纳米技术在生物医药学发展中的应用
老师评语纳米技术在生物医药学发展中的应用
摘要：纳米科学与技术应用的核心发展方向之一，是其在生命科学以及人类健康关怀事业中的研究与发展。目前，纳米功能材料与器件除了在生物大分子，如DNA、RNA、蛋白分子结构与功能检测方面的应用与开发研究之外，特别重要的是，在医学领域中形成了众多的可运用技术，主要包括：纳米材料与技术在纳米药物体系方面的应用、纳米材料标记与单分子检测技术、纳米材料与器件在医学临床诊断与重大疾病中的应用、纳米材料应用与康复器械与人工器官等等。在对生物医药学纳米技术主要的应用研究进行概要的基础上，本文对东南大学纳米材料与技术在生物医药学领域中的主要研发工作侧重进行了一些介绍，并对今后的相应发展进行概略的讨论。
纳米科技的发展必须有三大基础支撑，这就是纳米材料学、纳米加工制造学与纳米结构表征测量学。由于纳米科技的基本思想、方法等可导入各个学科领域，于是便发展出众多的纳米科技新兴领域，如纳米体系物理、纳米体系化学、纳米机械学、纳米摩擦学、纳米电子学、纳米生物学、纳米医学等等。显然，纳米体系的物理与化学等与前述三大支撑都构成纳米科技发展的重要基础。同时，纳米科技应用在各个方面表现出的诱人前景是纳米科技发展的巨大推动力。
继扫描隧道显微镜(STM)发明并获得1986年物理学诺贝尔奖之后，1990年在美国的Baltimore市召开了第一届纳米技术国际学术会议(Nano＇1)，成为纳米科技发展起步的一个重要标志。同年创刊了两个国际学术杂志：《纳米技术》与《纳米生物学》，表明在纳米科技发展的初始阶段，借助扫描力显微术(SFM)对生物分子，特别是DNA的研究以及其他纳米生物结构的研究给予了极大的重视。到1999年，美国的RobertA.FreitasJr.出版了其三卷本的《纳米医学》(第一卷)，表明纳米科技的发展已促使人们开始多方面考虑并且探索了纳米科技在医学临床诊治、药物学等方面的应用。将纳米生物学的发展结合纳米医学的出现，在名称方面，有人称之为纳米生物医学(Nano-Biomedicine)，也有的称作生物医学纳米技术(BiomedicalNanotechnology)。总之，这表明了纳米科技应用于生物医学诸多方面的重要进展。
最怕有一天你离我远去是什么歌纳米科技在生物医学方面的研究应用大致可包括这样几个方面：纳米观测技术在生物大分子结构与性质方面的研究；纳米器件在生物医学检测中的应用；纳米药物体系；纳米材料与技术在临床诊治中的应用，包括在康复医学中的重要应用。以下仅对纳米科技在生物医学有关方面的新近研究发展作一个概略的介绍。
一、纳米观测技术在纳米生物结构与性质研究中的应用
1982年IBM苏黎世研究实验室报道的STM使人类的视力首次在大气、室温甚至在溶液条件下延伸到纳米尺度。随后发展起来的原子力显微术(AFM)、电化学显微术(ECM)、磁力显微术(MFM)、电容力显微术(CFM)、电场力显微术(EFM)、以及扫描近场显微术(SNOM)等形成为纳米观测技术中强有力的工具。特别是，这些显微术不仅可进行微结构或形貌的观察测量，而且基于不同的成像原理可同时研究有关结构的性质。
1990年的IBM的Eigler等人最早报道了成功地利用STM操纵原子拼写字母的结果，表明人类不仅可以观察、测量这些纳米结构，而且还可以根据人的意志来加工制造最小的纳米结构。这些观测以及操纵原子的技术在最初的发展时期都被用于纳米生物学的研究，如DNA、RNA、某些蛋白分子、病毒等超细结构和生物学性质的观测。近来，随着SNOM、光镊、电场镊、分子梳等技术的不断进展，对单分子，特别是生物单分子的操纵和检测研究也发展很快，其实际医学应用前景非常美好。
对生物纳米结构的研究主要在于对生物大分子进行观测，特别集中在蛋白质和核酸分子的结构(几何尺度处于几十纳米至几纳米的范围)与功能之间的关系。Lee等人采用SFM，在观察微观结构的同时，直接测量了DNA互补链之间的相互作用力。此外，2000年Oesterhelt
等人报告了采用原子力显微镜结合单分子力谱技术对噬盐菌的紫膜碎片进行成像和操纵。单个细菌视紫红质分子首次被固定并随后从膜中被提取出来，同时观察到遗留的空位。对不同的螺旋结构，锚定力介于100至200pN之间。被取出的螺旋体呈现展开结构。力谱测量显示出螺旋体展开途径的各自特点：螺旋体G和F，与E和D一样，总是成对展开，而B和C有时相继展开。开环实验显示这种特性的原因，是因为螺旋体B的稳定性取决于相邻的螺旋体。
核糖体是合成蛋白质肽链的场所，在生物学领域中一直是重要的研究对象。XiaoweiZhuang等人采用荧光显微镜研究了单个四膜虫噬热性核糖酶分子的折叠过程。采用荧光显微镜他们研究了单个四膜虫噬热性核糖体分子的折叠和催化性质。发现在溶液中染料标记和固定于表面的核糖酶在功能方面与没有修饰的自由核糖酶没有区别。在单分子时间轨迹上可直接观察到由核糖体核中的对接和非对接的可逆局部折叠步骤，使得可以确定速率常数和表征转变状态。在全部的折叠过程中，观察到中间折叠态和多折叠途径。相对以往观察到的折叠途径，发现一个新的折叠速率常数为1s-1的折叠途径。这些结果证明单分子荧光是考察RNA折叠的强有力的工具。
Weiss报告了一种新型的双光束荧光法，可用于测量生物大分子间的距离、相对取向以及距离和取向的变化等。目前他们可以分辨相距为10nm的两个荧光发光体，并可能进一步减小分辨距离。这项技术可以用于对细胞膜内的蛋白质同时进行荧光成像以及重新定位等目的，有望在分子水平上研究动态的生化反应，如蛋白与DNA的相互作用等。Betzig等人运用局域电场发射与分子电偶极子取向分析，已经观察到单个荧光分子相距约150nm的两个分子光谱。利用SNOM、脉冲激光激发以及时间分辨的光子技术，发现单个染料分子的荧光寿命与探针-分子相对位置的关系。
会计基础知识学习美国Princeton大学的等离子体物理实验室建成了波长为18.2nm的X射线激光器，并制成X射线激光接触显微镜，可用于观察活的细胞，如已观察到马蹄蟹免疫活细胞中一种从未知晓的精细特征。这种设备与反转相衬光学显微镜结合起来，能够用于对癌细胞进行内部动态代谢过程研究。利用纳米观测工具对生物大分子内以及分子间作用力的测量与分析，以及生物纳米结构(如细胞器)，尤其是生物分子的动态过程，结合其相关的功能特性的研究成为当前该方面工作的主要热点。
利用纳米观测工具对生物大分子内以及分子间作用力的测量与分析，以及生物纳米结构(如
细胞器)，尤其是生物分子的动态过程，结合其相关的功能特性的研究成为当前该方面工作的主要热点。
二、纳米材料与技术在临床诊治与康复医学研究中的应用
因为某些纳米材料的一些特殊的性质，在诊断试剂、核酸分子分离纯化，乃至某些具体的疾病方法中具有重要的应用前景。七年级上册数学第一单元
来电显示私人号码采用超微金颗粒制成金溶胶，接上抗原或抗体就能进行免疫学的间接凝集试验，可用于快速诊断。如将金溶胶妊娠试剂加入孕妇尿中，未妊娠呈无，妊娠则呈显著红，仅用0.5克金即可制备1万毫升的金溶胶，可测1万人次，其判断结果清晰可靠。采用纳米金微粒标记在免疫学实验中已是较成熟的技术，目前又发展了在同一个样品上可将纳米金标记与采用银或金增强的其它标记方法，如酶标记技术结合起来，并且可容易地区分两类不同类型的信号。例如，采用纳米金标记结合银增强以标记感兴趣的位点，以过氧化物酶DAB标记第二位点。此外，Matsubara等人还开发出利用不同尺寸的纳米金属微粒进行双标记的技术。如果在免疫金及银增强之后采用，则可能造成对银的腐蚀，使得银颗粒的尺寸减小，或整个地去除它们。为避免这个问题，可以采取以下任何一个措施：
(1)降低锇的浓度；
(2)在银增强之后采用金调节；
(3)采用金增强剂以代替银。
加薪报告SiO2与Au纳米微粒在某些生物环境中具有明显的小尺寸效应，如Au纳米微粒能提高视黄醛薄膜的光电流和稳定性，SiO2与Au纳米微粒能提高葡萄糖氧化酶的活性及稳定性 41-42 。唐芳琼等人利用纳米金属微粒的比表面积大、表面反应活性高、吸附能力强等优点，把纳米微粒引入到葡萄糖氧化酶(GOD)固定化研究中，发现纳米微粒可显著提高GOD酶电极响应灵敏度和使用寿命。亲水、憎水的纳米金微粒均具有很好的导电性，在GOD与电极间传递载流子。同时，憎水纳米微粒所携带的反胶束可以为GOD提供一个水溶性微环境，减少在引入高分子辅助酶基质时带入的极性有机溶剂的接触，提高固定化酶的催化活性。
纳米磁性微粒在核酸研究中也获得了许多重要的应用。如纳米磁性微粒在mRNA、DNA的分离与纯化，以及在核酸杂交、扩增及测序方面的应用等。Rolfs等人采用磁性微粒作为固相载体对DNA测序的自动化进行了探索，其测序系统每周的分析能力可达30 000～40 000
个碱基。纳米磁性材料在中的应用也受到广泛地关注。德国的RolandFelix研究组发明的癌症新疗法是基于将纳米铁氧体微粒用葡聚糖分子包裹，形成水溶物后注入肿瘤部位，在外加交流磁场作用下，使病灶部分升温至47℃来达到杀死癌细胞的目的。普通磁疗法利用电磁场对肿瘤部位进行加热，当温度高于40℃杀死癌细胞的同时，也损害到肿瘤周边的正常组织。采用新疗法，由于将肿瘤细胞和纳米微粒混合在一起，磁场作用能量较好地集中到肿瘤部位，使得对邻近组织的伤害大大减小，的副作用得到控制。

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