動等因素的影響，是按設(shè)計好的程序控制釋藥的制劑，如零級釋藥的滲透泵，脈沖釋藥的微丸，結(jié)腸定位釋藥的片劑或膠囊以及自動調(diào)節(jié)釋藥的胰島素給藥器等等。亦有些文獻對緩釋、控釋制劑不加嚴格區(qū)分，統(tǒng)稱為緩/控釋制劑.

　　日本電氣公司的專利，公開了一種圖形排列碳納米材料結(jié)構(gòu)，可用于藥物傳輸。具體方法是：將碳納米材料嫁接在多環(huán)芳香族分子上，固定在一個襯底表面和具有單層石墨結(jié)構(gòu)的陽離子上，形成特定的圖形排列。

　　瑞士FIRMENICH & CIE的專利，公開了一種基于無機納米粒子的藥物傳輸系統(tǒng)，這種納米尺寸傳輸系統(tǒng)包括一種無機納米粒子半族與至少一種有機前體香料或前體藥物半族形成共價鍵。

　　美國朗訊科技公司的專利，公開了一種可植入的藥物傳輸支架，包括一種具有內(nèi)表面和外表面的管狀成分，特征在于：至少一個表面是疏水的，至少一個表面區(qū)域包括微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)陣列，所說的陣列使這個區(qū)域具有動力學(xué)控制疏水性。

　　美國休斯頓大學(xué)的專利，公開了一種納米結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用為藥物傳輸系統(tǒng)，這種納米結(jié)構(gòu)有三種具體形式：納米粒子核和納米殼、納米粒子核和納米棒、納米粒子核和納米殼和納米棒。納米粒子殼具有一種導(dǎo)電材料，納米殼或納米棒具有另一種導(dǎo)電材料，這兩種導(dǎo)電材料可以是相同的也可是不同的。

　　伴隨著生物技術(shù)、材料科學(xué)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、電子計算機等的發(fā)展和實際應(yīng)用領(lǐng)域的迫切需要，生物納米材料的研制與應(yīng)用會不斷發(fā)展，發(fā)展前景誘人。我相信在不久的未來，我們會生活在納米的世界里，納米一定會慢慢走進我們的世界，造福我們的世界。

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