現(xiàn)代生命科學與生物技術(shù)10納米生物技術(shù)課件

?納米（nm）是一個空間尺度的單位，1納米等于1×10-9米?納米科技（NanometerScienceandTechnology）指的就是在納米尺度（1~100nm）上研究物質(zhì)（包括原子、分子的操縱）的特性和相互作用，以及利用這些特性的多學科交叉的科學和技術(shù)?目前納米科技的新興領(lǐng)域有納米物理學、納米化學、納米電子學、納米計量學、納米生物學和納米醫(yī)藥學等10.1.1納米和納米科技概述1?納米（nm）是一個空間尺度的單位，1納米等于1×10-9概述納米科技的早期發(fā)展歷程?納米科技的思想最早由美國物理學家Feynman1959年12月在加州理工學院召開的全美物理學會會議上提出?1981年，瑞士蘇黎世IBM實驗室的Binnig和Rohrer發(fā)明了掃瞄隧道顯微鏡（STM），首次實現(xiàn)了人類直接“看”到單個原子的愿望?1985年，Binnig和Quate在美國斯坦福大學發(fā)明了原子力顯微鏡（AFM）?STM和AFM構(gòu)成了掃描探針顯微鏡（SPM）的主體。使用SPM能觀察和操縱一個個原子和分子。?SPM的發(fā)明和廣泛應用直接促進了納米科技的誕生，Binnig、Rohrer和Quate分享了1986年諾貝爾物理學獎?1989年，美國加州IBM實驗室的Eigler博士使用STM將35個氙原子排布成了世界上最小的IBM商標，首次實現(xiàn)了Feynman的設想：按照人的意愿排布一個個原子來構(gòu)建納米器件?1990年，在美國巴爾的摩市召開了第一屆國際納米科學技術(shù)會議2概述納米科技的早期發(fā)展歷程?納米科技的思想最早由美國物理學10.1.3生物大分子的觀測和操縱掃描探針顯微鏡（SPM）是研究生物大分子的有力工具，包括掃描隧道顯微鏡（STM），原子力顯微鏡（AFM），力調(diào)制顯微鏡（FMM），相位檢測顯微鏡（PDM）、靜電力顯微鏡（EFM）、電容掃描顯微鏡（SCM）、熱掃描顯微鏡（SThM）和近場光隧道掃描顯微鏡（NSOM）等各種系列顯微鏡STM由探針及掃描器、電子學控制和計算機數(shù)據(jù)處理和顯示三部分組成AFM是通過探針與樣品原子間斥力梯度信息成像的，它不受樣品導電性的影響310.1.3生物大分子的觀測和操縱掃描探針顯微鏡（SPM）10.1.4納米生物技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀納米生物技術(shù)是國際生物技術(shù)領(lǐng)域前沿的研發(fā)熱點，美、日、德等發(fā)達國家已將其列入國家重點發(fā)展領(lǐng)域，并斥巨資投入該項研究我國納米生物技術(shù)研究主要集中在納米藥物載體、納米診斷技術(shù)、納米生物材料和納米中藥等方面2003年，衛(wèi)生部納米生物技術(shù)重點實驗室在中南大學（湖南省長沙市）掛牌成立我國納米生物技術(shù)的未來發(fā)展重點將在藥物和轉(zhuǎn)基因納米載體、組織相容性納米生物材料和體內(nèi)植入物、納米診斷技術(shù)和納米中藥等重要領(lǐng)域，以提高疾病的早期診斷效率和療效為目標410.1.4納米生物技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀納米生物技術(shù)是國際10.2納米生物材料應用于生命科學中的納米材料可稱之為納米生物材料納米生物材料主要包括兩類：一類是適合于生物體內(nèi)應用的納米材料，其特征是具有良好的生物兼容性，如組織工程材料等；另一類是利用生物分子的特性而發(fā)展的納米材料，可能不再適用于生物體內(nèi)，而被用于其他用途，如分子馬達等納米生物材料具有特殊的生物學效應510.2納米生物材料應用于生命科學中的納米材料可稱之為納米10.2.1天然納米生物材料生物馬達是一類能夠?qū)TP水解產(chǎn)生的化學能轉(zhuǎn)化為機械能的生物大分子或復合物，主要包括Kinesin與Dynein超家族、以及與DNA相互作用的蛋白質(zhì)，也稱作納米機器ATP合成酶是世界上最小的馬達蛋白納米馬達也能以與DNA結(jié)合的單個蛋白分子形式存在DNA易合成，具有高度特異性與柔韌性，是構(gòu)建納米機器的最佳材料610.2.1天然納米生物材料生物馬達是一類能夠?qū)TP水解2000年8月，Bell實驗室和牛津大學的研究者開發(fā)了第一個DNA馬達。據(jù)預測，DNA馬達技術(shù)可制造比當今快1000倍的計算機。在制作DNA馬達時DNA既是結(jié)構(gòu)材料，而且也作為“燃料”。72000年8月，Bell實驗室和牛津大學的研究者開發(fā)了第一個科學家一直在研究微生物的機械本領(lǐng)并試圖把它應用到納米機械的設計中去。例如大腸桿菌等細菌的移動靠的是一種稱為鞭毛馬達的驅(qū)動機構(gòu)。微生物的鞭毛馬達雖然只有30至50納米，但它的效率卻極高。這種效率相當于只需百分之一馬力就可以使體重60公斤的人像騎摩托車一樣飛速前進。8科學家一直在研究微生物的機械本領(lǐng)并試圖把它應用到納米機械的設10.2.2納米仿生材料核酸與蛋白質(zhì)是執(zhí)行生命功能的重要納米成分，是最好的天然納米生物材料納米仿生材料研究，不僅涉及基因與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，還包括它們的識別、結(jié)合、相變、特殊因子的釋放、生物電化學信號的產(chǎn)生與傳導、生物力學與熱力學特性生物礦化是指在生物體內(nèi)形成礦物質(zhì)（生物礦物）的過程，生物礦化為納米生物材料的設計加工提供了有效的手段910.2.2納米仿生材料核酸與蛋白質(zhì)是執(zhí)行生命功能的重要納10.2.3納米醫(yī)學材料氧化物陶瓷是一類重要的組織工程材料，在臨床上主要用于人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工骨釘、人工齒、種植牙和耳聽骨修復等模仿天然的細胞外基質(zhì)——膠原的結(jié)構(gòu)制成的含有納米纖維的生物可降解材料已開始應用于組織工程的體外及動物實驗碳基納米生物材料在人工心臟瓣膜、人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒根等方面具有廣泛的應用納米高分子材料在生物醫(yī)學領(lǐng)域，如免疫分析、藥物控釋載體和介入性診療等方面都有著廣泛應用納米材料在臨床應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1010.2.3納米醫(yī)學材料氧化物陶瓷是一類重要的組織工程材料生物電線DNA是一種理想的構(gòu)建材料。近來，科學家通過在DNA的表面覆蓋金屬原子的培植方法，合成了導電的DNA鏈。Jeremy

Lee等人發(fā)現(xiàn)通過pH值的適當調(diào)控，DNA可以穩(wěn)定地把鋅、鈷、鎳等金屬離子并入其雙螺旋中心，并找到了在高的pH值等基本條件下，穩(wěn)定DNA含有金屬離子的狀態(tài)，并仍然保持選擇性地結(jié)合其他分子的能力，由此獲得了新的DNA導電體。還有，將DNA接在兩個金電極之間，將銀離子交換到表面上，最后將銀離子還原為銀，就成為直徑在100nm左右、長度可達微米級的銀線。11生物電線DNA是一種理想的構(gòu)建材料。近來，科學家通過在DN納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的內(nèi)容，第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結(jié)合體，這種納米機器人可注入人體血管內(nèi)，進行健康檢查和疾病治療。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置。12納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的內(nèi)容，第一代納米機器人美國佛羅里達大學的科學家最近研制出一種能夠100%地殺滅丙肝病毒的納米機器人。這種納米機器人由兩組物質(zhì)構(gòu)成：一組是能夠攻擊并摧毀RNA（參與復制丙肝相關(guān)蛋白）的酶，另一部分是一種寡核苷酸，能識別疾病相關(guān)蛋白并將酶送過去消除危害。在細胞培養(yǎng)和小鼠實驗中，這個新方法已達到了近乎100%的有效率，且沒有任何副作用，例如免疫系統(tǒng)反應。這項新成果促進了醫(yī)療納米機器人的發(fā)展，目前也逐步向臨床應用邁進。13美國佛羅里達大學的科學家最近研制出一種能夠100%地殺滅丙肝10.3.1納米生物傳感器－基本概念“酶電極”是出現(xiàn)最早的生物傳感器生物傳感器是能夠感受生物量并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器，是一種實時監(jiān)測生物體內(nèi)、組織、細胞內(nèi)各項成分、性質(zhì)指標的技術(shù)生物傳感器具有靈敏度高、選擇性好、響應快、操作簡便、樣品需要量少、易于微型化、價格低廉等特點，因此，在生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、食品醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域得到迅速發(fā)展和應用1410.3.1納米生物傳感器－基本概念“酶電極”是出現(xiàn)最早的生物傳感器主要由兩部分組成：其一是分子識別元件或稱感受器，由具有分子識別能力的生物活性物質(zhì)構(gòu)成；其二是信號換能器，是一個電化學或光學轉(zhuǎn)換元件生物傳感器是基于電化學或光學傳感的原理，原則上可分為電化學式和光學式兩大類。其中電化學式包括電位式、電流式和電導式；光學式包括吸光式、反光式和發(fā)光式納米生物傳感器是一種敏感部尺寸為1~100nm的生物傳感器，具有體積小、能在細胞內(nèi)實時測量、對細胞無損傷或微損傷等諸多特點15生物傳感器主要由兩部分組成：其一是分子識別元件或稱感受器，10.3.2納米生物傳感器的研究狀況利用納米技術(shù)和光纖技術(shù)可以制成各種納米光纖生物傳感器，如熒光納米光纖生物傳感器、光纖免疫傳感器、DNA納米光纖傳感器、無轉(zhuǎn)換器的細胞內(nèi)生物傳感器以及利用納米顆粒膜的巨磁阻效應研制的高靈敏度磁傳感器等1610.3.2納米生物傳感器的研究狀況利用納米技術(shù)和光纖技術(shù)納米探針Elghanian等人將直徑約13納米的金微粒粘附上DNA鏈，當在溶液中這些DNA鏈和互補的堿基序列結(jié)合后就形成DNA鏈的網(wǎng)絡，使其中的微粒間距減小，由于金粒的表面等離子體共振，體系的顏色從紅色變成藍色。這種方法對病原體檢測簡便而價廉。17納米探針Elghanian等人將直徑約13納米的金微粒粘附研究者們正在研制的遺傳畸變探測生物傳感器，類似于其他的DNA探測傳感器。在此傳感器上裝配所要探測的特制DNA序列。這里，DNA鏈是導電的。雜交DNA所引起的刪除或變化，均起阻礙電流的作用，通過測量電導的變化可以識別DNA的異常狀態(tài)。18研究者們正在研制的遺傳畸變探測生物傳感器，類似于其他的DNA這種生物傳感器還能用于鑒別混合物，如：環(huán)境毒素、毒品、或蛋白質(zhì)等，當這類分子結(jié)合到金屬DNA上，將把金屬離子排斥出來，導致電流中斷，由于信號強度的減少正比于污染物的濃度，所以能夠很容易地確定環(huán)境毒素的量。19這種生物傳感器還能用于鑒別混合物，如：環(huán)境毒素、毒品、或蛋白10.4.1納米藥物載體納米藥物載體以納米顆粒作為藥物的攜帶體，將藥物包裹在納米顆粒之中或吸附在其表面納米藥物粒徑小，能很容易地通過胃、腸黏膜和鼻腔黏膜，甚至皮膚的角質(zhì)層，不僅可以進入血液循環(huán)，甚至可以進入骨髓。通過與導向物質(zhì)等功能成分的組裝，既可以顯著提高靶向性，又可以提高藥物在患部的相對濃度。同時，由于載藥納米粒的粒徑小，比表面大，對受體組織的黏附性大，給藥后滯留性及與組織的接觸時間、接觸面積均大為增加，從而可提高藥物的生物利用度、降低毒性、減少藥劑用量2010.4.1納米藥物載體納米藥物載體以納米顆粒作為藥物的攜納米高分子材料可分為合成聚合物、天然聚合物或兩者結(jié)合使用。天然聚合物包括殼聚糖、纖維素及其衍生物、淀粉和蛋白質(zhì)等；合成聚合物一般有聚乳酸（PLA）、聚乙交酯丙交酯（PLGA）、聚羥基烷酯（PHA）、聚羥基丁酯（PHB）、聚乙交酯（PGA）、聚內(nèi)酯（PCL）及其共聚物等納米復合材料是指由兩種以上的納米微粒進行復合，或兩種以上的納米薄膜逐層交替鋪上，或納米微粒和薄膜復合的復合材料21納米高分子材料可分為合成聚合物、天然聚合物或兩者結(jié)合使用。10.4.2納米基因傳遞系統(tǒng)基因治療的基本原理是通過將質(zhì)粒DNA插入目的細胞，來修復遺傳錯誤或產(chǎn)生治療因子，如多肽、蛋白質(zhì)、抗原等，從而達到治療的目的介導基因轉(zhuǎn)染的載體一般分為病毒型和非病毒型兩種目前，納米基因傳遞系統(tǒng)采用的納米載體主要包括納米脂質(zhì)體、納米微粒、微膠粒、LDH（layereddoublehydroxide）和樹枝狀分子（dendrimer）等2210.4.2納米基因傳遞系統(tǒng)基因治療的基本原理是通過將質(zhì)粒納米基因載體的特點與傳統(tǒng)基因載體相比，納米基因載體具有以下幾個特點：–生物安全性–核苷酸保護作用–提高細胞攝取率–緩釋、控釋性基因傳遞–靶向性修飾23納米基因載體的特點與傳統(tǒng)基因載體相比，納米基因載體具有以下幾10.4.3納米微粒藥物納米技術(shù)可將藥物顆粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米粒子，同時提高溶解性，以提高難溶性藥物的藥效率同傳統(tǒng)的藥物制劑相比，納米微粒藥物具有以下一些特點：–提高藥物利用度，減少用藥量–呈現(xiàn)新的藥效，拓寬原藥適應癥–豐富藥物的劑型選擇，改變傳統(tǒng)的給藥途徑–納米技術(shù)可使中藥制劑標準化、國際化–納米技術(shù)在藥物合成、催化和分離過程中應用，可提高效率、降低成本，改善產(chǎn)品的質(zhì)量2410.4.3納米微粒藥物納米技術(shù)可將藥物顆粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納10.5.1基本概念納米機器人學（nano-robotics），也稱分子機器人學（molecularrobotics），是研究納米級/分子級物體及設備的構(gòu)建、裝配、復制和控制的一門學科，是集納米技術(shù)、生物、化學、計算機、數(shù)學、機器人學等多門學科于一體的交叉學科與無機材料部件相比，生物分子部件具有無法比擬的優(yōu)越性能，是構(gòu)建納米機器人的首選，由此構(gòu)建的納米機器人也被稱為納米生物機器人（bio-nano-robot）2510.5.1基本概念納米機器人學（nano-robotic納米生物機器人的研究納米生物機器人的研究可分為三個階段：–第一代是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結(jié)合體。例如：用碳納米管作為結(jié)構(gòu)件，分子馬達作為動力組件，DNA關(guān)節(jié)作為連接件