纳米技术在生物医学工程领域中的作用研究

马明辉 李鹏 萧博睿

纳米技术在生物医学工程领域中的作用研究

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纳米技术作为一种新型技术，具有多种独特且高效的优势，本文主要归纳纳米技术近几年来在生物医学工程领域中的应用及效果，进一步证实纳米技术在生物医学工程领域应用的可行性。由于纳米技术中涵盖的内容广泛且多样，具有多项特殊性能，为生物材料、生物医学工程机械以及康复工程等诸多方面提供坚实而强有力的物质基础与技术保障。在生物医学方面，先进的纳米技术可制成各种分子传感器和探测器，快速了解人们体内潜在风险因子；利用纳米羟基磷酸钙可制成人的牙齿、骨关节等医学物品；将药物制成药包或储存在碳纳米管中，通过不同途径使药物进入体内并激发药剂释放，成为一种可控药剂，为医学事业做出巨大贡献。此外纳米技术也是对癌症治疗最有可能和希望的手段之一，但纳米技术载体存在很强的免疫原，难以避免的引发过敏反应，因此纳米技术在临床应放在安全性考虑之后，设计出更为合适的对抗手段。

纳米技术；生物医学工程；领域；作用

纳米技术（Nanoscaletechnology）是一种具有特定功能产品，一门充分掌握原子和分子运动规律的崭新高技术学科。纳米技术的领域包括纳米材料、纳米电子、纳米生物以及纳米显微等多项技术[1]。其作为近年来一门新兴的学科，与多项高技术紧密结合，已引起世界各国科研人员的极大关注。生物医学工程是将现代生命科学、医学和工程学相结合的综合性学科，涵盖了多个领域[2]。近年来纳米技术在生物医学工程中的应用被越来越多的学者参与研究，为进一步探讨纳米技术在生物工程中的应用价值，现作出以下报道。

1 纳米技术

自80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种纳米技术给予了重视与关注。纳米技术也称为毫微技术，目前有关纳米技术比较统一定义是[3]：在尺寸为1～100 nm（1 nm =10-9m）的范围内，对单个原子、分子制造物质的科学技术，其主要是伴随纳米材料研究而逐渐发展起来的，通常纳米技术分为四大方面，即纳米材料、纳米动力学、纳米生物学和纳米药物学、纳米电子学。从迄今为止的研究来看，关于纳米技术的概念主要分为三种：（1）是1986年美国科学家在《创造的机器》中明确提出纳米技术，但在当时还未取得明显进展，其主要认为纳米技术是一项能够使组合分子的机器实用化，从而任意组合所有种类的分子，制造不同的分子结构；（2）纳米技术定义为微加工的基线，换一种说法就是通过人为来精密加工纳米技术使其形成纳米大小的结构，该项技术在当时虽有有望继续发展下去，但从理论上，这种限制级纳米加工技术，也容易使半导体微型化达到极限，产生一定限制，还有待进一步研究[4]；（3）最后一种是从生物的角度所提出。由于纳米级的结构本身就存在于生物细胞和生物膜内。加上DNA分子计算机以及细胞生物计算机的开发，使其成为纳米生物技术的重要内容[5]。随着纳米技术的发展，与其相应的分支学科也相继建立和发展起来。

2 纳米技术在生物医学工程领域中的应用

2.1 纳米泵人造红细胞

临床已知，脑细胞缺氧6～10 min即可出现坏死，随之而来，各种内脏器官缺氧后也会呈现衰竭，而人造红血球比体内血液中的红细胞要多携带200多倍的氧气[6]，当心脏发生意外情况突然停止跳动时，可立即注入大量人造红血球，消除体内坏因素，并提供生命赖以生存的氧气，维持人体的生理功能。目前纳米人造红血球已被美国纳米技术专家提出设计且成为纳米技术的标志性结果，该项技术在贫血症的局部治疗、呼吸功能受损和其他额外耗氧当中。

2.2 纳米药包

纳米药包最早由美国麻省理工学院的研究人员所研制出[7]，规格为20 nm的药物炸弹和1 000个纳米药包的微型芯片，其作用机制主要为在固定的DNA链上连接上杀癌的药物胶囊，放到患者血液和组织内，一遇上癌细胞的DNA时，DNA链就与癌细胞的DNA结合，这时药物开关受触发而开放，药物便释放出来，杀灭癌细胞。

2.3 纳米技术与基因疗法的相结合

瑞典科学家制作的纳米微型医用机器人[8]，可移动并捡起肉眼看不见的玻璃珠，并利用微型机器手将果蝇的染色体基因进行信号转移，培育出的果蝇多长一个胸脯和翅膀，甚至把果蝇的眼睛和翅膀也挪位；纳米机器人可注入人体血管内，在血管中充当运作分子，并从血液中葡萄糖和氧气中获得能量，在外界医生的信号指令下进行工作；分子机器人能够进行全身健康检查，包括现代医学技术中必要的CT、血管造影、MRI等检查方式，在纳米机器人的帮助下可同时完成治疗与诊断工作，缩短大量不必要的时间；另外纳米机器人也可参加组织器官损坏的修复工作，如整容手术等，甚至有学者在纳米机器人的帮助下逆转癌症的DNA，延长患者的生存期，使机体正常运行[9]。其在生物医学工程中可充当微型医生，解决传统医生难以解决的问题，这对于一些先天残疾或其他原因导致的功能障碍者，具有十分重要的临床意义，实现患者生活自理、生活质量提高。

在当今世界上，人体中存在各种各样的细菌、真菌以及病毒、寄生虫等有害物质，侵蚀患者的有效生命，也是各种疾病出现的源头，若要与之抗争，破坏其分子结构但不能影响人体分子结构是一项迄今为止的难点所在。而有学者设想过[10]，如果能研究出病菌或寄生虫的分子结构及其生命所需要的蛋白质，再制造出专门的分子以破坏这种蛋白质或分子结构。若这种分子研制成功，麻风、疱疹等难治之病将不再棘手，纳米技术也成为人类征服疾病的主要手段之一。

3 纳米技术在生物医学领域研究的发展趋势

在未来的20年中，纳米技术的研究力度与应用范围将会越来越广，其发展趋势在于[11]：（1）纳米技术与分子生物学技术相结合，并在各种大病毒与细胞器结构的装配机制上取得进展。（2）逐渐开发出良好的生物相容性物质，将人体组织成分、结构与力学性能的纳米生物活性仿生医用复合材料是一个非常重要的研究方向。（3）实现药物的控释系统，直接作用于靶器官，从而大大提高治疗效果。（4）纳米技术将使介入性治疗、诊断和检测更加无创、快速。

4 讨论

目前的纳米技术仍是浩瀚宇宙中一颗渺小的星星，其给人们带来的便利将是无穷无尽的。首先在生物医学方面，先进的纳米技术可制成各种分子传感器和探测器，快速了解人们体内潜在风险因子；利用纳米羟基磷酸钙可制成人的牙齿、骨关节等医学物品；将药物制成药包或储存在碳纳米管中，通过不同途径使药物进入体内并激发药剂释放，成为一种可控药剂，为医学事业做出巨大贡献。此外纳米技术也是对癌症治疗最有可能和希望的手段之一，但纳米技术载体存在很强的免疫原，难以避免的引发过敏反应，因此纳米技术在临床应放在安全性考虑之后，设计出更为合适的对抗手段。

我国著名老科学家钱学森曾指出：“纳米科技是21世纪科技发展的重点，会是一次技术革命，而且还会是一次产业革命”。第一次产业革命：18世纪蒸汽机的使用，使英国成为世界强国（毫米技术）。第二次产业革命：电力技术使美国成为世界强国。第三次产业革命：微电子技术使日本成为世界强国（微米技术），而纳米技术将会引发第四次产业革命，其也是国际上公认的二十一世纪乃至二十二世纪最有前途的科技领域。影响着一个社会、国家乃至整个社会文明的进步。总之，纳米技术作为一颗冉冉升起的星星，在不久的将来将发出夺目的光辉。

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Research on the Role of Nanoscaletechnology in the Field of Biomedical Engineering

MA Minghui1 LI Peng2 XIAO Borui3 1 Department of Neurology, Zibo Fifth People's Hospital, Zibo Shandong 255120, China; 2 Department Of General Surgery, Shandong Energy Zibo Mining Group Center Hospital, Zibo Shandong 255120, China; 3 Department of Basic Medicine, Capital Medical University, Beijing 100054, China

Nanoscaletechnology has several distinguished advances as a new technology. This paper mainly concludes the applications and results of Nanoscaletechnology in the fi eld of biomedical engineering recent years, and gives the reasons for the probability to put it into practice. Nanoscaletechnology has built up foundations for areas such as biological material, biomedical engineering and rehabilitation engineering, on account of its distinct advances and wide range of knowledge. Nanoscaletechnology can be applied to kinds of molecular sensors, to detect any unexplored factors; Using Nanoscaletechnology can produce artificial organs like joints and teeth; nanophase materials is a good carrier and controller of medicines. What’s more,Nanoscaletechnology has a splendid future in the area of curing cancers,however, nanophase materials can easily cause allergy. People need to fi nd the optimal method in clinical applications, with safety at the fi rst place.

nanoscaletechnology; biomedical engineering; fi eld; effect

R318

A

1674-9316（2017）27-0154-03

10.3969/j.issn.1674-9316.2017.27.081

1山东省淄博市第五人民医院神经内科，山东 淄博 255120；2山东能源淄博矿业集团中心医院普外科，山东 淄博 255120；3首都医科大学基础医学系，北京 丰台 100054