纳米技术在生物医学领域的应用展望

朱 弋 王振洲 杨德清

1 纳米技术的基本概念及其应用

纳米（Nano meter）又称为毫微米，是一种长度计量单位。一毫米等于千分之一米；一微米等于百万分之一米；而一纳米则等于十亿分之一米（1 nm=10-9m）。纳米技术指的是在0.1 nm到几百nm的尺度范围内对原子、分子进行观察、操纵和加工的技术。在20世纪，人们已经对毫微米技术运用的得心应手。但是，当人们企图向更微小的领域-纳米尺度推进时，却遇到了极大的阻力。科学家们发现，在纳米尺度上物质发生了许多不同于宏观世界的奇特的物理和化学变化。

纳米生物学的产生是与SPM的发明和在生命科学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的事情。不同于宏观生物学，纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。纳米生物学发展时间不长就已经取得了可喜的成绩。生物科学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念。纳米生物学的加工技术可以向生物细胞学习。生物器件的特点是像遗传基因分子那样具有自我复制功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件。例如具有生物智能、运算速度更快的生物计算机；利用生物零件可以组装具有特定功能的纳米生物机器人；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成具有生命功能的纳米电路等。

科学家一直在研究微生物的机械本领并试图把它应用到纳米机械的设计中去。例如大肠杆菌等细菌的移动靠的是一种称为鞭毛马达的驱动机构。微生物的鞭毛马达虽然只有30～50 nm，但它的效率却极高。这种效率相当于只需百分之一马力就可以使体重60 kg的人像骑摩托车一样飞速前进。图1是画家笔下的一种纳米仿生术机器人。这种称为游荡者的纳米仿生物可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作。

上图描述的是一个纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于像脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。

康奈尔大学的Carlo Montemagno正在设想研制一种可以进入细胞的微型机械。这种微型机械可以完成细胞本身不能完成的任务，比如，它可以生产药物或发电。

这并不是脱离实际的梦想或毫无根据的猜测。Montemagno已经制作出了一种体积只有红细胞l/5大小的生物分子马达。其关键部分是附着在镇轴上的一种来自大肠杆菌的蛋白质和推进器。这种分子马达只有几nm大小，它所需的能量来自于细胞中普遍存在的生物燃料——ATP( 三磷酸腺苷 ) 。

下一步是研制可以在细胞内自我组装的分子马达。目的是使机械系统和生命系统之间获得无缝整合，分子马达的研制成功使人们距离上述设想不再遥远。

这些研究成果有望改变药物和生命系统之间的作用方式。比如即将投入市场的智能植入物可以根据体内需要，释放不同类型和剂量的药物。类似的研究还有可以根据体内需要命令细胞合成某种激素的电子装置，可以在细胞内自组装、利用细胞内能量运行的发电机。毫无疑问，机械已经开始渗透到生命的运动方式中。

利用小分子构建的纳米机械和我们日常生活所见的机械有很大不同。纳米机械并不是宏观机械的缩小版本。在纳米世界，没有了杠杆、金属钳和阀门等在宏观世界中常见的机械组件。虽然名称类似，但是物理性质却完全不同。在纳米级别，机械力学已经不再适用，取而代之的是量子力学。而实用的纳米机械的制造却是一项极其复杂的工程。尽管 Montemagno自信可以在两年内向人们展示分子马达的用途，他也不得不承认还有许多工程问题尚待解决。目前，这种分子马达的组装成功率是1%～4%。但是要实现商业可行性，成功率需要达到99.9%。而且，从分子马达转变成具体的可以应用的机械，则是一个更大的挑战。Montemagno 认为他和同时代的任何其他人都不可能解决这些问题:“ 这是未来科学家的工作。现在正在学校里读书的那些聪明绝顶的人将来也许会解决这些难题。”

2 纳米技术在生物医学方面产生的新兴学科

2.1 分子电子学Molecular Electronics

LB膜Langmuir-Blodgett Films

由气/液界面上的单分子膜转移到固体表面所组装成的薄膜被称为Langmuir-Blodgett(LB)膜，这是以两位科学家Irving Langmuir 和Katharine B.Blodgett的名字共同命名的。1917年Langmuir得出结论：由于吸附的单层膜分子与亚相（底液）表面结合，使单层膜Langmuir具有稳定性，并随后证明分子在液面上是定向排列的。因此他于1932年获诺贝尔化学奖。Langmuir还发明了膜天平，可用于探测脂肪酸盐分子的形状、大小及在气/液界面上的有序性，并和Blodgett一起研究将分子薄膜转移到固体表面的技术，实现了单分子层的连续转移组装多层组合膜的系统。此外，气/液界面的单层膜通常被称为Langmuir膜（或单分子层膜、单分子膜）。

2.2 纳米摩擦学Nanotribology

是从原子、分子尺度出发，研究相互接触界面上的作用原理、载荷与摩擦能耗间的关系、变化与损伤机理及相关对策的学科。主要的内容包括纳米尺度上的相互接触界面的摩擦模型、纳米膜润滑和微摩擦磨损机理及其控制等。

2.3 分子器件Molecular Devices

通过分子（包括原子、离子）操作、微细加工、分子薄膜或分子组装技术将具有功能特性的分子形成一定的有序分子结构（超分子单元），以此完成一定功能，如开关、存储、整流、一定的逻辑功能以及光学非线性效应等的器件，称为分子器件。分子器件包括广义分子器件与分子纳米器件两大类，前者泛指运用了有机功能材料的器件，后者指基于功能分子器件的特征尺寸或功能单元尺度在纳米量级的器件。

2.4 纳米机械学Nanomechanics

是以微型机械及其系统的设计为目标，研究个组成单元的工作原理、特性和设计理论与方法，以及相关的功能材料、微细加工技术等，从而实现特定设计功能的微型机械系统或微机电系统的组成结构及相关功能，并对系统进行功能综合和定量描述其性能。

[1]Mike M.Nanotechnology: thinking small[M].Environ Health Perspect, 1999.

[2]Jennifer F.Timely toxicology [M].Environ-Health Perspect, 1999.

[3]Christopher RL.Nanobiotechnology: The fabrication and applications of chemical and biological nanostructures[J].Curr Opinion Structural Biol,2000(10):428.

[4]白春礼.纳米科学与技术[M].云南：云南科技出版社，1995.

[5]顾宁.纳米科学与技术在生物医学中的应用[J].世界医疗器械，2001,7(9):32－34.