纳米技术在生物领域的应用

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1、纳米技术在生物领域的应用随着人们对生命领域的认识的不断深入可以认为生物世界是由纳米级单元构成，并且生命系统是由纳米尺度上的分子的行为所控制的,例如血液中红血球的大小为6000-9000nm。一般细菌的长度为2000-3000nm，病毒尺寸一般为几十纳米蛋白质的尺寸为1-20nm。生物体内的RNA蛋白质复合体线度在15-20nm之间DNA链的直径为1nm等纳米粒子的尺寸比生物体内的大多数器官小。这为生物学提供了一个新的研究领域即在纳米水平上对细胞和生命进一步认识，相应地对生命本身细微结构认识的深入，将使人们不断得到启迪有助

2、于对细胞行为更好调控促进新兴研究领域的发展因此纳米与生物的结合，不仅对探索生命本质具有重大科学意义而且具有重要的应用价值。一、纳米技术在生物系统领域的优势1.1纳米物质的尺度优势能控制纳米粒子与纳米装置的尺度是纳米技术在生物系统领域应用的一个明显优点。生物大分子如酶和受体与纳米级物质大小相似，如血红蛋白直径是5nm，脂质双分子层的厚度是6nm。因此，小于20nm的纳米粒子能穿透血管壁。磁性纳米粒子能穿过通透性的血管内皮细胞离开血液循环，所以能显像淋巴结内的转移病变。纳米粒子能穿透血脑屏障或胃肠道上皮，而以往治疗药物和显像

3、剂很难通过它们到达预定靶点。作为药物递送载体的纳米粒子，必须小到能穿过脾脏约200nm的具有吞噬细胞的丝状网筛结构，避免被脾脏迅速滤过；必须小到能穿过150一200nm的肝窗，以避免肝窦内壁的Kupffer细胞的吞噬作用。已证实载药脂质体能增加患者生存期，这与纳米粒子能逃逸脾脏和肝脏的网状结构有关。1.2纳米物质的可溶性优势纳米粒子外层允许多种化学、分子生物实体以共价键或其它键的方式结合，增加了粒子溶解性和生物相容性。如亲水基团聚乙二醇(PEG)等结合到纳米粒子表面。明显增加其水合作用(溶解性)，在体内应用时，能保护蛋白

4、质防止酶降解。纳米粒子的这种优点适合药物的开发与递送。亲水纳米粒子能结合、吸附或包被不溶物，此复合物实体的可溶性是由亲水纳米粒子载体表现出来的，不受不溶物限制。亲水脂质体是最常见的，美国FDA已经批准上市。PEG和其它亲水聚合物与纳米粒子表面结合后，也能增加其体内相容性。未与亲水聚合物结合的纳米粒子静注时，迅速被网状内皮系统(REs)从血液中清除；结合后的纳米粒子降低了巨噬细胞的调理作用和清除作用，从而延长了半衰期，限制肝脏的首过作用，从而增加了生物利用度。1.3纳米物质的靶向性优势脂质体作为药物递送工具是纳米技术应用到

5、生物学的最早例子之一。阿霉素脂质体已在癌症治疗中应用，它通过被动肿瘤靶向结合来增加治疗剂活性成分和降低毒性作用。除纳米尺度外，纳米级物质可用不同的靶向剂修饰其表面也是纳米技术具有靶向性的原因。研发纳米粒子作为药物、核酸及其它分子的靶向性递送工具将成为改善治疗癌症和其它疾病的方法。纳米级物质会成为能运输大剂量化疗药物进入肿瘤细胞的靶向性常规治疗方法。树突状石、陶瓷纳米粒子和脂类包被的全氟化碳纳米乳胶，均能主动和被动地对准癌细胞，而很少进入正常细胞，减少药物毒性反应。二、纳米技术在生物系统领域的应用2.1纳米机械Boyer曾

6、提出F1-ATPase分子模型，Walker等通过F1-ATPase分子的X射线晶体结构认为该酶是一个“马达”。Noji突破常规，采用精密的方法，并通过在膜的F0部分，作为巨型探针以提供旋转马达负载，并方便观察，然后将整个分子固定于Ni-NTA(Ni氨三乙酸配合物)涂敷的玻璃基底上，利用一台荧光显微镜观察肌动朊细丝的运动。他们直观观察到F1-ATPase分子的单个旋转见图1，而且，Noji观察到仅当有Mg-ATP存在时，F1-ATPase系缚的肌动朊细丝才能旋转，从而演示了该分子马达的功能，并符合X射线晶体结构预测的方向

7、。该实验为Boyer旋转模型提供了直接有力的证据。更深入的研究将允许科学家们利用分子水平上的研究结果，将无机装置与自分子马达相合，创造“杂交”系统和全新纳米机械器件。人们设想利用化学能的分子马达驱动的纳米机械与阀、泵和传感器组成集成器件，这类器件能对肌体内外的变化作出反应。例如可探测有害化学物质的纳米传感器。当被有害物质激活后，这种传感器内的马达就打开阀门释放出可见的物质示警；利用小型、自给自足能量的器，械可以探测并鉴别土壤中的油类或化学污染，同时绘制出它的分布和浓度图或是根据探测的体内变化调控药物的施用等。2.2模板自

8、组装系统目前已应用的模板有固体膜、单分子膜、有机分子、生物分子等后两者举例说明如下。利用少量有机大分子已经可以控制大分子成核、生长，形成生物矿化纳米结构材料。这些合成的纳米结构材料有许多特殊的性质，如流动性、运输行为、催化活性、分离效率、粘附特性、储存特性和从“智能”胶体中释放的动力学特性等。某些生物分子是高智能的自