纳米生物材料研究进展

纳米生物材料研究进展

学院：建筑工程学院专业：土木工程

姓名：李春波学号111401140

生物材料又称生物工艺学或生物技术。应用生物学和工程学的原理，对生物材料、生物所特有的功能，定向地组建成具有特定性状的生物新品种的综合性的科学技术。生物工程学是70年代初，在分子生物学、细胞生物学等的基础上发展起来的，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等，他们互相联系，其中以基因工程为基础。只有通过基因工程对生物进行改造，才有可能按人类的愿望生产出更多更好的生物产品。而基因工程的成果也只有通过发酵等工程才有可能转化为产品，而今天，就让我带领你走进微小，但不失奇妙的纳米生物材料。

纳米，其实是长度单位，原称毫微米，就是10亿分之一米，即100万分之一毫米。如同厘米、分米和米一样，是长度的度量单位。相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小。举个例子来说，假设一根头发的直径是0.05毫米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度大约就是一纳米。也就是说，一纳米大约就是0.000001毫米.纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米技术的发展带动了与纳米相关的很多新兴学科。有纳米医学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学等。全世界的科学家都知道纳米技术对科技发展的重要性，所以世界各国都不惜重金发展纳米技术，力图抢占纳米科技领域的战略高地。我国于1991年召开纳米科技发展战略研讨会，制定了发展战略对策。十多年来，我国纳米材料和纳米结构研究取得了引人注目的成就。目前，我国在纳米材料学领域取得的成就高过世界上任何一个国家，充分证明了我国在纳米技术领域占有举足轻重的地位。

在过去几年中,生物纳米材料的理论与实验研究已成为人们关注的焦点,特别是核酸与蛋白质的生化、生物物理、生物力学、热力学与电磁学特征及其智能复合材料已成为生命科学与材料科学的交叉前沿。目前,纳米生物芯片材料、仿生材料、纳米马达、纳米复合材料、界面生物材料、纳米传感器与药物传递系统等方面已取得很大进展。

1.纳米生物芯片材料

纳米生物芯片材料是一个正在发展的技术，它首先利用生物智能全数字癫痫定位仪查出致痫病灶，并进行精确定位，运用生物芯片技术进行植入病灶顶部，运用生物芯片调节神经兴奋及异常发作的微小电流，芯片植入后(就是出现发作人体也感应不到，因为电流被芯片吸收，就不会出现电流刺激神经和脑细胞，各种肢体抽搐等异常症状即刻消失)。而治疗系统中另一项需同时进行的血液磁化技术，它是依据生物物理学、生物磁学、生物光学、生物化学的原理，将磁、光、氧有机结合形成磁共振作用，以血液为媒介调节机体代谢实现对机体的治疗，它能感应和影响人体电流分布、电荷微粒的运动、膜系统的通透性和生物高分子的磁矩取向等，清除大脑异常电流，稳定神经细胞膜，提高神经细胞兴奋阈，抑制大脑神经元高频放电和冲动的传播。在脑部形成稳定的生物磁场，使异常放电的神经元电位趋于平衡，调整神经网路电失衡。对神经细胞功能失调有整合作用,对缺氧破损的神经细胞有修复作用,可以增进神经细胞的重新生长,针对性的修复受损的神经细胞，从而产生镇静、解痉作用，激发神经自身保护功能，促使神经

功能恢复。据悉，国际最新癫痫治疗高科技项目微纳米生物芯片技术已经取得解放军军部、国家权威医疗卫生部门认可和临床验证，并被允许临床推广。

2．纳米仿生材料

仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。而纳米技术在仿生材料上的应用，则使得材料的物理、化学特性发生重大变化，性能得到显著提高。核酸与蛋白质是执行生命功能的重要纳米成分，是最好的天然生物纳米材料。这些成分相互作用编织了一个复杂的完美的生物世界。

近年来，在人造复眼结构上也有了突破性的进展。Jeong 等通过软刻蚀法，合成了结构近似的人造复眼，其具有近乎完整的复眼构造，其包括完整的微透镜、锥体、光通道和检测器，很好地模拟了复眼的功能，这种人造复眼结构的成功，将对今后微存储、照相领域带来不可忽视的影响。

在对荷叶结构的模仿上，江雷研究小组利用激光刻蚀的方法制备了相似阵列的超疏水碳纳米管薄膜。Barthlott 研究小组利用双组分硅及熔融的聚醚对荷叶植物表面进行结构复制也得到了超疏水表面薄膜。这些结构与荷叶类似，都具有很强的疏水性能。随着研究的深入，已经可以通过各种方法制备超疏水材料，如等离子体处理、气相沉积等。进一步地，将固体表面的特殊浸润性结合起来，可以设计超双亲、超双疏、亲疏条件切换等特殊材料，这些材料在物理、化学、智能控制等方面有着巨大的潜力。

水黾能自由的在水面行走、滑动。这种迷人的特性一直吸引着人们。已经知道，水黾的这种特性与其腿部的微纳结构所产生的疏水性是分不开的。Bush 研究小组模拟制造了一只机器水黾，其身躯由易拉罐的金属皮制成，前后两对腿为疏水性的不锈钢丝，中间的一对脚则由一条弹力带和滑轮构成。同水黾一样，此机器水黾也能依靠腿的弯曲产生的曲率来支撑其身体，也能自由的漂浮在水面上。如果将这种超疏水性材料应用到船体上，则可以明显减小船底的吃水深度，如能大规模应用，必将对航运事业产生不可估量的影响。

壁虎等是靠脚上无数微小的刚毛与物体之间产生的范德华力来黏附的。范德华力本身是一种非常弱的分子间力，由于其过于微弱，长期以来并不引人注意。直到Full 小组研究发现，壁虎能够在墙壁等上面自由行走，靠的确实是每根刚毛累积起来的范德华力，虽然每根刚毛产生的范德华力非常微小，几十万根刚毛的总体产生的力就十分可观了。

对这种黏附力的模仿，Geim等用电子束刻蚀和氧等离子体处理，报道合成了类似壁虎脚上刚毛的聚酰亚胺阵列绒毛，这是一种非黏性黏合剂，依靠的正是范德华力。这种材料有很多潜在的用途，将有可能使人在墙壁上自然行走，成为真正的“蜘蛛”。

3.纳米马达

生物纳米马达，又称生物马达分子、分子马达或纳米机器，是由生物大分子构成并将化学能转化为机械能的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内的胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等生命活动起着重要作用。它是马达家族的革命，标志着人类由制造物理马达到制造生物马达的理想成为现实。纳米马达这种聚合物分子含有数对氮原子，氮原子两侧各有一个苯环，环与环之间的氮“桥”扭结在一起。分子的往复伸缩形变就是马达的运转。

4,. 纳米复合材料

纳米复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性为分散相，通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于基体材料中，形成一相含有纳米尺寸材料的复合体系，这一体系材料称之为纳米复合材料。

复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域，纳米复合材料则是其中最具吸引力的部分，近年来发展很快，世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。该研究方向主要包括纳米聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料。

在纳米聚合物基复合材料方面，主要采用同向双螺杆挤出方法分散纳米粉体，分散水平达到纳米级，得到了性能符合设计要求的纳米复合材料。我们制备的纳米蒙脱土/PA6复合材料中，纳米蒙脱土的层间距为1.96nm，处于国内同类材料的领先水平（中国科学院为1.5~1.7nm），蒙脱土复合到尼龙基体中后完全剥离成为厚度1~1.5nm的纳米微粒，其复合材料的耐温性能、阻隔性能、抗吸水性能均非常优秀，此材料已经实现了产业化；正在开发的纳米TiO2/聚丙烯复合材料具有优良的抗菌效果，纳米TiO2粉体在聚丙烯中分散达到60nm以下，此项技术正在申报发明专利。

5. 界面生物材料

很多纳米材料,如纳米粒子、纳米管、核酸、纳米肽等具有巨大的临床应用

潜力。纳米材料在临床应用的一个主要问题是这些材料能否被机体免疫系统接受。生物兼容性意指控制与生物组织相接触的材料行为的一系列复杂的理化与生物学反应过程。利用纳米技术，科研人员还研制出一种超双亲性界面物质（即同时具有超亲水性和超亲油性的表面）材料，用这种材料整理过的玻璃表面及建筑材料表面具有自清洁及防雾等效果。

仿生智能界面材料是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激,对之进行分析、处理、判断,并采取一定的措施进行适度响应的一类新型复合材料。

生物材料作为医用植入材料始于18世纪初。1808年初成功制成了镶牙陶齿。1892年Dreesman发表了第1篇关于利用熟石膏填充骨缺损的报告。1963年Smith 报告发展了一种陶瓷骨替代材料，这是一种由48％多孔铝酸盐陶瓷和环氧树脂组成的陶瓷，它与骨组织的物理性能很相匹配。进入80年代以后，复合型生物材料的研究掀起了一个高潮，随着研究的深化和应用广泛化，为获得长期满意的生物效应，对生物材料的要求越来越高

6. 纳米传感器与药物传递系统

当今纳米技术的发展，不仅为传感器提供了良好的敏感材料，例如纳米粒子、纳米管、纳米线、纳米薄膜等，而且为传感器制作提供了许多新颖的构思和方法，例如纳米技术中的关键技术STM，研究对象向纳米尺度过渡的MEMS技术等。

与传统的传感器相比，纳米传感器尺寸减小、精度提高等性能大大改善，更重要的是利用纳米技术制作传感器，是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域纳米传感器主要包括以下三大类：1.纳米生物和化学传感器2.纳米气敏传感器3.其他类型的纳米传感器（流量、压力和温度等）

纳米传感器的主要应用领域包括医疗保健、军事、工业控制和机器人、网络3

和通信以及环境监测等。随着相关技术的成熟，纳米传感器在国防安检方面的强大优势逐渐显现。相信在不久的将来，纳米传感器将用于新一代的军服和设备，并将用来检测炭疽和其他的危险气体等。

7.药物传递系统

药物传输系统(Drug Delivery Systems,DDS)系指人们在防治疾病的过程中所采用的各种治疗药物的不同给药形式，在60年代以前的药剂学中称为剂型。如注射剂、片剂、胶囊剂、贴片、气雾剂等。随着科学的进步，剂型的发展已远远超越其原有的内涵，需要用药物传输系统或给药器(Device)这类术语加以表述，即原由药物与辅料制成的各种剂型已满足不了临床治疗的需要，有的将药物制成输注系统供用，有的则采用钛合金制成给药器植入体内应用，使临床用药更理想化。为克服普通制剂的有效血浓维持时间短的缺陷，出现了长效注射剂，口服长效给药系统或缓/控释制剂、经皮给药系统等一系列新的制剂。由于缓/控释制剂的特点，它的市场前景看好。缓释制剂通常是指口服给药后能在机体内缓慢释放药物，使达有效血浓，并能维持相当长时间的制剂。控释制剂系指释药速度仅受给药系统本身的控制，而不受外界条件，如pH、酶、离子、胃肠蠕动等因素的影响，是按设计好的程序控制释药的制剂，如零级释药的渗透泵，脉冲释药的微丸，结肠定位释药的片剂或胶囊以及自动调节释药的胰岛素给药器等等。亦有些文献对缓释、控释制剂不加严格区分，统称为缓/控释制剂.

日本电气公司的专利，公开了一种图形排列碳纳米材料结构，可用于药物传输。具体方法是：将碳纳米材料嫁接在多环芳香族分子上，固定在一个衬底表面和具有单层石墨结构的阳离子上，形成特定的图形排列。

瑞士FIRMENICH & CIE的专利，公开了一种基于无机纳米粒子的药物传输系统，这种纳米尺寸传输系统包括一种无机纳米粒子半族与至少一种有机前体香料或前体药物半族形成共价键。

美国朗讯科技公司的专利，公开了一种可植入的药物传输支架，包括一种具有内表面和外表面的管状成分，特征在于：至少一个表面是疏水的，至少一个表面区域包括微结构或纳米结构阵列，所说的阵列使这个区域具有动力学控制疏水性。

美国休斯顿大学的专利，公开了一种纳米结构，可应用为药物传输系统，这种纳米结构有三种具体形式：纳米粒子核和纳米壳、纳米粒子核和纳米棒、纳米粒子核和纳米壳和纳米棒。纳米粒子壳具有一种导电材料，纳米壳或纳米棒具有另一种导电材料，这两种导电材料可以是相同的也可是不同的。

伴随着生物技术、材料科学、微电子技术、光电子技术、电子计算机等的发展和实际应用领域的迫切需要，生物纳米材料的研制与应用会不断发展，发展前景诱人。我相信在不久的未来，我们会生活在纳米的世界里，纳米一定会慢慢走进我们的世界，造福我们的世界。