纳米生物材料生物学特性和生物安全性的研究

一、纳米生物材料生物学特性、生物安全性及在重大疾病快速检测中的应用基础研究一、项目提出的背景及意义近年来，在医疗卫生和生物医学工程领域，纳米技术的引入和纳米生物材料的使用，极大的促进了现代医学的发展。

现在已有多种含纳米生物材料的医疗用品得到国家或省市级食品药品监督管理局的批件，进入了临床阶段。

国内外已有很多报道，纳米材料具有特殊的生物性质，主要体现在两个方面：一方面，从生物体整体而言，纳米材料在生物体内的分布途径及靶器官具有特殊性；另一方面，从细胞水平来讲，与常规材料不同，纳米颗粒可以通过各种方式直接进入细胞内，导致细胞功能的改变甚至丧失，影响细胞的正常工作。

因此，纳米材料特殊生物学性质可能会引起生物负效应，有必要对纳米材料的生物学特性和生物安全性进行研究。

在众多人们日常生活中所能接触的纳米材料中，纳米生物材料与其它纳米材料相比，在与人体的接触方式上有明显不同。

纳米医用材料一个最显著的特点就是在研制和使用它的过程中，已经人为的使它通过了肺、肠、皮肤这三个人体抵御外来颗粒物侵入的主要屏障，直接进入人体的循环系统，因此可能对人体造成更直接、更巨大的危害。

所以，迫切需要马上开展对纳米生物材料安全性的研究。

纳米材料的生物安全性是一个方兴未艾的研究热点，国内外的研究水平基本处在一个水平线上，还有很多问题没有研究透彻，尤其是对纳米生物材料来讲。

例如，现在人们还不了解不同纳米生物材料在生物体内的分布、蓄积、排泄特性，也不了解不同纳米生物材料是如何与各种细胞相互作用的。

因此，对纳米生物材料毒理学的研究还基本上是空白，需要更加细致的研究。

通过对纳米生物材料安全性的研究，可以了解、掌握各种纳米生物材料的毒理学数据，为相关管理机构对纳米生物材料及其产品进行风险管理提供理论依据和数据基础；使管理机构可以制定科学有效的管理办法来规范纳米医用产品的使用、处理，这一方面可以增强消费者对相关纳米医用产品的使用信心，扩大纳米医用产品的使用市场；另一方面，可以增强国家产业政策决策机构对纳米医用产另促进纳米医用产业的发展。

增大对纳米产业政策倾斜和资金投入，业的信心，外，通过对纳米生物材料安全性的研究，还可以保证北京地区在纳米材料安全性研究水平处于全国甚至是世界领先位置。

另外，生物活性和纳米效应在发展高灵敏度、高选择性和快速检测技术方面具有潜在的应用前景，将在疾病的诊断和卫生保健方面发挥重要作用。

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，心血管病无论发病率还是死亡率均居各类疾病之首，是当今威胁人类健康的重大疾病，如何有效预防和控制心血管疾病已成为我国当前迫切需要解决的医学问题和社会问题。

只有对血管病变进行早期检测、早期发现和合理干预，才能有效降低心脑血管疾病的发病率、从根本上降低致残和致死率。

围绕北京市民对心血管病早期诊断的重大需求，开展纳米生物材料在重大疾病快速检测中的应用基础研究为发展具有自主知识产权的急性心梗早期诊断产，品提供技术支撑，为首都新材料科技的可持续发展、为促进市民生活质量改善奠定基础。

二、项目的目标1.比较纳米生物材料与同种微米级以上材料在生物学评价方法、评价标准、指标上的差异，找到适合纳米生物材料的测试方法。

2.考察纳米生物材料在体内的吸收、分布、蓄积、代谢情况，观察纳米材料有无特殊靶器官。

3.针对纳米生物材料的特殊靶器官进行研究，力争在细胞水平甚至分子水平上解释两种纳米材料与靶器官作用的机理。

4.通过对纳米生物材料的表征和纳米生物材料对内皮细胞和单核细胞的细胞周期、形态以及超微结构的影响，探讨纳米生物材料与细胞相互作用机理。

5.开展基于纳米材料和传感器技术的多参数集成化快速定量检测应用基础研究，为及时挽救心血管疾病病人的生命开辟的绿色通道奠定早期诊断研究基础。

三、项目内容（1）根据GB/T 16886系列标准所规定的试验方法进行试验，比较纳米生物材料与同种微米级以上材料在生物学评价方法、评价标准、指标上的差异。

（2）模拟临床给药方式，采用合适的方法（如同位素标记、荧光标记等）测试纳米生物材料在生物体内的吸收、分布、蓄积、代谢情况，观察纳米材料．有无特殊靶器官。

（3）通过体外纳米生物材料与各种相关细胞共同培养的方法，研究纳米材料与细胞相互作用机理。

通过流式细胞仪、荧光显微镜、倒视显微镜、透射电子显微镜等观测手段测试纳米医用材料对细胞生长、细胞形态、细胞超微结构的影响，测定各种细胞因子浓度的变化，最终综合各项结果，推断纳米材料与细胞作用机理。

（4）结合纳米材料技术，生物电子技术，针对心血管疾病早期诊断和急救需求，开展急性心肌梗塞早期诊断指标心脏型脂肪酸结合蛋白（H-FABP）、肌酸激酶同功酶(CK-MB)和肌红蛋白（Mb）集成定量快速检测研究。

（5）进行纳米材料设计、评价、表征与制备研究，快速、低成本、高灵敏度和准确的心肌损伤标志物多联组合定量生物传感器研究以及微弱信号提取与处理、系统集成、医学应用基础研究。

四、北京地区工作基础在纳米生物材料生物学特性和生物安全性研究领域，北京地区科研院校和各类科研机构众多，拥有各学科各领域科研人才和非常完备的科研设施，所以在纳米材料生物学特性和生物安全性研究方面处于全国的领先地位。

中国药品生物制品检定所、中科院纳米研究中心、军事医学科学院等单位都已开展了对不同纳米生物材料安全性的研究，并得到了一些初步的研究结果，为进一步的研究打下了基础。

中国药品生物制品检定所近期的试验结果显示，两种常用的纳米生物材料纳米银和纳米羟基磷灰石在生物体内的分布具有特殊性，纳米银不但具有超过微米银的细胞毒性，甚至还能破坏血脑屏障，有必要对两种纳米材料进行深入的研究。

中科院纳米研究中心、军事医学科学院的研究也发现纳米碳管不但在生物体内可以异常分布，而且有一定的毒性效应，也需要进一步的研究。

在重大疾病快速检测的应用基础研究领域，北京拥有国家纳米科学中心、中国科学院电子学研究所、中国科学院化学所、北京大学、清华大学等纳米科技研究单位，集中了全国最好的纳米技术平台、仪器和一半以上的人才。

中国科学院电子学研究所是我国第一个综合型电子科学研究所，作为传感技术国家重点实验在基于微米纳米加工技术的生化传感器及分析系统等方向室北方基地的所在地，的应用基础研究达到国内领先、国际先进水平。

十五承担的两项863纳米材料课题均通过科技部验收并被评为优，研究成果参加了国家科技创新重大成就展。

与北京市地区的北京人民医院、北京医院、安贞医院等三甲医院有密切合作关系，这些单位拥有心血管疾病诊疗和临床检验研究科技资源。

二、干法制备锂离子电池隔膜中的关键科学问题一、项目提出的背景和意义（包括国内外研究现状简要描述）锂离子电池阻隔膜的研究和生产我国一直未能有实质性的突破，国内锂离子电池生产厂家均依赖进口，其售价甚至占到生产成本的20%以上，成为制约我国锂离子电池行业的关键和瓶颈问题。

目前聚合物锂离子电池微孔阻隔膜材料的制备主要有干法和湿法两种。

湿法是添加有低分子量添加剂的聚乙烯等高分子材料经拉伸和溶剂萃取的方法来得到微孔膜，主要由日本和韩国的一些企业研发和生产的工艺，其优点是可以采用聚乙烯为膜材料，满足了电池阻隔膜对安全性的要求，聚乙烯成膜性好，可以得到厚度低于12 ?m的膜，有助提高电池的容量；其缺点主要是在制备过程中大量使用有机溶剂作为萃取剂，产生的废水和废气对本已日益恶化的环境是一个严重的挑战。

干法是利用结晶性聚合物材料晶区和非晶区自身性质的差异，通过拉伸结晶聚合物的方法来制备锂离子电池阻隔膜，干法的优点是在整个制备过程中不使用溶剂，不存在环境污染问题，可以利用多层复合的方法解决对电池阻隔膜安全性的要求。

主要由美国和我国中科院化学研究所拥有相关的知识产权。

干法制备的聚烯烃电池隔膜的结构形态主要受两个因素的影响。

一个因素是拉伸工艺，而关于双向拉伸过程对微孔结构和性能的影响鲜有报道。

另一个主要因素是聚烯烃的本身结构，主要包括结晶温度、冷却速度、熔体粘度、结晶形态和结晶结构等方面对拉伸成孔的影响尚不完全清楚。

综上所述，系统地研究聚烯烃在不同条件下的结晶动力学及形态结构，建立这些因素与双向拉伸等工艺条件对微孔膜的孔隙度、孔径及其分布等结构形态间的关系，在此基础上阐明微孔形成的机理和结构形态的控制方法，并进一步研究微孔膜结构形态对锂离子电池性能的影响，为锂离子电池隔膜的研究开发和产业化提供指导。

二、项目目标（1）阐明聚烯烃结晶结构和形态与拉伸成孔间的内在规律，并建立微孔形成的机理和结构形态的控制方法。

）阐明双向拉伸工艺条件与微孔膜的微观形态构及性能间的内在联系。

2（．（3）建立微孔膜结构形态与锂离子电池性能间的关系，为锂离子电池隔膜的产业化提供指导。

三、项目包括的主要内容1.聚烯烃结晶结构和形态对拉伸成孔的影响；系统地研究不同的条件对聚烯烃的晶型、片晶取向、球晶大小等的影响，并建立这些因素与拉伸成孔间的规律。

2.双向拉伸条件与微孔膜的微观形态构及性能；系统地研究拉伸温度、拉伸速度、拉伸比等条件对微孔膜形态和性能的影响，并建立这些因素与拉伸成孔间的规律3.建立薄膜厚度在线检测，孔隙率、孔径分布等表征手段和方法。

4.微孔膜结构形态与锂离子电池性能间；研究不同条件下制备的微孔膜作为锂离子电池隔膜使用时的电性能、力学性能、闭孔温度、破膜温度等，建立微孔膜的结构形态与电池性能间的关系，为锂离子电池隔膜的产业化提供指导。

四、北京地区的工作基础中国科学院化学研究所利用干法制备聚丙稀电池隔膜在拉伸成孔的原理上区别日、韩和美国的技术，拥有自主知识产权，（US5134174，GB2251205，JP6100720，），目前在相关企业的帮助下，以陆续开展干法制备电池隔CN1062357，JP2509030膜的中试工作，中国科学院理化技术研究所也开展了利用湿法制备动力电池隔膜方面的工作。

三、新型低成本、高效率太阳能电池关键材料及技术研究一、项目提出的背景及意义（包括国内外研究现状）在当今能源日趋紧张的大环境下，太阳能作为一种可再生能源日异受到重视，作为太阳能利用最主要的方式之一—太阳能电池的研究开发越来越热门，各国投入了大量的人力、物力抢占技术的制高点。

按材料可分为硅薄膜、化合物半导体薄膜和有机薄膜太阳能电池。

目前提高太阳能转化效率、降低使用成本是太阳能利用面临的关键问题。

在所有的半导体薄膜太阳能电池中，问世于1991年的纳米晶染料敏化太阳能电池（DSSC）是一种非常重要的太阳能电池。

相比目前成本较高、高纯硅原料紧张的硅基太阳能电池，它具有成本低、理论效率高（33%）、制备工艺简单等优点，具有很大的产业化前景和应用市场。

该电池还可以制备到柔性基底上，进一步降低成本，扩大其应用领域（例如太阳能汽车、飞机、飞艇、建筑、纺织品、帐篷、服装、头盔，玩具等刚性太阳能电池无法胜任的特殊曲面场合，甚至可以像地图一样挂在墙上或窗上，不用时卷曲起来），这对于推动太阳能电池的产业化具有十分重要的战略意义和现实意义。