纳米技术在医学领域中的应用研究进展

时间：2014-09-25 22:31:29 阅读量：0次 所属分类：电子论文

纳米技术(nanotechnology)是指在0.1～100nm空间尺度上操纵原子和分子，对材料进行加工，制造具有特定功能的产品或对物质及其结构进行研究的一门综合性的高新技术学科。20世纪80年代开始的纳米技......

　　纳米技术(nanotechnology)是指在0.1～100nm空间尺度上操纵原子和分子，对材料进行加工，制造具有特定功能的产品或对物质及其结构进行研究的一门综合性的高新技术学科。20世纪80年代开始的纳米技术在90年代获得了突破性进展，其与医学的结合形成了新兴边缘学科―――纳米医疗，即在分子水平上利用分子工具和已掌握的关于人体的知识，从事的疾病诊断、医学、预防、保健和改善健康状况等。在认识生命的分子基础上，人们可以设计制造大量的具有奇特功效的纳米装置，它们能够发挥类似于组织和器官的功能;它可以达人体的各处甚至出入细胞，在人体的微观世界里完成畸变的基因修复、扼杀初发的癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒、探测机体内化学或生物化学成分的变化、适时地释放药物和人体所需的微量物质、及时改善人的健康状况等特殊使命。纳米技术在医学领域中的普遍应用将使21世纪的医学产生一个质的飞跃。

　　【关键词】 纳米

　　1 纳米生物医学材料的应用

　　由于纳米材料结构上的特殊性，赋予纳米材料独特的小尺寸效应和表面/界面效应，使其在性能上与微米材料具有显著性差异，表现出诸多优异的性能和全新的功能 [1] 。在医学领域中，纳米材料最引人注目的成功应用是作为药物载体和制作人体材料如人工肾脏、人工关节等。生物兼容物质的开发是纳米材料在医学领域的重要应用方面，树型聚合物就是提供此类功能的良好材料。目前，纳米生物医学材料的探索应用如下。

　　1.1 纳米人工红细胞 [2，3] 我们知道，脑细胞缺氧6～10min即出现坏死，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。纳米人工红细胞的原理是用一个可以双向旋转涡轴的选通栅门来控制氧气从小球中释放，通过调节涡轴旋转的速度和方向，使小球内的氧气根据人体需氧的多少以一定的速率释放到外部血液中，同时使供氧装置在富氧处具有吸收和需氧处具有释放氧气的功能;同理，它还必须能在适当的地方吸收和释放二氧化碳。Robert Freitas初步设计的人工微米红细胞是一个金刚石的氧气容器，内部有1000个大气压，泵动力来自血清葡萄糖，它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的233倍，并具有生物炭活性。它可以应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等。

　　1.2 纳米人工线粒体 [4] 当细胞中的线粒体部分失去功能的时候，再来增加氧供给水平，并不一定能使组织有效地恢复，这时就需要直接释放ATP同时伴随着有选择地释放和吸收其他的一些代谢产物，后者是迅速恢复组织功能的有效手段。人工线粒体装置，如同前面的供氧装置一样，只不过在这里释放的是ATP而不是氧。

　　1.3 纳米人工眼球 [5] 科普作品四川大学研制的纳米人工眼球可以像真眼睛一样同步移动，通过电脉冲刺激大脑神经，“看”到精彩世界。纳米眼球外壳主要是由纳米晶体制成的活性复合材料制作，里面放置微型摄像机与集成电脑芯片，通过这两个部件将影像信号转化成电脉冲来刺激大脑的枕叶神经，实现可视功能。

　　1.4 纳米人工鼻 纳米人工鼻实际上是一种气体探测器，与燃气监视器道理相同，可同时监测多种气体。英国伯明翰大学正在研制“纳米鼻”来预报致哮喘病发作的环境因素，一旦空气中含有易引发哮喘病的气体如臭氧、一氧化碳及氮的氧化物时，其显示器就发出信号。

　　1.5 其它纳米生物医学材料 [6] 模拟骨骼结构的纳米物质，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。通过优化纳米管制备制动器，将使人工肌肉得到实现。有报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂，金属陶瓷等复合纳米材料则能更大地改变材料的力学性质，在医学上可能用来制造人工器官。碳纳米管比钻石还耐用，其弹性如同人发，在1cm 2 上可植100亿根，且敏感度很强，大大超过人们的耳蜗纤毛;高敏感度的碳纳米材料人工耳蜗，可用于监听水中游动的微生物节奏，监测水质。在血液循环中流动的纳米听诊器，可监测特殊细胞功能失调，使癌症等疾病得到早期诊断。

　　2 纳米技术在临床诊断与检测中的应用 [7～10]

　　2.1 光学相干层析技术(Optical Coherence Tomography，OCT) 和CT、MRI相比，OCT能以2000次/s完成生物体内活细胞的动态成像，动态观察体内单个活细胞的病理变化，而不会像X线、CT和MRI那样破坏活细胞。该技术的出现将使疾病初发即被扼杀。

　　2.2 纳米激光单原子分子探测技术 该技术具有高超的灵敏性，它可在含有10 19 个原子/分子的1cm 3 气态物质中，在单个原子/分子层次上准确获取其中1个。据此，医生可以通过检测人的唾液、血液、粪便和呼出气体，及时发现人体中只有亿万分之一的各种疾病或带病游离分子，并用于肿瘤细胞的诊断与治疗。

　　2.3 微小探针技术(纳米探针) 根据不同的诊断和检测目的，将之植入并定位于体内不同的部位，或随血液在体内运行，随时将体内的各种生物信息反馈于体外记录装置。此技术有望成为21世纪医学界最常用的手段。

　　2.4 纳米细胞检疫器(纳米秤) 其能秤量10 -9 g的物体，即相当于1个病毒的质量。利用之可发现新病毒，也可定点用于口腔、咽喉、食管、气管等开放部位的检疫。

　　2.5 纳米传感器 利用其小的尖端插入活细胞内而又不干扰细胞的正常生理过程，以获取活细胞内多种反应的动态化学信息、电化学信息及反映整体的功能状态，以期深化对机体生理及病理过程的理解。

　　2.6 识别血液异常的生物芯片 它可以在血流中巡航探测，及时地发现诸如病毒和细菌的入侵者并予以歼灭，从而消除传染性疾病。Micheal Wisz做了一个雏形装置，发挥芯片实验室的功能，它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞血症和感染了艾滋病的细胞。目前，电场作用下自动寻址的细胞芯片也研究成功，即可用于基因功能研究与蛋白质亚细胞定位，又可用于监测基因与蛋白质的瞬间表达。

　　2.7 利用纳米技术的其它诊断和检测 中国医科大学研制成功了超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体，可以诊断3mm以下的肝脏肿瘤;利用类似光介导的手段测量体温和血压;利用对单个细胞电流学或电流动力学的分析，分离不同类型的细胞;在一个硅片上刻制宽度仅能容纳一条DNA分子的芯片沟槽，计算机装上这种芯片，就可以完全“读懂”DNA序列或可以在几分钟内查明突然发生的传染病的病因。

　　3 纳米技术在临床治疗中的应用 [11，12]

　　3.1 药物治疗 [13] 纳米技术在药物方面的应用涉及以下几点:(1)提高药物的吸收利用度:纳米粒径的药物由于大的比表面积，增加了其暴露于介质中的表面积，促进了药物的溶解，因而可以提高药物的吸收度，同时纳米粒径的药物更容易穿透组织间隙，分布极广，也可以大大提高其生物利用度。(2)控制释放系统:该系统包括纳米粒子和纳米胶囊，其药物释放机制为药物通过囊壁沥滤、渗透和扩散出来，也可以通过基质本身的溶蚀释放其中的药物。该系统可延长药物作用的时间，并在保证药物作用的前提下减少给药剂量，以减轻或避免毒副作用，另外可提高药物的稳定性以便于贮存。(3)提高药物作用的靶向性:药物作用靶向性可以通过纳米载体完成。以纳米粒子作为载体，与药物形成复合物后，根据不同的治疗目的，选用不同的方式进入体内的目标部位，达到治疗的目的。有研究发现纳米粒子的大小、形态及复合物的制造是实现纳米粒子靶向性的关键。(4)建立新的给药途径:多肽类药物在临床上显示了良好的治疗效果，但是多肽类药物口服易被蛋白水解酶降解。利用纳米技术的到来给解决这些问题带来了希望。关于以纳米粒子作为口服蛋白，多肽，基因等药物载体的研究也有文献报道。(5)促进药物通过生物屏障:纳米给药系统通过适当的修饰后，还可以通过血脑屏障等生物屏障。(6)其它方面:纳米技术在药物学领域还有其他的应用，包括获取病原微生物的结构信息，从而有目的的设计药物;利用纳米反应器控制药物的反应取向和速度等等。

　　3.2 基因治疗 [7，14] 纳米技术应用于基因治疗是纳米生物技术最有前景的领域，主要包括基因改性和基于DNA分子的有序组装与生物有序结构模拟的仿生两方面。在基因改性治疗技术方面，可以应用隧道扫描显微镜(scanning tunneling microscope，STM)和AFM获得蛋白质、核酸分子的图像，在微小空间将DNA分子变构、重新排列碱基序列等;在DNA纳米仿生制造方面，是利用DNA复制过程中碱基互补法则的专一性、碱基的单纯性、遗传信息的多样性及双螺旋结构的拓扑靶向性，结合纳米技术，操纵单个原子、分子，制出与生命过程中每一个环节相类似的各种功能的纳米有机-无机复合机器。采用纳米材料作为基因传递系统具有显著优势，目前有以下三种纳米载体:chitosan、LDH(layered double hydroxide)和dendrimers-tree-shaped合成分子。有报道说利用纳米技术可使DNA通过主动靶向作用 定位于细胞，将质粒DNA浓缩至50～200nm大小且带上负电荷，促进其对细胞核的有效进入，质粒DNA插入细胞核DNA的准确位点则取决于纳米粒子的大小和结构，但其理化特性尚待确实。

　　3.3 纳米机器人 [15] 经血管注入人体后，