纳米材料与生物医学的联姻——纳米医学

供稿|王海成，邓玲，闫智然，魏鑫 / WANG Hai-cheng, DENG Ling, YAN Zhi-ran, WEI Xin

纳米（nano）是一个长度单位(nm)，即十亿分之一米，1 nm只有几个原子那么大。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100 nm）或由纳米粒子作为基本单元构成的材料，它包括二维的薄膜材料、一维的纳米线（管、带）及零维的纳米颗粒。

纳米技术，是指在0.1～100 nm空间尺度内，研究原子、分子的运动规律和特性，操纵原子和分子对材料进行加工，制造特定功能产品的高新技术。

纳米科技是一个涉及化学、物理、材料科学、生物学和医学等众多学科的交叉领域科学技术。近年来，随着纳米科技的发展，其对疾病的诊断和治疗等生物医学的发展有着重大的推动作用。据估测，纳米科技在医学领域的应用全球市场在2015年有望达到700～1600亿美元。由此，纳米技术和分子生物学相结合发展出一个新的研究领域—纳米医学，包括靶向治癌、蛋白质提纯、药物传输和医学影像等[1-6]。

然而，纳米物质是人类所发明的吗？答案是否定的。事实上，纳米材料在自然界中早已经存在。动物的牙齿，骨骼，海底的藻类、天上的陨石都是纳米材料构成的。荷叶“出淤泥而不染”，这其中就隐藏着纳米技术知识。在荷叶的表面，水汽会自动聚集成水珠，将叶面上的尘埃清洗干净，这就是著名的荷叶效应。原来，荷叶表面有着非常复杂的纳米超微结构，在荷叶的表面布满了一个挨着一个的小“山包”，小“山包”之间的凹陷部分可有效的吸附游离空气，从而使荷叶的表面形成一层薄薄的空气层，正是由于这层薄薄的空气，将尘埃隔绝开来，这就是纳米技术现象。在自然界, 植物通过叶片把光能转换为化学能的光合作用就是纳米工厂的典型例子。生物体内也存在着纳米颗粒，最新的科学研究发现，蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子，这种磁性的纳米粒子具有类似指南针的功能，蜜蜂利用这种纳米粒子来确定其周围的环境，利用在磁性纳米粒子中存储的图像来辨明方向。同时科学家还发现海龟也是依靠自己头部的纳米磁性颗粒进行导航来完成几万公里的迁徒的。人们还发现鸽子、海豚、蝴蝶以及水中生活的趋磁细菌等生物体之所以具有回归本领，也是因为它们体内存在的超微粒磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向。对人类来说, 应用生物学来实现科学技术上纳米及控制和操纵仅仅才是开始。

纳米技术在诊断技术方面的应用

诊断是临床工作第一个重要的环节，是治疗的前提和依据。

新型的纳米影像学诊断工具—光学相干层析术(OCT)

OCT被科学家誉为“分子雷达”，其分辨率可达1个微纳米级，较CT和MRT(磁共振)的精密度高上千倍，能够每秒2000次完成生物体内活细胞的动态成像，观察活细胞的动态，发现单十细胞病变.且不会像X线、CT、MRT那样杀死活细胞。OCT分析如图1所示。

图1 纳米光学相干层析术结构分析。

纳米技术用于分析和检测

纳米技术可以对生物体进行分析与检测，目前已有多种光学手段应用于骨强度测量、眼球直径测量；也有类似的光介导的方法测量体温和血压。纳米激光可用于肿痛细胞的诊断。20世纪80年代末，国外开始研究纳米超顺磁性氧化铁造影剂，纳米颗粒形貌如图2所示。中国医科大学第二临床学院陈丽英教授等进行的超顺磁性氧化铁超微颗粒研究，通过动物实验证明，可发现直径3 mm以下的肝肿瘤。这对早期诊断肝癌十分有利，大大提高了肝癌早期诊断的敏感性。

图2 氧化铁纳米颗粒（7～8 nm）

激光单原子分子探测术

此术可在古有1000亿个原子或分子的1cm3气态物质中，在单个原子分子层次上准确获取其中一个，可见具有超高灵敏性。通过人的唾液、血液、粪便以及呼出的气体，及时发现人体中亿万分之一的各种致病或带病游离分子(或标志物)。

微小探针技术

微小探针植入人体后，可根据不同的诊断和监测目的，定位于体内的不同部位，也可随血液在体内运行，随时将体内的各种生物信息反馈到体外记录装置。

纳米技术在治疗技术方面的应用

纳米机器人

纳米机器人是纳米机械装置与生物系统的有机结合，由纳米传感器、纳米处理器与纳米执行器等组成。纳米传感器探测疾病的性质和位置，纳米处理器考虑采取什么措施来治疗，纳米执行器依照预设程序治疗疾病。这种纳米机器人的尺寸比人体红血球小、它可以自由地进出细胞壁、能周游于人体微观世界而不被免疫系统排斥（如图3所示）；能够对被化学或辐射引起损伤的细胞进行修复，杀死细胞内的病菌；装上特殊的手术刀，就可以完成医生较难完成的微型手术，如杀死或切除病变组织，做微型整容手术，切除视网膜上的瘢痕组织，加强血管壁的结构，修复关节，缝合血管、神经，直接进入心脏进行电击起搏，直接进入被污染的组织中清除污染物等。还可以修复DNA中有害的基因片段。或使引起癌症的DNA突变发生逆转而延长人的寿命或使人返老还童。纳米机器人通过修复大脑和其他脏器的冻伤而使低温贮藏的人复活。

微管腔的清道夫（纳米医生）

图3 纳米机器人在人体细胞内进行工作

纳米机器人是包含纳米计算机可以进行人机对话的高智能的装置，而微管腔纳米清道夫则只能做些粗活。利用纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学等成果，制造成的毫微型机器人，其体积远远小于红细胞的体积。向病人血管中注射若干这种毫微型机器人，他就可以进入血液循环中, 用其类似机械功能，以清除血管内血栓及动脉血管壁上的斑块、改进血流、 以防止心、脑梗塞。它们还可按照事先编制好的程序，探测它们所碰到的任何物体，对正常组织细胞置之不理，而遇到病菌会将其“嚼碎”，破坏成肾脏能排泄的废物。还可用于胆道与泌尿系统粉碎结石，以治疗胆道及泌尿系结石症。

药物输送器（定点给药、生物导弹）

传统的用药方式有静脉、肌肉、口服给药等。这些方法往往是局部病变，全身给药，真正到达病变局部的药物数量有限，大量药物被其他部位吸收，并可能对正常组织产生一定的毒副反应。利用纳米技术制成的药物输送器(包括传感器、储药囊和微型压力泵) 将可以很轻易地运输到先前不能到达的身体部位，释放相应剂量药物杀死病原体，清除病灶，如图4所示。这样可以节省药物，又可防止全身性用药后产生的不良反应。利用微型机器人探入体内做到定点给药.将是21世纪纳米治疗内科疾病的特点。例如对糖尿病患者，药物输送器可不断探测其血液中血糖水平，当高于正常水平时，就释放药囊中的胰岛素，以维持正常的血糖水平。

肿瘤细胞的治疗

图4 纳米Au粒子表面修饰药物

某些纳米材料可杀死癌细胞，武汉理工大学李世谱教授1993年发现羧基磷灰石的纳米材料是杀死癌细胞的有效武器，委托北京医科大学等权戚机构做的细胞生物试验表明：纳米粒子可以杀死人的肺癌、肝癌、食管高等多种癌细胞。李教授认为纳米材料要具备杀死癌细胞、不伤害正常细胞的奇特功效。必须具备2个条件：一是纳米粒子具备一定的尺度，在20～100 nm之间。二是纳米粒子要呈“均匀”分布，才具药效。

图5 纳米材料可用于肿瘤细胞的靶向治疗

纳米技术在医药学领域方面的应用

纳米抗菌药

纳米Ag+、Zno、TiO2等粒子因其内部有特殊的结构而带有不饱和的负电荷, 因而具有强烈的阳离子交换能力，对病菌、细菌有很强的吸附固定作用，从而起到抗菌作用，是良好的纳米抗菌材料。我国安信纳米生物科技( 深圳) 有限公司开发生产的“广谱速效纳米抗菌颗粒”直径只有25 nm的棕色纳米抗菌微粒、对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物均有强烈的抑制和杀灭作用，同时还具有广谱、亲水、环保无耐药性和无毒等多重性能，是最理想的全天然杀菌材料。该产品开发成功，标志着我国纳米材料在医学领域的应用达到世界先进水平。

纳米抗癌药

如上所讲的武汉理工大学李世普教授发现纳米羟基磷灰石是对付癌细胞的有效武器, 并用于癌症治疗。这种纳米粒子可以杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种癌细胞, 而对正常细胞丝毫无损伤。

纳米粒子

磁性纳米粒子是一种纳米尺度的金属超微粒子，它不具备矫顽力，但呈现超顺磁性：即对磁场有反应、撤去磁场后、即散开。利用磁性纳米粒子的超顺磁性，可进行细胞及生物分子的分离与纯化，并可进一步研制作为载体，为药物及基因的靶向性治疗提供可行性。例如，巷国柏林“沙里特”临床医院就已尝试借助磁性纳米微粒治疗癌症，研究人员将一些极其细小的氧化铁纳米微粒注入鼠类的肿瘤里，然后将其置于可变的磁场中 受磁场的影响，肿瘤里的氧化铁纳米微粒升温到45～47℃，这一温度足以烧毁癌细胞。由于肿瘤附近的机体组织中不存在磁性微粒，因此这些健康组织的温度不会升高，也不会受到伤害。研究人员计划下一步进行人体试验。前面提到，中国医科大学第二临床学院已完成超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体的研究课题，运用这项研究成果可以发现直径3 mm以下的肝肿瘤。

纳米中药

纳米技术因其小尺寸效应及特殊的磁学性质, 对中草药性能及其疗效的研究, 可能带来不可估量的前景。华中科技大学徐碧华教授提出了纳米中药的科学概念。纳米中药是指运用纳米技术制造的粒径小于100 nm的中药有效成分、有效部位。“纳米中药”不仅可以提高药物的生物利用度，有效降低中药的毒副作用，增强临床疗效，而且更方便、更经济。如果将不易被人体吸收的药物做成纳米粉，则更容易被吸收。世界上首项将纳米技术应用于中草药加工领域的纳米级中药胶囊生产技术, 已在西方国家高新技术产业开发区诞生，并通过产品技术鉴定，其中甘草微胶囊微粒平均粒径19 nm。纳米技术和纳米材料的应用丰富了中药的剂型，提高了中药的临场疗效，有利于降低药物的不良反应，使中药具有一定的缓释性和组织靶向性，促进中药生产走向工业化，标准化和规模化，加速了中药向国际市场的进军步伐，对中药的发展产生了革命性的影响。

人造红血球

图6 纳米材料用于研制新型药物

我们知道，脑缺氧6～8 min即出现坏死，内脏器官缺氧后也出现衰竭。人造红血球不仅具有消除体内坏因素的功能,而且还有增强人体功能的能力。当人的心脏因意外突然停止跳动时，医生可以马上将大量的人造红血球注入人体,随即提供生命赖以生存的氧,以维持整个机体的正常生理活动。

保健品

上海中医研究所与滨海县首乌制品有限公司的科研人员, 将纳米技术引入首乌加工工艺中, 成功研制出一种冲泡简便、营养丰富的多元素“速溶”首乌粉, 检测表明是一种药用价值较高的保健补品。除此之外，国内还开发出超微粒灵芝孢子粉。

纳米技术在人造器官方面的应用

1994年，Bonfield已成功研制出模拟骨骼结构的纳米物质, 其主要成分为与聚乙烯混合压缩后的羟基磷灰石网，物理特性符合理想的骨骼替代物其它可用于临床的纳米材料还有人工关节、美容植入假体及口腔正畸材料。基于纳米材料特殊的性质，可以容易的寻找人体各组织的替代物。德国马克斯一普朗克协会下属的固体研究所与美国等国家的科学家合作研究出以纳米碳管为成分人造肌肉纤维，它的伸缩性和灵敏度超过了迄今为止的任何人造材料。2000 年四川大学李玉宝还研制出纳米人工眼球。这只眼球不仅可以像真眼一样同步移动，还可以通过电脉冲刺激大脑神经，看到精彩世界。相信不久后的世界残疾将远离人类。

纳米技术在人类美容和长寿方面的应用

纳米技术在医学美容和抗衰老中的应用

正所谓爱美之心人皆有之，现如今，纳米技术在现代医学美容和抗衰老领域的研究和应用一直是倍受关注的热门话题。有关纳米美容化妆品和纳米医学美容技术应用性研究的报道主要集中在纳米技术在化妆品中的应用上。包括在化妆品乳化技术中的应用、在活性物质添加技术中的应用、作为防晒剂原料在防晒化妆品中的应用、以及利用纳米材料包裹运载美容化妆品中生物活性物等。

纳米技术的大胆设想—纳米技术令你长生不老

长寿这曾经人类是不敢奢望的，可能有人会问，现在人类就敢奢望长寿吗？我不敢做绝对的回答，但是目前，随着纳米技术的发展，人类对运用纳米技术延长寿命开始有了新的期待。

美国人工智能专家雷·库兹维尔曾勾画的未来人类命运的蓝图中，最为闪光的论点就是人类基因可以实现“重新编程”，从而让生命脱胎换骨，健康地活上几百年。他设想在不久的将来可以在人类血液中植入一种“纳米虫”的机器人装置，纳米虫”的大小近似人体血液细胞，它能够从细胞及分子的层面让人体变得更为健康，能进一步加快人类寿命增长的速度。

结束语

近年来, 随着纳米材料科学与技术的发展, 纳米材料的应用开发日益引起人们的关注，纳米材料在高灵敏度医学诊断、高效治疗等领域具有重要的研究价值和应用潜力。纳米材料与科技的发展，无疑对疾病检测诊断、靶向治癌、药物释放等纳米医学的发展有着重大的推动作用，将为人类健康作出积极的贡献。

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