第八章 纳米材料在生物医学领域的应用-1

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1、第八章纳米材料在生物医学领域的应用8.1纳米生物学和纳米医学概述8.2纳米生物材料8.3纳米给药系统与纳米药物载体8.4纳米医学的突破和应用8.5纳米生物工程纳米材料在生物医学领域的应用从DNA碱基对(纳米尺度)到细胞(微米尺度)的尺度变化8.1纳米生物学和纳米医学概述生命现象中的纳米结构蛋白质、DNA、RNA和病毒，都在1-100nm的尺度范围。生命现象中的“纳米机械”细胞中的细胞器。“纳米车间”和“纳米工厂”细胞和植物的光合作用。纳米科技的完美典范：结构精确的遗传基因序列的自组装排列；神经系统的信息传递和反馈等。生物合成和生物过

2、程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉。概述：纳米医学和生物学-----纳米技术中另一个重要分支领域生物学和医学的研究内容组织和生物细胞和器官染色体单个分子分子内部的结构生命由纳米水平的生物分子为中心构成构造体，再由这些构造体聚集起来，相互作用，发挥各自的功能，从而形成生命现象。生物学的重要内容DNA分子的结构和复制：DNA之所以能起遗传作用，是与它的分子结构有密切关系的。DNA结构DNA:脱氧核糖核酸，一种高分子化合物，组成它的基本单位是脱氧核苷酸。1个脱氧核苷酸=1分子磷酸+1分子脱氧核糖+1分子含氮碱基组成的。组成脱氧核苷酸的四

3、种含氮碱基构成四种不同的脱氧核苷酸：腺嘌呤(A)腺嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤(G)鸟嘌呤脱氧核苷酸胞嘧啶(C)胞嘧啶脱氧核苷酸胸腺嘧啶(T)胸腺嘧啶脱氧核苷酸很多个脱氧核苷酸聚合成为DNA。DNA的空间结构:规则的双螺旋结构DNA的复制:边解旋边复制步骤：第一步，利用细胞提供的能量，在解旋梅的作用下，把双链解开，成为解旋；第二步，以解开的每段为模板，以周围环境中游离的脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，合成子链；第三步，随着解旋过程的进行，新合成的子链不断延伸，同时每条子链与其相对应的母链相互盘缠成螺旋结构，形成新的DNA分子。

4、现代遗传学家认为，基因是DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段。基因位于染色体上，并在染色体上呈线性排列。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达。人类只有一个基因组，大约有5－10万个基因。什么是基因？美国科学家于1985年率先提出的，旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。该计划于1990年正式启动，这一价值30亿美元的计划的目标是，为30亿个碱基对构成的人类

5、基因组精确测序，从而最终弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作用。什么是人类基因组计划？现代生物学和现代医学的不断发展：其研究内容已从细胞，染色体等微米尺度的结构深入到更小的层次，进入到单个分子甚至分子内部的结构。这些极其微细的分子结构的特征尺寸大多在0.l－100nm之间，属于纳米技术的尺度范围。因此，研究这些纳米尺度的分子结构和生命现象的学科，就是纳米生物学和纳米医学。纳米生物学和纳米医学1）在纳米尺度上,应用生物学原理和新兴的纳米技术来研究和解决生物学问题：了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系（这也是整个现代生物学发展的基础）。

6、2）利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造类似生物大分子的分子机器。纳米生物学(nanobiology)关键词：纳米尺度，生物学问题，分子器件纳米生物学的研究集中在五个方面:1)利用纳米技术来解决和研究生物学问题。研究细胞内部各种细胞器的结构和功能、细胞内部、细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换；2)在纳米尺度上获取生命信息,特别是细胞内的各种信息。用扫描质子探针测定细胞膜和细胞器表面的元素成分的信息，用微感器和纳米传感器获取各种生化反应的化学信息和电化学信息。3)脑功能的研究。破译人类的记忆、思维、语言和学习这些高级神

7、经功能和人脑的信息处理功能。4)仿生学的研究。最具诱惑力的纳米机器人。5)纳米结构自组装的研究。利用生物大分子制造分子器件,模仿和制造类似生物大分子的分子机器。纳米医学医学：研究人体疾病发生的内在原因并进行恰当治疗的一门学科。纳米技术将带给医学一场前所未有的技术革命。“纳米”不仅意味着空间尺度，更重要的是提供了一种对医学的全新认识方法和实践方法。纳米技术与医学的结合纳米医学将大幅度提高人类健康和保健的水平，使人们能够真正做到延年益寿。纳米医学将在以下五个方面得到突破和应用：（l）在分子的水平上认识和理解病变的机理（2）大幅度提高医学

8、诊断和疾病检测的精度（3）纳米医用机器人与可控的体内显微手术（4）攻克和杀死癌细胞和病毒的特效药物（5）基因治疗纳米材料在医药领域的应用现状纳米级粒子使药物在人体内的传输更为方便,用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击