納米科技在醫(yī)學上的應用.doc

納米科技在醫(yī)學上的應用前言隨著納米技術的飛速發(fā)展，納米科技也已在我們的生活中廣泛的應用。生命是革命的本錢，健康永遠是人們最關心的話題。而現在，納米技術也廣泛的應用于醫(yī)學領域，為人們的健康做出巨大的貢獻。納米科技在醫(yī)學上的發(fā)展現在人們用原子力顯微鏡，不僅可以對脫氧核 糖核酸（DNA）、蛋白質等進行形態(tài)分析，還可以進行 直觀下的分子剪輯、DNA特殊位點的定位等高水平 研究；不僅可以描繪出氨基酸分子中碳、氫原子的關 系，而且已經能直接觀察到DNA鏈螺旋重復等。 英國的伯明翰大學科學家道格拉斯和他的同事 們利用納米技術制造了一些可以自我復制的小分 子，它們相互間能傳遞信息，并能根據環(huán)境發(fā)生變 化。通過研究這種分子，人們可以了解地球生命起源以前的一些情況。利用這種分子還可以制造出一 些妙不可言的東西，如高質量的藥品等。 納米技術還能夠使生命的反應運動方式和酶工 程發(fā)生重大變化。人們可以按照自己的意志培育生物新品種，這種技術可以用于農作物育種等。納米醫(yī)學 疾病大多都是由機體在分子和細胞水平上損傷 引起的。從細胞的角度看，即使是現在最好的手術 刀與其說是在治療疾病，不如說是在撕裂細胞?，F 在的外科手術之所以能夠起作用主要依賴于細胞的 再生和自愈。人體本身也是由分子構成，因此可以預見納米 技術將促成人類醫(yī)療水平的極大進步，納米醫(yī)學，顧名思義，就是納米技術和醫(yī)學的結合，它遠不是對分 子醫(yī)學的擴展，而是采用納米機器系統來解決醫(yī)學 問題，目的是利用分子知識來維護和提高人類的健 康水平。 納米醫(yī)學必將在醫(yī)學領域得到突出的和深遠的 應用，在定義疾病方面，在診斷和治療方面，在人類 對自身的認識方面，最終在人類生物結構和功能的 提高和拓展方面都將發(fā)揮重要的作用。 納米醫(yī)學的應用 一、用于癌癥的治療 利用納米技術，我們可以設計出一種小的設備 來識別和殺死癌細胞。這個設備帶有一個小的計算 機和幾個附著點，用以判別某些特定分子的濃度，一旦發(fā)現癌細胞，它便能及時放出攜帶的藥物殺死癌 細胞。這種治癌設備可以自由地在全身運動，通過 它的附著點周期性地對周圍環(huán)境進行取樣，以決定 某些特定分子的濃度。它還可以帶有多種附著點， 以對多種分子的濃度進行檢測。 這種治癌設備除了能夠檢測各種化合物的濃度 外，還能夠檢測人體各點的壓強。一個小于10nm的 壓力傳感器能夠檢測出人體內小于10.13kPa的壓 強變化。隨著超聲波在醫(yī)學領域的應用，這種治癌 設備也可以用超聲波來從外界接收廣播信息，并進 行自身的定位。 這種治癌設備易于編程以執(zhí)行各種任務。編程 的過程可以通過廣播系統來完成。這使得它可以很 容易地移走或消滅掉人體一切不想要的東西。 二、供氧裝置 眾所周知，有很多的原因可以引起人體血流量 的減少，而血流量的減少可能會帶來嚴重的人體組 織的損傷。引起損傷的最主要的原因就是氧供給不 足。這時人們易于想到的就是向人體注入人工紅細 胞，這樣即使血流量減少了，卻提高了血氧的利用 率，從而避免因氧供給不足引起的組織損傷。但最 好的辦法就是直接向人體提供氧氣，這里的納米供 氧裝置便具有這樣的功能。 它的設計思想如下：用一個直徑約為100nm的 小球充滿101.33MPa的氧氣，把大量的小球放入血 液中，當人體需要的時候，以某個速率釋放氧，供人 體的耗氧需求。 一般情況下，鉆石分子可以經受1012Pa的壓強， 而1000個大氣壓只相當于108Pa，因此可以用鉆石 材料做成這樣的中空小球，其直徑是100nm，而厚度 小于1nm。 這里有一個十分重要的問題要考慮，那就是選 擇什么樣的材料涂覆于小球之上而不會引起人體免疫系統的攻擊。當然這是一個值得深入研究的課 題，目前人們?？紤]用一些能與人體免疫系統兼容 的生物分子做涂覆材料。 根據范德瓦爾氣態(tài)方程，可以計算1mol101.33 MPa的氧氣，在人體溫度310K的條件下體積約為 0.048L，相當于21mol/L。而1mol氧氣在101.33 kPa，溫度為310K的條件下，體積為25.4L，相當于 0.04mol/L。這就意味著有一個530：1的壓縮率。 通常一個安靜的人耗氧率約240ml/min，因此，1L壓 縮到101.33MPa的氧氣足夠維持一個人36h新陳代 謝的耗氧需求。 我們可以用如下圖所示的選通柵門來控制氧氣 從小球中釋放。由圖4我們可以看出，選通柵門是 一個可以雙向旋轉的渦軸，通過調節(jié)渦軸旋轉的速 度和方向，可使小球內部的氧氣以一定的速率釋放 到外部血液中。當然氧氣釋放的速率可以通過檢測 血液中氧的濃度來確定，以適應不同的需求。 要想使供氧裝置完全取代紅細胞還需使它具有 吸收和釋放的功能。當富氧的地方，如在肺里，能夠 讓它吸收氧氣，而在人體其他需氧的地方釋放氧氣。 選通柵門本來就具有雙向運輸的功能，我們只要使 它能夠識別什么時候吸氧，什么時候釋放氧就可以 了。同理，它還必須能在適當的地方吸收和釋放二 氧化碳，家血紅細胞一樣。 三、人工線粒體 當人們開始采取措施來給人提供氧以維持新陳 代謝的時候，人體組織或許已經受到了某種程度的 傷害而不能正常地代謝氧。尤其當細胞中的線粒體 部分失去功能的時候，再來增加氧供給水平，并不一定能使組織有效地恢復。這時需要直接的新陳代謝 供給。直接釋放ATP，同時伴隨著有選擇地釋放和吸 收其他的一些代謝產物，或許是迅速恢復組織功能 的有效手段。人工線粒體裝置，如同前面的供氧裝 置一樣，只不過在這里釋放的是ATP，而不是氧。 四、其他應用 英國劍橋大學的漢弗萊斯及其同事們正在試驗 在一個硅片上刻制定度僅能容納一個DNA分子的芯 片溝槽。計算機裝上這種芯片，就可以完全讀懂 DNA序列，或可以在幾分鐘內查明突然發(fā)生的傳染 病的病因，而且程序控制更嚴密，判斷也更為準確。 在病理學上，目前已經能夠用原子顯微鏡進行 基因水平的形態(tài)觀察，提高了病理研究和臨床診斷 水平。 我國南京?？萍瘓F利用納米技術將銀制成納米 量級的超細小微粒（直徑為100nm左右），然后將其 附著于棉織物上，制成了一種新的醫(yī)用敷料-納 米銀長效光譜抗菌棉。銀具有預防潰爛及加速傷口 愈合的作用，經過納米技術處理后表面積大大增加， 表面結構也發(fā)生根本性的變化，殺菌力相應提高200倍以上。這種納米銀醫(yī)用敷料對臨床常用的外科感 染細菌，如黃金色葡萄球菌、大腸桿菌和綠膿桿菌等 40余種致病菌，都有較好的抑制作用。這是我國將 納米技術應用于醫(yī)學領域取得的一項重要成果。結束語 納米技術是一項嶄新的技術，或者說還是一項 不成熟的技術。從20世紀50年代末，美國著名的物理學家Norbel獎金獲得者Feynman曾經設想如果 有一天能按人的意志安排一個個原子和分子，將會 產生什么樣的奇跡？1990年在美國的巴爾的摩召開 了第一屆NST會議，標志著納米科學與納米技術的 正式誕生，到美國總統克林頓于2000年1月20日在 加州理工學院發(fā)表了關于倡議納米技術的演講，并 把納米材料學、納米電子學和納米醫(yī)學三方面作為 美國納米技術發(fā)展的重點，各國納米技術的研究與 應用已如火如荼地展開。不難做出結論，納米技術 將給人類社會帶來一次重大的革命。隨著計算機技 術和其它科技的迅速發(fā)展，人們預測，到2010年 2020年左右，納米技術將得到廣泛的普及和使用。 納米生物學和納米醫(yī)學是納米科技的重要組成 部分，一方面它們將推動納米技術的發(fā)展，另一方面 又為納米技術在現實中的應用提供了廣闊空間。參考文獻1