第一篇：納米機器人論文

納米機器人在生物學上的應用

學號：34 姓名:100821234 學院：生命科學技術學院 班級：1008212

摘要：納米技術與分子生物學的結合將開創分子仿生學新領域。分子仿生學模仿細胞生命過程的各個環節，以分子水平上的生物學原理為參照原型，設計制造各種各樣的可對納米空間進行操作的“功能分子器件”———納米機器人。納米機器人的研制和開發將成為２１世紀科學發展的一個重要方向。關鍵字：納米技術 納米機器人 分子馬達 1前沿：納米機器人的研究屬于分子仿生學的范疇，它根據分子水平的生物學原理為設計原型，設計制造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。納米生物學的近期設想，是在納米尺度上應用生物學原理，發現新現象，研制可編程的分子機器人，也稱納米機器人。合成生物學對細胞信號傳導與基因調控網絡重新設計，開發“在體”（in vivo）或“濕”的生物計算機或細胞機器人，從而產生了另種方式的納米機器人技術。

2納米生物學與納米機器人

納米生物學的設想，是在納米尺度上應用生物學原理，發現新現象，研制可編程的分子機器人，也稱納米機器人。涉及的內容可歸納為以下三個方面：

①在納米尺度上了解生物大分子的精細結構及其與功能的聯系。

②在納米尺度上獲得生命信息，例如，利用掃描隧道顯微鏡獲取細胞膜和細胞表面的結構信息等。

③納米機器人的研制。

納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的內容。

第一代納米機器人是生物系統和機械系統的有機結合體，這種納米機器人可注入人體血管內，進行健康檢查和疾病治療。還可以用來進行人體器官的修復工作、作整容手術、從基因中除去有害的DNA，或把正常的ＤＮＡ安裝在基因中，使機體正常運行[1]。

第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。

第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置。

3納米機器人不久將進入我們的生活

用不了多久，個頭只有分子大小的納米機器人將源源不斷地進入人類的日常生活。它們將為我們制造鉆石、艦艇、鞋子、牛排和復制更多的機器人。要它們停止工作只需啟動事先設定的程序。表面來看，上述想法近乎不可思議：一項單一的技術在應用初期就能治病、延緩衰老、清理有毒的廢物、擴大世界的食物供應、筑路、造汽車和造樓房？這并非天方夜譚，也許在21世紀中葉前就可以實現。全世界的研究機構都在想方設法將這些設想變成現實。美國總統克林頓曾經宣布成立美國國家納米研究機構，承諾提供50億美元進行這方面的嘗試。

其實，納米技術一詞由來已久。理查德·費恩曼是繼愛因斯坦之后最有爭議和最偉大的理論物理學家，1959年他在一次題目為《在物質底層有大量的空間》的演講中提出：將來人類有可能建造一種分子大小的微型機器，可以把分子甚至單個的原子作為建筑構件在非常細小的空間構建物質，這意味著人類可以在最底層空間制造任何東西。從分子和原子著手改變和組織分子是化學家和生物學家意欲到達的目標。這將使生產程序變得非常簡單，你只需將獲取到的大量的分子進行重新組合就可形成有用的物體。事實上，每一個細胞都是一個活生生的納米技術應用的實例：細胞不僅將燃料轉化為能量，而且按照儲存在DNA中的信息來建造和激活蛋白質和酶，通過對不同物種的DNA進行重組，基因工程家已經學會建造新的這類

納米工具，例如用細菌細胞來生產醫用激素。1990年 我國著名學者周海中教授在《論機器人》一文中預言：到二十一世紀中葉，納米機器人將徹底改變人類的勞動和生活方式。

3納米機器人結構與特點

米機器人警察不在理論上，納米機器可以構建所有的物體。當然從理論到真正實現應用是不能等同的，但納米機械專家已經表明，實現納米技術的應用是可行的。在掃描隧道電子顯微鏡幫助下，納米機械專家已經能將獨立的原子安排成自然界從未有的結構。此外，納米機械專家還設計出了只由幾個分子組成的微小齒輪和馬達。（切勿將這些齒輪和馬達與那些由數以百萬計分子組成的用傳統技術構建的微小齒輪和馬達相混淆，這些機器同未來制造的機器相比較實在是太巨大了）。

25年內，納米技術學家期望實現這些存在于科學陳列室中的想法，創造出真實的、可以工作的納米機器。這些納米機器有微小的“手指”可以精巧地處理各種分子；有微小的“電腦”來指揮“手指”如何操作。“手指”可能由碳納米管制造，它的強度是鋼的100倍，細度是頭發絲的五萬分之一。“電腦”可能由碳納米管制造，這些碳納米管既能做晶體管又能做連接它們的導線。“電腦”也可能由DNA制造，用適當的軟件和足夠的靈巧性進行武裝的納米機器人可以構建任何物質。

納米機器人執行任何任務包括自身復制都必須動用大量的納米機器。血液里可能存在數以百萬計的納米機器人；在每一個有毒廢物地點可能需要數以萬億計的納米機器人，要制造一輛汽車可能要調動數以一百億億計的納米機器人同時工作。然而沒有一個生產線可以生產如此巨大數量的納米機器人。

但是納米科學家眼中的納米機器可以做到這點。他們設計的納米機器人可以完成兩件事情：執行它們的主要任務和制造出它們自身完美的復制體。如果第一個納米機器人能夠制造出兩個復制體，這兩個復制體每個又可制造出兩個自己的復制體，很快就可 以獲得萬億個納米機器人。但是，假如納米

機器人忘記停止復制會發生什么？如果沒有一些內建的停止信號，納米機器人忘記停止復制這種災難的可能后果將會是無法計算的。納米機器人在人體內快速復制能夠比癌癥擴散還要快地布滿正常組織；一個發瘋的制造食物機器人能夠把地球的整個生物圈變成一塊巨大的奶酪。納米技術學家沒有回避危險，但是他們相信他們能控制災難的發生。其中一個辦法是設計出一種軟件程序使納米機器人在復制數代后自我摧毀。另一種辦法是設計出一種只在特定條件下復制的機器人，例如只有在有毒化學物質以較高濃度出現時機器人才能復制，或者在一個很窄的溫度和濕度范圍內機器人才能復制。就像電腦病毒的傳播一樣，所有以上這些努力都無法阻止那些不懷好意的人有意釋放某種納米機器人作為害人武器。事實上，一些批評家指出納米技術可能的危險要大于它的益處。然而，僅僅這些利益就已經太具誘惑力了，納米技術必將超過電子計算機和基因制藥而成為新世紀的技術發展方向。世界可能會需要一個納米技術免疫系統，這個系統中納斷地在微觀世界中同那些不懷好意的機器人進行戰斗[2]

。納米機器人的動力——分子馬達

分子馬達（molecular motor），是美國康奈爾大學研究人員在活細胞內的能源機制啟發下，制造出的一種馬達。這種微型馬達以三磷酸腺苷酶為基礎，依靠為細胞內化學反應提供能量的高能分子三磷酸腺苷（ATP）為能源。

美國科學家正在進行一項新研究，讓納米儀器利用為精子長距離游動提供能量的生物能為動力，用來釋放藥物，或者在人體內執行機械功能。

首先，這些研究人員針對精子的特殊部位，用一個可以粘貼在特殊的金表面的標簽取代了己糖激酶(糖酵解的第一個酶)。這種酶即使在受到限制的時候，仍然能產生作用。接著，他們在糖酵解途經的第二個酶——葡萄糖-6-磷酸異構酶上作了標記。這種酶在受到限制后，還仍然具有活性。粘附在相同支撐物上的這些酶會依次產生作用，第一個反應的產物將會成為第二個反應的[2]李易 納米技術取得進展【J】國外科技動態 1998.11

[3]李沐純等.中國現代醫學雜志，2003

[4]納米機器人——分子仿生學新領基礎[3]。

域《中國高新技術企業評價》2001

穆凱和特拉維斯表示，這只是在無機支撐物上復制整個糖酵解途徑的最初幾步，他們指出，他們的研究從原理上為精子中的糖酵解途徑的組織如何在納米設備上產生三磷酸腺甙提供了一個天然的工程學解決方案。我國在納米機器人研究上的進展

一臺能夠在納米尺度上操作的機器人系統樣機由中國科學院沈陽自動化所研制成功，并通過了國家“863”自動化領域智能機器人專家組的驗收。在一個演示中，沈陽自動化所的研究人員操縱“納米微操作機器人”，在一塊硅基片上１×２μｍ的區域上清晰刻出“ＳＩＡ”三個英文字母（沈陽自動化所的縮寫）；另一個演示顯示，在一個５×５μｍ的硅基片上，操作者將一個４μｍ長、100ｎｍ（納米）粗細的碳納米管準確移動到一個刻好的溝槽里。據介紹，由重慶科研人員開發的這種名為“OMOM膠囊內鏡系統”的納米機器人醫生已經是第二次被列入國家“863計劃”，前一次獲得了該計劃500萬元基金支持，并于2004年獲得“863計劃”專家組驗收，但這種機器人目前還只能鉆進人的肚子里通過傳輸圖像“瞧病”，還沒有治病的本事。參考文獻

[1]姜忠義 納米生物技術【M】 北京 化學工業出版社 2003

第二篇：選修課論文納米機器人

納米機器人

-------治療目前醫學無法治愈的疾病

一、納米技術的含義

.所謂納米技術，是指在0.1~100納米的尺度里，研究電子、原子和分子內的運動規律和特性的一項嶄新技術。科學家們在研究物質構成的過程中，發現在納米尺度下隔離出來的幾個、幾十個可數原子或分子，顯著地表現出許多新的特性，而利用這些特性制造具有特定功能設備的技術，就稱為納米技術。

納米技術與微電子技術的主要區別是：納米技術研究的是以控制單個原子、分子來實現設備特定的功能，是利用電子的波動性來工作的；而微電子技術則主要通過控制電子群體來實現其功能，是利用電子的粒子性來工作的。人們研究和開發納米技術的目的，就是要實現對整個微觀世界的有效控制。

納米技術是一門交叉性很強的綜合學科，研究的內容涉及現代科技的廣闊領域。1993年，國際納米科技指導委員會將納米技術劃分為納米電子學、納米物理學、納米化學、納米生物學、納米加工學和納米計量學等6個分支學科。其中，納米物理學和納米化學是納米技術的理論基礎，而納米電子學是納米技術最重要的內容。

納米是一個微小的長度單位，1納米等于10億分之一米。根頭發絲有7萬到8萬納米。納米技術這個詞匯出現在1974年。納米科學、納米技術是在 0。10到100納米尺度的空間內研究電子、原子和分子運動規律及特性。納米材料是納米技術的重要的組成部分，也是國際上競爭的熱點和難點。碳納米管自從 1991年被發現以來，就一直被譽為未來的材料。碳納米管在強度上大約比鋼強100倍，其傳熱性能優于所有已知的其它材料。碳納米管具有良好的導電性，在常溫下導電時，幾乎不產生電阻。納米陶瓷材料在1600攝氏度高溫下能像橡皮泥那樣柔軟，在室溫下也能自由彎曲。從1998年世界上第一只納米晶體管制成，到1999年100納米芯片問世，使20世紀最后10年世界上出現的“納米熱”進一步升溫。

(注：該部分內容參考百度文庫)

二、納米應用領域

經過以上介紹想必對于納米會有初步了解了，下面再介紹一下目前納米技術發展的領域。現在納米技術應用領域比較廣泛，涉及陶瓷領域、微電子領域、生物工程、光電領域、化工領域、醫學領域、分子組裝方面。

1、所謂納米陶瓷，是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。要制備納米陶瓷，這就需要解決：粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制，團聚體的控制和分散。塊體形態、缺陷、粗糙度以及成分的控制。

2、納米電子學是納米技術的重要組成部分，其主要思想是基于納米粒子的量子效應來設計并制備納米量子器件，它包括納米有序（無序）陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結構組裝體系。納米電子學的最終目標是將集成電路進一步減小，研制出由單原子或單分子構成的在室溫能使用的各種器件。3,、眾所周知，分子是保持物質化學性質不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料，每一個生物大分子本身就是一個微型處理器，分子在運動過程中以可預測方式進行狀態變化，其原理類似于計算機的邏輯開關，利用該特性并結合納米技術，可以此來設計量子計算機。美國南加州大學的Adelman博士等應用基于DNA分子計算技術的生物實驗方法，有效地解決了目前計算機無法解決的問題-“哈密頓路徑問題”，使人們對生物材料的信息處理功能和生物分子的計算技術有了進一步的認識。

4、納米技術的發展，使微電子和光電子的結合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術用于現有雷達信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達放到衛星上進行高精度的對地偵察。但是要獲取高分辨率圖像，就必需先進的數字信息處理技術。科學家們發現，將光調制器和光探測器結合在一起的量子阱自電光效應器件，將為實現光學高速數學運算提供可能。

5、納米粒子作為光催化劑，有著許多優點。首先是粒徑小，比表面積大,光催化效率高。另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達表面之前，大部分不會重新結合。因此，電子、空穴能夠到達表面的數量多，則化學反應活性高。其次，納米粒子分散在介質中往往具有透明性，容易運用光學手段和方法來觀察界面間的電荷轉移、質子轉移、半導體能級結構與表面態密度的影響。目前，工業上利用納米二氧化鈦-三氧化二鐵作光催化劑，用于廢水處理（含SO32-或 Cr2O72-體系），已經取得了很好的效果。

6、隨著納米技術的發展，在醫學上該技術也開始嶄露頭腳。研究人員發現，生物體內的RNA蛋白質復合體，其線度在15~20nm之間，并且生物體內的多種病毒，也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，因而可以在血管中自由流動。如果將超微粒子注入到血液中，輸送到人體的各個部位，作為監測和診斷疾病的手段。科研人員已經成功利用納米 SiO2 微粒進行了細胞分離，用金的納米粒子進行定位病變治療，以減少副作用等。另外，利用納米顆粒作為載體的病毒誘導物已經取得了突破性進展，現在已用于臨床動物實驗，估計不久的將來即可服務于人類。

7、納米技術的發展，大致經歷了以下幾個發展階段：在實驗室探索用各種手段制備各種納米微粒，合成塊體。研究評估表征的方法，并探索納米材料不同于常規材料的特殊性能。利用納米材料已挖掘出來的奇特的物理、化學和力學性能，設計納米復合材料。目前主要是進行納米組裝體系、人工組裝合成納米結構材料的研究。雖然已經取得了許多重要成果，但納米級微粒的尺寸大小及均勻程度的控制仍然是一大難關。如何合成具有特定尺寸，并且粒度均勻分布無團聚的納米材料，一直是科研工作者努力解決的問題。目前，納米技術深入到了對單原子的操縱，通過利用軟化學與主客體模板化學，超分子化學相結合的技術，正在成為組裝與剪裁，實現分子手術的主要手段。科學家們設想能夠設計出一種在納米量級上尺寸一定的模型，使納米顆粒能在該模型內生成并穩定存在，則可以控制納米粒子的尺寸大小并防止團聚的發生。可見納米技術現在已經融入到生活很多領域了，接下來我就要說一下我想講解的納米機器人了。

三、納米機器人

物理學家總是模擬生物學原理制作各種靈巧的機器，這就是仿生學。仿生學是生物物理學的一個分支學科，它按照生物學原理提出設計原型，制造用于特殊目的的“功能器件”。

“納米機器人”的研制屬于分子仿生學的范疇，它根據分子水平的生物學原理為設計原型，設計制造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。納米生物學的近期設想，是在納米尺度上應用生物學原理，發現新現象，研制可編程的分子機器人，也稱納米機器人。目前涉及的內容可歸納為以下三個方面：

1、在納米尺度上了解生物大分子的精細結構及其與功能的聯系。

2、在納米尺度上獲得生命信息，例如，利用掃描隧道顯微鏡獲取細胞膜和細胞表面的結構信息等。

3、納米機器人的研制。納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的內容，第一代納米機器人是生物系統和機械系統的有機結合體，這種納米機器人可注入人體血管內，進行健康檢查和疾病治療。還可以用來進行人體器官的修復工作、作整容手術、從基因中除去有害的ＤＮＡ，或把正常的ＤＮＡ安裝在基因中，使機體正常運行。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置。這種納米機器人一旦問世將徹底改變人類的勞動和生活方式。

高中學生物的時候，學到過細胞的組成成分，細胞是由細胞壁、細胞核、細胞質所組成。是細胞質的基本成分，主要含有多種可溶性酶、糖、無機鹽和水等。細胞器是分布于細胞質內、具有一定形態、在細胞生理活動中起重要作用的結構。它包括：線粒體、葉綠體、內質網、內網器、高爾基體、溶酶體、微絲、微館、中心粒等。細胞核，它是由核膜、核骨架、核仁構成。就動物而說不具有細胞壁。再說一下靶細胞，基本含義是某種細胞成為另外的細胞或抗體的攻擊目標時，前者就叫做后者的靶細胞。例如帶有表面抗原的細胞受到免疫細胞或特異性抗體的攻擊，它就是該抗原的靶細胞。能夠接受內分泌細胞分泌激素刺激的器官或細胞稱為靶器官或靶細胞。靶細胞具有與激素特異性結合的受體。含氮激素的受體位于靶細胞膜上，類固醇激素的受體位于靶細胞質內，它們通過靶細胞內不同的信號傳遞系統，作用于細胞核內相應的基因，從而調節控制該基因的表達，產生相應的功能物質。

美國科學家破解部分病毒進入靶細胞的機理

美國西北大學的研究人員破解了一些病毒具有的一種叉狀蛋白的結構，這些病毒正是通過這種結構進入細胞，繼而誘發感染。這種蛋白被稱為融合蛋白，即F蛋白，首先發現于副流感病毒5的外表面，在感染細胞前通過F蛋白可以將病毒的細胞膜與宿主細胞膜融合。隨后，病毒細胞核內的遺傳基因便可以進入宿主細胞，進行自身的復制增殖。

我所研究的論題是制造一種納米機器人，具有細胞識別功能的，可作用于特定靶細胞的，用于解決一些難以治愈的疾病例如糖尿病，腦癱以及癌癥等。首先這種納米機器人要具備細胞的基本特征，進入人體內不會發生免疫排斥反應，帶有特定的功能，能夠起到修復細胞和消滅變異細胞的作用。如美國科學家所做的一樣，該種納米機器人細胞膜上要具有F蛋白，與特定靶細胞膜進行融合，進而使納米機器人內部正常的基因進入到病變細胞。拿癌癥舉例，在敘述癌以前,首先對“腫瘤”加以說明。腫瘤是身體的一部分細胞與機體的其他組織生長不協調,表現為任意地、無節制地增殖分裂,增長成一個大的組織塊則為腫瘤。腫瘤有良性的又有惡性的。良性腫瘤逐漸增長時僅是壓迫周圍組織,而惡性腫瘤除了壓迫以外還可以向周圍浸潤,也就是腫瘤組織不斷侵入周圍組織,這種惡性腫瘤就稱為 “癌”。

癌是怎樣產生的？

學者們認為由起癌物質進入正常細胞后和遺傳控制物質（如DNA, RNA, Protein）作用后產生的。其作用的結果可產生兩種效果，一為改變遺傳物質的構造，使基因產生突變（見基因突變說）；另一為使基因的作用及表現受到改變但不影響到基因的構造（見蛋白缺如說，抑制物失效說及癌性基因說）。人為什么會生癌，什么是癌細胞？

一個成人身體大約由近一千萬億個細胞組成。細胞的種類非常多，可是個個識大體，顧大局，有分工，有合作，工作起來循規蹈矩，所以，把人體比作一個“細胞國家”，那是再形象不過的了。“細胞國家”有時會出現一些不安定分子，在“教唆犯”的作用下，起來“造反”，不服從整體，自由主義泛濫，大搞特權，另立門戶，嚴重危脅著“國家”的安全。這些不安全的分子就是癌細胞.癌細胞是怎樣產生的呢？誰是“教唆犯”呢？科學家們一百多年的研究認為病毒、霉菌、射線、化學致癌劑等是癌細胞的“教唆犯”。人體細胞的代謝可使它們變為容易排泄的廢物，被排出體外，但也可能在酶的生物轉化作用下，使它們變成能直接引起細胞遺傳物質DNA突變的最終致癌物。這僅是癌形成過程的第一階段，只需幾秒鐘至幾小時。第二階段，最終致癌物質作用于細胞。如經DNA修復有缺陷，DNA就發生突變，改變遺傳的性能。當細胞分裂繁殖時，下一代子細胞接受了錯誤的信息，形態就發生了變化，成為癌細胞，又慢慢地發展成癌細胞集團。當它變成臨床上能察見的癌時，雖然開始只有一個火柴頭那么大，但已包含了三千萬個癌細胞。第二階段則相當長，大約需要15到30年。由于癌的潛伏期長。所以癌癥病人以老年人為多。

什么是癌細胞？癌細胞的特征前已說過，癌癥是人體在各種致癌因素的作用下，局部組織細胞異常增生而形成的新生物。不用說，癌細胞是由正常細胞轉化而來。而正常細胞一旦轉變成癌細胞就獲得了強大的生命力，并且有獨特生物學特征和行為。首先，癌細胞不斷增殖，這種增殖不受身體內部調節機構的控制，更不是身體所必需。我們知道，人體正常細胞有一個生長、繁殖、衰老和死亡的過程。老化的細胞死亡之后就會有新的細胞來取代它，以維持身體組織、器官的正常功能。故人體絕大部分細胞都可以增殖。但是，正常細胞的增殖是有限度的，身體內部會自我控制。如外后細胞即開始繁殖，但當傷口愈合后，在身體內部調節因素作用下，馬上停止。而癌細胞則不然，可以無止境地增生，直到人身死亡。第二，癌細胞由于不能成熟（即分化障礙），故不具備對身體有任何益處功能，常常是“成事不足，敗事有余”。例如白血病，血液中出現大量的幼稚白細胞，但這些細胞不像通常白細胞那樣，能抵抗入侵身體的細菌和病毒，相反，由于無休止地增殖而消耗大量的養分。另外，有的癌癥卻表現出不具備的功能，后者與整體功能極協調。如肺臟，并不是內分泌器官，但肺癌卻能產生促腎上腺皮質激素，這些非常器官非常時期分泌的激素，嚴重地擾亂了正常生命活動和秩序，從而出現一系列病態。第三，癌細胞無孔不鉆，無處不到。癌細胞大多呈侵襲性生長，破壞附近組織、器官的正常結構和功能，造成不同程度的功能障礙。癌細胞非常好動，會從一個地方跑到另一地方（即轉移），并繼續生長繁殖，形成新的癌瘤（轉移癌灶），對身體造成更嚴重的危害，也大大地增加了治療難度，是癌癥病人死亡的主要原因之一。

（注：癌細胞介紹出自阿里醫藥）所以納米機器人的作用就是直接消滅或吞噬掉或修復破損細胞，像癌細胞這種已經病變的細胞，納米機器人的作用就是消滅癌細胞，具有特定細胞識別功能，進入人體后，找到病變細胞，進行細胞融合后將納米機器人內部所帶的消滅癌細胞的物質注入，直接殺死癌細胞。采用這種方法可以直接消滅癌細胞，最終達到治愈的目的。但是這里又面臨一個問題，一個納米機器人只作用一個細胞這個需要的成本太高，需要制造出的納米機器人在進行細胞融合后還可以進行細胞分裂，再將自己分裂出去，作用于下一個病變細胞。為了不會對身體產生影響，納米機器人需要在一定時間內如十二小時候自行分解，這要求其內部帶有溶酶體，再一定條件下激發，自己分解。同樣可以制造出治療各種身體內部疾病的納米機器人。

我認為納米機器人的研發將會成為人類的有一個里程碑。

第三篇：關于納米機器人的報告

關于納米機器人的報告

納米機器人的研究屬于分子仿生學的范疇，它根據分子水平的生物學原理為設計原型，設計制造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。納米生物學的近期設想，是在納米尺度上應用生物學原理，發現新現象，研制可編程的分子機器人，也稱納米機器人。合成生物學對細胞信號傳導與基因調控網絡重新設計，開發“在體”（in vivo）或“濕”的生物計算機或細胞機器人，從而產生了另種方式的納米機器人技術。

納米生物學的設想，是在納米尺度上應用生物學原理，發現新現象，研制可編程的分子機器人，也稱納米機器人。涉及的內容可歸納為以下三個方面：

1.在納米尺度上了解生物大分子的精細結構及其與功能的聯系； 2.在納米尺度上獲得生命信息，例如，利用掃描隧道顯微鏡獲取細胞膜和細胞表面的結構信息等； 3.納米機器人的研制。

納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的內容。

第一代納米機器人是生物系統和機械系統的有機結合體，這種納米機器人可注入人體血管內，進行健康檢查和疾病治療。還可以用來進行人體器官的修復工作、作整容手術、從基因中除去有害的DNA，或把正常的ＤＮＡ安裝在基因中，使機體正常運行。

第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置。

在納米生物學原子力顯微鏡(Atomic force microscopy, AFM)和光鑷(optical tweezers)應用最為廣泛。

原子力顯微鏡(Atomic force microscopy)是20 世紀80 年代問世的掃描探針顯微鏡的(scanning probe microscope, SPM)的一種。它的放大倍數遠遠超過了常規的光學顯微鏡和電子顯微鏡鏡, 其極限達到了10 億倍, 可以直接觀察物質的分子和原子。另外,AFM 的樣品制備非常容易, 還可以在模擬生物學環境中使用, 這些優勢使它廣泛應用于蛋白質大分子的拓撲學分析、多蛋白復合物結構解析等方面的研究。在對AFM 的針尖進行一些特殊的處理之后, 它可以粘附生物大分子, 從而使我們可以利用微懸臂的形變來對其進行一系列的力學性質的測量。

光鑷(optical tweezers)技術也是上個世紀80 年代興起的一種微觀動力學測量技術。它利用激光束形成的三維勢阱控制微觀物體的位置和移動, 可以探測納米級的位移以及皮牛級的相互作用力, 廣泛應用于馬達蛋白運動以及RNA 聚合酶工作原理等研究方向。與AFM相比, 光鑷系統對分子相互作用力的測量精細度更高, 但會受限于激光器功率;原子力顯微鏡則不會遇到這方面的問題, 并且憑借其操作簡單方便的優勢,可有效的彌補光鑷系統的缺陷。

原子力顯微鏡與光鑷技術的有機結合, 可以在分子及原子水平剖析重要的生物大分子的結構功能相關性, 這將為詳盡描繪生物大分子的功能奠定基礎, 同時還將極大地推動現有的分子細胞生物學研究的進展。隨著納米技術與生命科學結合程度的深入, 越來越多的納米技術將被應用于生命科學研究領域,為生命科學的研究手段帶來了革命性的變化。除去現在廣泛應用的原子力顯微鏡和光鑷技術外, 量子點、相干反斯托克斯拉曼顯微 等高新技術亦正在蓬勃發展, 可以預見, 在不久的將來, 伴隨著更多更先進的納米生物學技術在生命科學中的有效應用, 越來越多的生命科學難題將在分子及原子水平得到詮釋。

納米機器人的動力——分子馬達

分子馬達（molecular motor），是美國康奈爾大學研究人員在活細胞內的能源機制啟發下，制造出的一種馬達。這種微型馬達以三磷酸腺苷酶為基礎，依靠為細胞內化學反應提供能量的高能分子三磷酸腺苷（ATP）為能源。

美國科學家正在進行一項新研究，讓納米儀器利用為精子長距離游動提供能量的生物能為動力，用來釋放藥物，或者在人體內執行機械功能。

首先，這些研究人員針對精子的特殊部位，用一個可以粘貼在特殊的金表面的標簽取代了己糖激酶(糖酵解的第一個酶)。這種酶即使在受到限制的時候，仍然能產生作用。接著，他們在糖酵解途經的第二個酶——葡萄糖-6-磷酸異構酶上作了標記。這種酶在受到限制后，還仍然具有活性。粘附在相同支撐物上的這些酶會依次產生作用，第一個反應的產物將會成為第二個反應的基礎。

穆凱和特拉維斯表示，這只是在無機支撐物上復制整個糖酵解途徑的最初幾步，他們指出，他們的研究從原理上為精子中的糖酵解途徑的組織如何在納米設備上產生三磷酸腺甙提供了一個天然的工程學解決方案。參考文獻

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第四篇：納米論文

聚合物基-納米二氧化硅復合材料的應用研究進展

班級12材料2班學號1232230042姓名王曉婷

摘要本文介紹了近年來國內外納米SiO2聚合物復合材料的制備方法，討論了制備方法的特點，闡述了聚合物納米SiO2復合材料的研究進展, 并展望了聚合物納米SiO2 的應用前景。

關鍵詞納米SiO2復合材料;聚合物;制備;應用 前言

納米SiO2是目前應用最廣泛的納米材料之一,它特有的表面效應、量子尺寸效應和體積效應等,使其與有機聚合物復合而成的納米二氧化硅復合材料, 既能發揮納米SiO2自身的小尺寸效應、表面效應以及粒子的協同效應, 又兼有有機材料本身的優點, 使復合材料具有良好的機械、光、電和磁等功能特性, 引起了國內外研究者的廣泛關注[

1，2]

。本文就納米Si02一聚合物復合材料的制備方法、制備方法的特點和應用進行一次全面的綜述。

2聚合物/ 納米Si O2 復合材料的制備

2．1 共混法

共混法是制備聚合物／無機納米復合材料最直接的方法，適用于各種形態的納米粒子，但是由于納米粒子存在很大的界面自由能，粒子極易自發團聚。要將無機納米粒子直接分散于有機基質中制備聚合物納米復合材料，必須通過化學預分散和物理機械分散打開納米粒子團聚體，消除界面能差，才能實現均勻分散并與基體保持良好的親和性。具體途徑如下。

2．1．1 高分子溶液(或乳液)共混

首先將聚合物基體溶解于適當的溶劑中制成溶液(或乳液)，然后加入無機納米粒子，利用超聲波分散或其他方法將納米粒子均勻分散在溶液(或乳液)中。

姜云鵬等利用PVA與納米Si02表面的羥基形成的氫鍵實現了納米si02對PVA的改性；張志華等用溶膠一凝膠反應制備納米Si02顆粒，然后通過超聲分散機將顆粒分散到聚氨酯樹脂中制備出了聚氨酯／Si02納米復合材料；以上各種方法都使不同材料的各方面性能得到了改善。

2．1．2熔融共混

將納米無機粒子與聚合物基體在密煉機、雙螺桿等混煉機上熔融共混。

郭衛紅等[5]在密煉機上將PMMA和納米Si02粒子熔融共混后，用雙螺桿造粒制得納米復[4][3]合材料。石璞[6]通過熔融共混法將納米si02粒子均勻地分散于PP基體中制得復合材料，由于復合偶聯劑的一端易與離子表面上大量的羥基發生化學反應形成穩定的氫鍵，另一端與聚丙烯相容性較好，使納米粒子基本沒有團聚，實現了增強、增韌的目的。張彥奇等[7]將納米Si02經超聲分散并經偶聯劑處理后與LLDPE等組分預混、擠出、造粒，制備了線性低密度聚乙烯(LU)PE)／納米Si02復合材料，所得薄膜霧度顯著提高。

2.2在位分散聚合法

首先采用超聲波分散、機械共混等方法在單體溶液中分散納米粒子，或采用偶聯劑對納米粒子表面進行處理，然后單體在納米粒子表面進行聚合，形成納米粒子良好分散的納米復合材料(in situ polymerization)。通過這種方法，無機粒子能夠比較均一地分散于聚合物基體中。

歐玉春等[8]利用帶有羥基的丙烯酸酯表面處理劑對Si02進行表面處理，應用本體法聚合制備si02／PMMA納米復合材料，結果顯示納米Si02的加入可以提高聚甲基丙烯酸甲酯材料的機械性能、玻璃化溫度及材料的耐水性。Jose-Luiz Luna—Xavier等[9]采用原位聚合法以陽離子偶氮化合物AIBA為引發劑，液相納米Si02為核，聚甲基丙烯酸甲酯為殼合成了納米Si02一聚甲基丙烯酸甲酯乳液聚合物。由于陽離子偶氮化合物AIBA為引發劑的使用增強了與納米si02的相互作用，使效率大大提高。

2.3溶膠-凝膠法

溶膠一凝膠法(Sol-gel)是制備聚合物／無機納米復合材料的一種重要方法。通過烷氧基金屬有機化合物的水解、縮合，將細微的金屬氧化物顆粒復合到有機聚合物中并得到良好分散，從而在溫和條件下制備出具有特殊性能的聚合物／無機納米復合材料。

2.4硅酸鈉溶膠一凝膠法

溶膠一凝膠法在制備聚合物／納米si02復合材料時顯示出很多優勢。但是，所用的無機組分的前驅物正硅酸烷基酯價格昂貴、有毒，因此為了降低制備成本，改善生產條件和減少環境污染，張啟衛等[10]用硅酸鈉為無機si02組分的前驅物，與PVAC或PMMA的THF溶膠混合，經溶膠一凝膠過程制備出聚合物／Si02雜化材料。結果表明，si02含量在一定范圍時，由于發生了納米級微區效應，有機一無機兩相間相容性好，不產生相分離，材料透光率提高，熱穩定性增強。

3聚合物/ 納米Si O2 復合材料的研究進展

3.1 納米SiO2/環氧樹脂復合材料

Mascia等通過紅外光譜和定性黏度分析得知,納米SiO2 和環氧樹脂隨著環氧樹脂的分子量增加、加入偶聯劑、增加溶劑的極性以及提高反應溫度都會使二者的相容性提高[11]。寧榮昌等用分散混合法研究了納米SiO2有無表面處理及其含量對復合材料性能的影響, 采用透射電鏡和正電子湮沒技術(PALS)對納米SiO2 的分布和自由體積的尺寸及濃度進行了表征[12]。結果表明, SiO2表面處理后, 復合材料性能得到提高, 使環氧樹脂增強和增韌;且納米SiO2含量為3 % 時,自由體積濃度最小, 納米復合材料的性能最佳。劉競超等通過原位分散聚合法制得了納米SiO2/環氧樹脂復合材料[13]。結果表明, 對復合材料力學性能的影響較大的是偶聯劑, 在最優工藝條件下制得的復合材料沖擊強度、拉伸強度比基體分別提高了124% 和30%;復合材料的Tg和耐熱性也有所提高。

3.2 納米SiO2/丙烯酸酯類復合材料

歐玉春等用原位聚合方法制備了分散相粒徑介于130 nm 左右的PMMA/SiO2(聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅)復合材料[14]。結果表明, 經表面處理的SiO2在復合材料基體中分散均勻, 界面粘結好;SiO2粒子的填充使基體的Tg和損耗峰上升, 隨著SiO2含量的增加, 對應試樣的Tg和損耗峰值增大;隨著SiO2含量的增加, 基體的拉伸強度、彈性模量表現為先下降后升高, 而基體的斷裂伸長率表現為先升高后下降。武利民等通過原位聚合、高速剪切法分散共混和球磨法分散共混等3 種方法制備丙烯酸酯/納米SiO2復合乳液, 以相同的方法制備丙烯酸酯/微米SiO2復合乳液[15]。結果表明, 共混法制得的納米復合物的拉伸強度、斷裂伸長率和玻璃化轉變溫度隨納米SiO2含量的增加先上升然后逐漸下降。涂層對紫外光的吸收和透過隨納米SiO2 含量的增加分別呈上升和下降趨勢, 而微米SiO2復合丙烯酸酯乳液, 其涂層對紫外光的吸收和透過基本不受微米SiO2 的影響。

3.3 納米SiO2/硅橡膠復合材料

王世敏等對納米SiO2/二甲基硅氧烷復合材料的光學、力學性能進行了研究[16]。結果表明, 復合材料對波長λ＞390 nm 的可見光基本能透過, 透過率達80%, 硬度隨納米SiO2的增加呈上升趨勢。Mackenzie 等制備的納米SiO2/硅氧烷復合材料在非氧化氣氛中加熱到1 000 ℃以上, 分子發生重排, 形成塊狀微孔體;繼續加熱到1 400 ℃時,有機碳仍不分解, 且熱膨脹系數很小[17]。由于聚硅氧烷的高柔順性, 在溶膠－凝膠過程中不會因干燥而破裂, 該材料可以作為涂層改善基體(如聚合物、金屬)表面的物理化學性質。潘偉等研究SiO2納米粉對硅橡膠復合材料的導電機理、壓阻及阻溫效應的影響[18]。結果表明,隨著SiO2納米粉的增加, 壓阻效應越來越顯著,在一定壓力范圍內, 材料電阻隨壓力呈線性增加;同時, SiO2納米粉的加入使復合材料的電阻隨溫度增加而增加。

3.4 納米SiO2/聚碳酸酯材料

聚碳酸酯具有較好的透明性, 較高的硬度, 以及較強的蠕變性。為了進一步提高其應用價值, 王金平等以聚碳酸酯為基體, 采用溶膠－凝膠法技術在聚碳酸酯表面覆蓋一層納米SiO2無機涂層, 涂層與聚碳酸酯較好的結合, 使材料的耐磨性得到明顯提高[19]。

3.5 納米SiO2/聚酰亞胺復合材料 聚酰亞胺(PI)是一種廣泛應用于航空、航天及微電子領域的功能材料, 它的優點是介電性良好,力學性能優良, 但其吸水性強和熱膨脹性高的缺點限制了他的應用。而采用納米SiO2改性后的PI 在這方面得到了很大改善。楊勇等的研究表明, 采用納米SiO2改性后的PI 其熱穩定性得到加強, 熱膨脹系數得到降低[20]。曹峰等研究PI/SiO2復合材料的力學性能時發現, 隨著SiO2含量的增加, 其楊氏模量、拉伸強度、斷裂強度增加, 加入適量的插層劑, 有利于增加有機分子與無機物分子之間的相容性, 從而可制備強度和韌性更加優異的復合材料[21]。

3.6 納米SiO2/聚烯烴類復合材料

張彥奇等采用熔融共混法制備了線性低密度聚乙烯(LLDPE)/納米SiO2復合材料[22]。結果表明, 納米SiO2使LLDPE 的拉伸彈性模量、沖擊強度、拉伸強度提高, 且均在納米SiO2用量為3 份左右時達到最大值;加入少量的納米SiO2后, LLDPE 薄膜對長波紅外線(7～11 μm)的吸收能力較純LLDPE 膜有顯著提高, 透光率略有下降, 但霧度提高。曲寧等利用納米SiO2、馬來酸酐接枝PE(PE-g-MAH)和PP 通過熔融共混制備了PP/納米SiO2復合材料[23]。結果表明, 經表面處理、用量為4 %的納米SiO2 與4 % 的PE-g-MAH 發生協同作用, 可以使PP/納米SiO2復合材料的沖擊強度提高40 %,拉伸強度提高10%, 耐熱溫度提高22℃。

3.7 納米SiO2/尼龍復合材料

E.Reynaud 等研究了不同粒徑和含量的納米SiO2 與尼龍6 通過原位聚合得到的納米復合材料的特性[24]。形貌分析出粒子的存在不影響復合材料的結晶相;粒子的加入明顯增強了基體的彈性模量,且復合材料的性能受粒子尺寸和分散狀況的影響。

3.8 納米SiO2/聚醚酮類樹脂復合材料

邵鑫等研究了納米SiO2對聚醚砜酮(PPESUK)復合材料摩擦學性能的影響[25]。結果表明, 納米SiO2不但可以提高PPESUK 的耐磨性, 而且還有較好的減摩作用, 其最佳用量為25%。靳奇峰等采用懸浮液共混法制備了納米SiO2填充新型雜萘聯苯聚醚酮(PPEK)復合材料[26]。當納米SiO2用量為1 % 時, 復合材料的綜合力學性能最佳。納米SiO2的加入使得復合材料的摩擦性能比純PPEK 有了明顯提高, 當納米SiO2用量為7 % 時,材料的摩擦磨損性能最好, 并且在大載荷下納米SiO2 更能有效改善復合材料的摩擦磨損性能。

3.9納米SiO2/聚苯硫醚(PPS)復合材料

張文栓等首先將納米SiO2粒子與硅烷偶聯劑KH-550 的乙醇溶液混合, 在40 ℃以下用超聲波振蕩60 min 后脫去溶劑, 烘干后與PPS 在高速攪拌機中混合均勻, 然后用雙螺桿擠出機造粒制得PPS/納米SiO2復合材料[27]。納米SiO2粒子呈顆粒狀均勻分布在PPS 基體中, 尺寸在10～40 nm 范圍內。當納米SiO2用量為3 % 時, PPS/納米SiO2 復合材料的力學性能最佳, 拉伸強度、彎曲彈性模量和缺口沖擊強度分別提高13.4%、7.4% 和27.3%。張而耕等用轉化劑、分散劑和穩定劑制備了PPS/納米SiO2水基涂料[28]。PPS/納米SiO2復合涂層的耐沖蝕磨損性比普通涂層提高了約50 倍, 能夠用于零部件的防沖蝕磨損。

3.10納米SiO2/PMMA 復合材料

張啟衛等利用溶膠-凝膠法制備了PMMA/納米SiO2復合材料[29]。發現PMMA 與納米SiO2兩相間的相容性好, 材料透光率可達80 %, 并且熱穩定性和Tg都比純PMMA 有較大的提高。郭衛紅等將經過表面處理的納米SiO2分散于PMMA 單體中形成膠體, 原位聚合制備了PMMA/納米SiO2復合材料[30]。結果表明, 復合材料的耐紫外線輻射能力提高1 倍以上, 沖擊強度提高80 %。同時由于納米粒子尺寸小于可見光波長, 復合材料具有高的光澤度和良好的透明度。

4總結與展望

聚合物/納米SiO2復合材料具有優良的綜合性能, 展現出誘人的應用前景。盡管近年來對其研究較多, 并取得了較大進展, 但是對它的研究還不夠深入, 還有許多問題亟待研究和解決, 如納米SiO2在聚合物基體中的均勻分散問題, 納米復合材料的相界面結構, 納米SiO2 對聚合物性能影響的機理等。相信隨著制備技術的進一步完善及對材料的結構與性能關系的進一步了解, 人們將能按照需要來設計和生產高性能和多功能的聚合物/納米SiO2復合材料。納米Si02可以改性多種高分子材料，通常對聚合物的機械性能如拉伸強度、彈性模量、斷裂伸長率，以及熱穩定性、動態力學行為、光學行為等都有較大影響。因此人們都在力求解決很多問題，諸如納米Si02在聚合物基體中的均勻分散；納米Si02復合材料中有機相和無機相的相界面結構；Si02粒徑大小、幾何形狀等形態參數及添加量對復合材料性能的影響；納米Si02對聚合物基體材料性能影響的機理等。隨著研究的不斷深入，納米Si02一聚合物體系將在越來越多的領域發揮出它的重要作用。

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第五篇：納米論文

納米技術在醫學上的應用

[摘要]納米醫學是納米技術與醫藥技術結合的產物,納米醫學研究在疾病診斷和治療方面顯示出了巨大的應用潛力。近幾年,納米技術突飛猛進,作為納米技術的重要領域的納米生物工程也取得了輝煌的成就。本文從納米醫學、納米生物技術和納米生物材料三個方面,講述了納米生物工程的重大進展。本文就納米診斷技術、組織修復和再生醫學中的納米材料、納米藥物載體、納米藥物等方面的研究現狀與進展進行綜述,并探討納米醫學的發展前景。

[引言] 納米技術的基本概念是用單個原子、分子制造和操作物質的技術,是現代高科技前沿技術.納米技術應用前景廣闊,幾乎涉及現有科學技術的所有領域,世界各國都把納米技術列為重點發展項目,投入巨資搶占納米技術戰略高地.[關鍵詞]納米醫學;納米生物材料;診斷;治療

1、跨世紀的新學科——納米科技

所謂/納米科技,就是在0.1~100納米的尺度上,研究和利用原子和分子的結構、特征及相互作用的高新科學技術,它是現代科學和先進工程技術結合的產物。1990年7月,第一屆國際納米科技會議的召開,標志著納米科技的正式誕生。時至今日,納米科技涉及到幾乎現有的所有科學技術領域。它的誕生,使人類改造自然的能力直接延伸到分子和原子。它的最終目標,是人類按照自己的意志操縱單個原子,在納米尺度上制造具有特定功能的產品,實現生產方式的飛 躍。目前,納米科技已經取得一系列成果,正處于重大突破的前夜。研究者認為,這一興起于本世紀90年代的納米科技,必將雄踞于21世紀,對人類社會產生重大而深遠的影響。

2、納米醫學的提出

納米醫學的形成除了納米技術之外，其醫學本身也應具有可應用納米技術的客觀基礎和必要條件。客觀基礎是指，像其他物質一樣，醫學研究的主體———人體本身是由分子和原子構成的。實現納米醫學的必要條件是，要在分子水平上對人體有更為全面而詳盡的了解。隨著現代生物學和現代醫學的不斷發展,人類在生物學和醫學等領域的研究內容已開始從細胞、染色體等微米尺度的結構深入到更小的層次,進入到單個分子甚至分子內部的結構。這些極其微細的分子結構的特征:尺度空間在0.1-100 nm,屬于納米技術的尺度范圍。研究這些納米尺度的分子結構和生命現象的學科,就是納米生物學和納米醫學。納米醫學是一門涉及物理學、化學、量子學、材料學、電子學、計算機學、生物學以及醫學等眾多領域的綜合 性交叉學科。Freitas曾給納米醫學下過一個較詳細的定義:他認為,納米醫學是利用人體分子工具和分子知識,預防、診斷、治療疾病和創傷,劫除疼痛,保護和改善人體健康的科學和技術。目前的納米醫學研究水平還處于初級階段,當然,由于各國科學工者的不懈努力,納米醫學研究領域已初露曙光,有部分研究成果已開始接近臨床應用。

從定義來看,納米醫學可以分為兩大類,一是在分子水平上的醫學研究,基因藥物和基因療法等就是典型體現;二是把其他領域的納米研究成果引入醫學領域,如某種納米裝置在醫療和診斷上的應用。納米醫學的奧秘在于,可以從納米量級的尺度來進行原來不可能達到的醫療操作和疾病防治。當生命物質的結構單元小到納米量級的時候,其性質會有意想不到的變化。這種變化既包括物質的原有性能變得更好,還可能有我們所意想不到的性能和效益,從而用來治病防病。

3、納米技術的醫學應用 3.1 診斷疾病

在診斷方面，將應用納米醫學技術手段，在診室內進行全面的基因檢查和特殊細菌涂層標記物的實時全身掃描；檢測腫瘤細胞抗原、礦質沉積物、可疑的毒素、源于遺傳或生活方式的激素失衡，以及其它以亞毫米空間分辨率制成所定目標三維圖譜的特定分子。在納米醫學時代，這些強有力的手段將使醫務人員能夠檢查患者的任何部位，且可詳盡到分子水平，并能以合理的費用，在數分鐘或數秒鐘內獲得所需的結果。許多以往診斷比較困難或無法診斷的疾病,隨著納米技術的介入,將很容易被確診。為判斷胎兒是否具有遺傳缺陷,以往常采用價格昂貴并對人體有損害的羊水診斷技術。如今應用納米技術,可簡便安全地達到目的。孕8周左右血液中開始出現非常少量的胎兒細胞,用納米粒很容易將這些胎兒細胞分離出來進行診斷。目前美國已將此項技術應用于臨床診斷。肝癌患者由于早期沒有明顯癥狀,一旦發現常已到晚期,難以治愈,因而早期診斷極為重要。中國醫科大學第二臨床學院把納米粒應用于醫學研究,經過4年的努力,完成了超順磁性氧化鐵超微顆粒脂質體的研究。動物實驗證明,運用這項研究成果,可以發現直徑3mm以下的肝腫瘤。這對肝癌的早期診斷、早期治療有著十分重要的意義。3.2 納米藥物和納米藥物載體

這是納米醫學中的一個非常活躍的領域,適時準確地釋放藥物是它的基本功能之一。科學家正在為糖尿病人研制超小型的,模仿健康人體內的葡萄糖檢測系統。它能夠被植入皮下,監測血糖水平,在必要的時候釋放出胰島素,使病人體內的血糖和胰島素含量總是處于正常狀態。美國密西根大學的博士正在設計一種納米/智能炸彈,它可以識別出癌細胞的化學特征。這種智能炸彈很小,僅有20nm左右,能夠進入并摧毀單個的癌細胞。

德國醫生嘗試借助磁性納米微粒治療癌癥,并在動物實驗中取得了較好療效。將一些極其細小的氧化鐵納米微粒注入患者的腫瘤里,然后將患者置于可變的磁場中,氧化鐵納米微粒升溫到45~ 47度,這一溫度可慢慢熱死癌細胞。由于腫瘤附近的機體組織中不存在磁性微粒,因此這些健康組織的溫度不會升高,也不會受到傷害。科學家指出,將磁性納米顆粒與藥物結合,注入到人體內,在外磁場作用下,藥物向病變部位集中,從而達到定向治療的目的,將大大提高腫瘤的藥物治療效果。

納米藥物與傳統的分子藥物的根本區別在于它是顆粒藥物。廣義的納米藥物可分為兩類:一類是納米藥物載體,即指溶解或分散有分子藥物的各種納米顆粒,如納米球、納米囊、納米脂質體等。二是納米藥物,即指直接將原料藥物加工成的納米顆粒,或利用嶄新的納米結構或納米特性,發現基于新型納米顆粒的高效低毒的治療或診斷藥物。前者是對傳統藥物的改良,而后者強調的是把納米材料本身作為藥物。

3.2.1 納米藥物

直接以納米顆粒作為藥物的應用之一是抗菌藥物。納米抗菌藥物具有廣譜、親水、環保、遇水后殺菌力更強、不會誘導細菌耐藥性等多種性能。以這種抗菌顆粒為原料,成功地開發出了創傷貼、潰瘍貼等納米醫藥類產品。例如,納米二氧化鈦樹脂基托材料具有一定的抗變形鏈球菌和抗白色念珠菌的效果,當樹脂基托中抗菌劑的濃度達到3%時,即可達到滿意的抗菌效果。

無機納米顆粒作為新型的抗癌藥物為腫瘤治療提供了新的思路。研究人員用Gd@C82(OH)22處理得肝癌的小鼠,在10.7mol/kg的注射劑量下能有效地抑制腫瘤生長,同時對機體不產生任何毒性。其抑瘤效應不是通過納米顆粒對腫瘤的直接殺傷起作用,而是可能通過激活機體免疫來實現對腫瘤的抑制作用。納米羥基磷灰石在體外對惡性腫瘤細胞產生明顯的抑制作用,而對正常細胞作用甚微,可望通過進一步的研究獲得一種區別于傳統的化療藥物的納米無機抗癌藥物。此外,有的物質納米化后出現新的治療作用,如二氧化鈦納米粒子可抑制癌細胞增殖;二氧化鈰納米顆粒可以清除眼中的電抗性分子并防治一些由于視網膜老化而帶來的疾病。

3.2.2 納米藥物載體

實現細胞和亞細胞層次上藥物的靶向傳遞和智能控制釋放,是降低藥物毒副作用、提高治療效果的共性問題。納米粒子介導的藥物輸送是納米醫學領域的一個關鍵技術,在藥物輸送方面具有許多優越性。目前,用作藥物載體的材料有金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒及生物活性納米顆粒等。理想的納米藥物載體應具備以下性質:毒性較低或沒有毒性;具有適宜的制備及提純方法;具有合適的粒徑與形狀;具有較高的載藥量;具有較高的包封率;對藥物具有良好的釋放特性;具有良好的生物相容性,可生物降解或可被機體排出;具有較長的體內循環時間,并能在療效相 關部位持久存。3.3 納米生物技術

納米生物技術是納米技術和生物技術相結合的產物,它即可以用于生物醫學,也可以服務于其它社會需求。所包含的內容非常豐富,并以極快的速度增加和發展,難以概述。

3.3.1生物芯片技術

生物芯片是在很小幾何尺度的表面積上,裝配一種或集成多種生物活性,僅用微量生理或生物采樣,即可以同時檢測和研究不同的生物細胞、生物分子和DNA的特性,以及它們之間的相互作用,獲得生命微觀活動的規律。生物芯片可以粗略地分為細胞芯片、蛋白質芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等幾類,都有集成、并行和快速檢測的優點,已成為21世紀生物醫學工程的前沿科技。

近2年,已經通過微制作(MEMS)技術,制成了微米量級的機械手,能夠在細胞溶液中捕捉到單個細胞,進行細胞結構、功能和通訊等特性研究。美國哈佛大學的教授領導的研究人員,發展了微電子工業普遍使用的光刻技術在生物學領域的應用,并研制出效果更好的軟光刻方法。以此,制出了可以捕捉和固定單個細胞的生物芯片,通過調節細胞間距等,研究細胞分泌和胞間通訊。此類細胞芯片還可以作細胞分類和純化等。它的功能原理非常簡單,僅利用芯片表面微單元的幾何尺寸和表面特性,即可達到選擇和固定細胞及細胞面密度控制。

美國圣地亞國家實驗室的發現實現了納米愛好者的預言。正像所預想的那樣,納米技術可以在血流中進行巡航探測,即時發現諸如病毒和細菌類型的外來入侵者,并予以殲滅,從而消除傳染性疾病。

研究人員做了一個雛形裝置,發揮芯片實驗室的功能,它可以沿血流流動并跟蹤像鐮狀細胞血癥和感染了愛滋病的細胞。血液細胞被導入一個發射激光的腔體表面,從而改變激光的形成。癌細胞會產生一種明亮的閃光;而健康細胞只發射一種標準波長的光,以此鑒別癌變。3.3.2納米探針

一種探測單個活細胞的納米傳感器,探頭尺寸僅為納米量級,當它插入活細胞時,可探知會導致腫瘤的早期DNA損傷。

3.4組織修復和再生醫學中的納米材料

將納米技術與組織工程技術相結合,構建具有納米拓撲結構的細胞生長支架正在形成一個嶄新的研究方向。相對于微米尺度,納米尺度的拓撲結構與機體內細胞生長的自然環境更為相似。納米拓撲結構的構建有可能從分子和細胞水平上控制生物材料與細胞間的相互作用,引發特異性細胞反應,對于組織再生與修復具有潛在的應用前景和重要意義。將納米纖維水凝膠作為神經組織的支架,在其中生長的鼠神經前體細胞的生長速度明顯快于對照材料。向高分子材料中加入碳納米管可以顯著改善原有聚合物的傳導性、強度、彈性、韌性和耐久性,同時還可以改進基體材料的生物相容性。研究發現,隨著復合物中碳納米管含量的增加,神經元細胞和成骨細胞在復合材料上的黏附與生長也越來越活躍,而星形細胞和成纖維細胞的活性則呈現同等程度的下降。研究人員設計的人造紅細胞輸送氧的能力是同等體積天然紅細胞的236倍,可應用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運動需要的額外耗氧等。研究人員成功合成了模擬骨骼亞結構的納米物質,該物質可取代目前骨科常用的合金材料,其物理特性符合理想的骨骼替代物的模數匹配,不易骨折,且與正常骨組織連接緊密,顯示出明顯的正畸應用優勢。

納米自組裝短肽材料RADA16-I與細胞外基質具有很高相似性,RADA16-I納米支架可以作為一種臨時性的細胞培養人工支架,它能很好地支持功能型細胞在受損位置附近生長、遷移和分化,因而有利于細胞抵達傷口縫隙,使組織得以再生。有研究人員利用RADA16-I納米支架修復了倉鼠腦部的急性創傷,并且恢復了倉鼠的視覺功能。RADA16-I形成的水凝膠可用作新型的簡易止血劑,用于多種組織和多種不同類型傷口的止血。

4、我國發展納米生物學和納米醫學的現狀和發展策略

目前,我國在納米生物和醫學領域內的研究基礎還比較薄弱,通過采取各種激勵措施和各種研究計劃的實施,特別是國家自然科學基金委的納米技術重大研究計劃對納米生物和納米醫學項目的支持,我國在納米生物和納米醫學方面的研究狀況有了很大的改善,生物、醫學界的許多院、所相繼建立了有關納米技術的研究室,如中國醫學科學院基礎醫學研究所、軍事醫學科學院毒物藥物研究所和生物物理研究所等都設立了納米研究室,初步形成了一只較強的研究隊伍。近年來,來自化學、物理、信息、藥物、生物和醫學等領域的科學家通過幾次研討會進一步明確了納米生物和納米醫學領域的研究方向和內容,并建立了較密切的合作。我國在納米生物和納米醫學的研究領域也涌現了一批極具特色的研究成果,如在生物傳感器、生物芯片、新型藥物載體和靶向藥物、新型納米藥物劑型、新造影劑、重大疾病的機制、納米材料的應用和生物安全性及重大疾病預防和早期診斷與治療技術等方面。但是,這些研究的水準與國際先進水平還有相當的差距,離國家、社會的需求也有相當遠的距離。

納米醫學工程的建立不僅是因為有其迫切的需要,而且也因為有了實現的可能。如今,納米科技在國際上已嶄露頭角,世界各發達國家紛紛開展納米科技的研究。在我國,科技界對納米科技的重要性有了共識,納米科技研究已取得引人注目的成果。學科發展和社會需要是推動社會發展的巨大動力,學科發展可以創造新的需求,社會需求可以促進學科向深度和廣度發展。納米生物醫學工程正在出現,我們無力將它阻擋。雖然它的廣泛應用尚有待時日,并潛在危險,但若沒有它,我們現在面臨的許多生物醫學工程問題就不可能得到滿意的解決。

人類正在被歷史及自身推向一個嶄新的陌生世界,倘若人類能直接利用原子、分子進行生產活動,這將是一個質的飛躍,將改變人類的生產方式,并空前地提高生產能力,有可能從根本上解決人類面臨的諸多困難和危機。我們有必要把納米科技和生物醫學工程概念進行拓展,把納米科技的理論與方法引入生物醫學工程的相關研究領域,創立新的邊緣學科——納米生物醫學工程。可以相信,納米醫學工程將會成為納米科技的重要分支,并開創生物醫學工程新紀元。科學家認為,納米科技在生物醫學方面,甚至有可能超過信息技術和基因工程,成為決勝未來的關鍵性技術。[參 考 文 獻] [1]劉吉平,郝向陽.納米科學與技術[M].北京:科學出版社,2002:2,227-229,234-238,239-242,230-234.[2]李道萍.21世紀嶄新的學科——納米醫學[J]1世界新醫學信息文摘,2003,1(3):208-210.[3]李會東.納米技術在生物學與醫學領域中的應用[J].湘潭師范學院學報(自然科學版),2005,27(2):49-51.[4]皮洪瓊,吳俊,袁直等.注射用生物可降解胰島素納米微球的制備[J]1應用化學,2001,18(5):365-369.[5]常津.阿毒素免疫磁性毫微粒的體內磁靶向定位研究[J].中國生物醫學工程學報,1996,15(4):216-221.[6]張共清,梁屹.納米技術在生物醫學的應用[J]1中國醫學科學院學報,2002,24(2):197-201.〔7〕中國社會科學院語言研究所詞典編輯室編.現代漢語詞典.北京:商務印書館2002年版:1711〔8〕奇云.21世紀的納米醫學.健康報,2001(4):12〔9〕紀小龍.納米醫學怎樣診治疾病.健康報,2001,7,19[9]奇 云.納米醫學——21世紀的科技新領域[N].中國醫藥報,1995年6月8日~1995年7月18日,第1160期-1178期,第7版.[10]奇 云.納米材料——21世紀的新材料[J].科技導報,1992(10):28-31.[11]奇 云.納米電子學研究進展[J].現代物理知識,1994,6(5):24-25.[12]奇 云.納米生物學的誘人前景[N].光明日報,1993年5月7日,第15864號第3版.[13]奇 云.納米化學研究進展[J].自然雜志,1993,16（9、10):2-5.[14]奇 云.納米化學研究進展[J].現代化工,1993,13(8):38-39.[15] 華中一.納米科學與技術[J].科學,2000,52(5):6-10..