納米技術(shù)在生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

《納米科學(xué)技術(shù)概論》公選課程考查論文學(xué)院：信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)：數(shù)字媒體技術(shù)姓名：吳俊學(xué)號(hào)：201313050101選課序號(hào)：加課序號(hào)：2014年12月1日納米技術(shù)在生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用納米技術(shù)與生物化學(xué)、分子生物學(xué)整合將對(duì)21世紀(jì)的生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)生深刻的影響。它將利用生物大分子進(jìn)行物質(zhì)的組裝、分析與檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)化、并將藥物靶向性與基因治療等研究引入微型、微觀領(lǐng)域，用納米生物技術(shù)檢測(cè)是否患有癌癥只用幾個(gè)細(xì)胞。

關(guān)鍵詞

納米技術(shù)；納米生物學(xué)；DNA納米技術(shù)

20世紀(jì)80年代才開(kāi)始研究的納米技術(shù)在90年代獲得了突破性進(jìn)展。最近美《業(yè)周刊》列出了21世紀(jì)可能取得重大突破的三個(gè)領(lǐng)域：一是生命科學(xué)和生物技術(shù)；二是從外星球獲取能源；三是納米技術(shù)。所謂納米技術(shù)(Nanotechnology)是指在小于100

nm的量度范圍內(nèi)對(duì)物質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行制造的技術(shù)，其實(shí)就是一種用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。納米技術(shù)在新世紀(jì)將推動(dòng)信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)及能源科學(xué)的發(fā)展，將極大的影響人類的生活，衣、食、住、行、醫(yī)療等方面。本文將圍繞納米技術(shù)給21世紀(jì)的生物醫(yī)學(xué)可能帶來(lái)影響作一概述。

1

納米生物學(xué)的研究對(duì)象

有人把在納米尺度(水平)上研究生命現(xiàn)象的生物學(xué)叫做納米生物學(xué)。納米結(jié)構(gòu)通常指尺寸在1

nm～100

nm范圍的微小結(jié)構(gòu)。1納米等于10-9m，即1m的十分物；③磷脂本身是細(xì)胞膜成分，因此納米脂質(zhì)體注入體內(nèi)無(wú)毒，生物利用度高，不引起免疫反應(yīng)；④保護(hù)所載藥物，防止體液對(duì)藥物的稀釋，及被體內(nèi)酶的分解破壞。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。對(duì)脂質(zhì)體表面進(jìn)行修飾，譬如將對(duì)特定細(xì)胞具有選擇性或親和性的各種配體組裝于脂質(zhì)體表面，以達(dá)到尋靶目的。以肝臟為例，納米粒子—藥物復(fù)合物可通過(guò)被動(dòng)和主動(dòng)兩種方式達(dá)到靶向作用：當(dāng)該復(fù)合物被Kupffer細(xì)胞捕捉吞噬，使藥物在肝臟內(nèi)聚集，然后再逐步降解釋放入血液循環(huán)，使肝臟藥物濃度增加，對(duì)其它臟器的副作用減少，此為被動(dòng)靶向作用；當(dāng)納米粒子尺寸足夠小約100～150

nm且表面覆以特殊包被后，便可以逃過(guò)Kupffer細(xì)胞的吞噬，靠其連接的單克隆抗體等物質(zhì)定位于肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞發(fā)揮作用，此為主動(dòng)靶向作用。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。

納米粒作為輸送多肽與蛋白質(zhì)類藥物的載體是令人鼓舞的，這不僅是因?yàn)榧{米?？筛倪M(jìn)多肽類藥物的藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)，而且在一定程度上可以有效地促進(jìn)肽類藥物穿透生物屏障。納米粒給藥系統(tǒng)作為多肽與蛋白質(zhì)類藥物發(fā)展的工具有著十分廣泛的應(yīng)用前景。

2.4

DNA納米技術(shù)和基因治療

DNA納米技術(shù)(DNA

nanotechnology)是指以DNA的理化特性為原理設(shè)計(jì)的米技術(shù)，主要應(yīng)用于分子的組裝。DNA復(fù)制過(guò)程中所體現(xiàn)的堿基的單純性、互補(bǔ)法則的恒定性和專一性、遺傳信息的多樣性以及構(gòu)象上的特殊性和拓?fù)浒邢蛐?，都是納米技術(shù)所需要的設(shè)計(jì)原理?，F(xiàn)在利用生物大分子已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)納米顆粒的自組裝。將一段單鏈的DNA片斷連接在13

nm直徑的納米金顆粒A表面，再把序列互補(bǔ)的另一種單鏈DNA片斷連接在納米金顆粒B表面，將A和B混合，在DNA雜交條件下，A和B將自動(dòng)連接在一起。利用DNA雙鏈的互補(bǔ)特性，可以實(shí)現(xiàn)納米顆粒的自組裝。利用生物大分子進(jìn)行自組裝，有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：可以提供高度特異性結(jié)合，這在構(gòu)造復(fù)雜體系的自組裝方面是必需的。

美國(guó)波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程所Bukanov等研制的PD環(huán)(PDloop)(在雙鏈線性DNA中復(fù)合嵌入一段寡義核苷酸序列)比PCR擴(kuò)增技術(shù)具有更大的優(yōu)越性；其引物無(wú)須保存于原封不動(dòng)的生物活性狀態(tài)，其產(chǎn)物具有高度序列特異性，不像PCR產(chǎn)物那樣可能發(fā)生錯(cuò)配現(xiàn)象。PD環(huán)的誕生為線性DNA寡義核苷酸雜交技術(shù)開(kāi)辟了一條嶄新的道路，使從復(fù)雜DNA混合物中選擇分離出特殊DNA片段成為可能，并可能應(yīng)用于DNA納米技術(shù)中。

基因治療是治療學(xué)的巨大進(jìn)步，質(zhì)粒DNA插入目的細(xì)胞后，可修復(fù)遺傳錯(cuò)誤或可產(chǎn)生治療因子(如多肽、蛋白質(zhì)、抗原等)。利用納米技術(shù)，可使DNA通過(guò)主動(dòng)靶向作用定位于細(xì)胞；將質(zhì)粒DNA濃縮至50～200

nm大小且?guī)县?fù)電荷，有助于其對(duì)細(xì)胞核的有效入侵；而最后質(zhì)粒DNA插入細(xì)胞核DNA的準(zhǔn)確位點(diǎn)則取決于納米粒子的大小和結(jié)構(gòu)。此時(shí)的納米粒子是DNA本身所組成，但有關(guān)它的物理化學(xué)特性尚有待進(jìn)一步研究。

2.5

納米細(xì)胞分離技術(shù)

20世紀(jì)80年代初，人們開(kāi)始利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離，建立了用納米SiO2微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離的新技術(shù)。其基本原理和過(guò)程是：先制備SiO2納米微粒，尺寸大小控制在15～20

nm,結(jié)構(gòu)一般為非晶態(tài)，再將其表面包覆單分子層。包覆層的選擇主要依據(jù)所要分離的細(xì)胞種類而定，一般選擇與所要分離細(xì)胞有親和作用的物質(zhì)作為附著層。這種SiO2納米粒子包覆后所形成復(fù)合體的尺寸約30

nm。第二步是制取含有多種細(xì)胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液，適當(dāng)控制膠體溶液濃度。第三步是將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細(xì)胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，再通過(guò)離心技術(shù)，利用密度梯度原理，使所需要的細(xì)胞很快分離出來(lái)。此方法的優(yōu)點(diǎn)是：①易形成密度梯度；②易實(shí)現(xiàn)納米SiO2粒子與細(xì)胞的分離。這是因?yàn)榧{米SiO2微粒是屬于無(wú)機(jī)玻璃的范疇，性能穩(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應(yīng)，既不會(huì)沾污生物細(xì)胞，也容易把它們分開(kāi)。

3

發(fā)展趨勢(shì)

跨入21世紀(jì)后的未來(lái)二三十年，數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)研究的進(jìn)展將擴(kuò)大納米技術(shù)的應(yīng)用范圍，使納米技術(shù)與物醫(yī)學(xué)的聯(lián)系更加緊密，其發(fā)展趨勢(shì)是：①生體相容性好的鈦合金等物質(zhì)將逐步開(kāi)發(fā)，并進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段；②納米技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合，將有助于揭示生物大分子各級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的破譯；③納米生物技術(shù)將使藥物的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、自動(dòng)化、大規(guī)模，而藥物的作用將實(shí)現(xiàn)器官靶向化；④納米生物技術(shù)應(yīng)用于分子之間的相互作用、分子復(fù)合物和分子組裝的研究將在病毒結(jié)構(gòu)、細(xì)胞器結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和自身裝配機(jī)制上取得進(jìn)展；⑤納米生物技術(shù)將使生物活性分子診斷、檢測(cè)技術(shù)向微型、微觀、微量、微創(chuàng)或無(wú)創(chuàng)、快速、實(shí)時(shí)、遙距、動(dòng)態(tài)、功能性和智能化的方向發(fā)展。

有人預(yù)測(cè)，二三十年后，醫(yī)生使用納米技術(shù)只需檢測(cè)幾個(gè)細(xì)胞就能判斷出病人是否患上癌癥或判斷胎兒是否有遺傳缺陷。婦女懷孕8個(gè)星期左右，在血液中開(kāi)始出現(xiàn)非常少量的胎兒細(xì)胞，用納米微粒很容易將這些胎兒細(xì)胞分離出來(lái)進(jìn)行診斷。在人工器官外面涂上納米粒子可預(yù)防移植后的排異反應(yīng)。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。參考文獻(xiàn)［1］唐孝威，胡鈞.測(cè)量和控制生物大分子［J］.世界科技研究與發(fā)展,2000，22(4):16.［2］許孫曲，徐小妹編譯.用新型二氧化硅增強(qiáng)的磁性納米粒子作分子生物學(xué)研究的工具