纳米生物材料省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

纳米生物材料纳米生物材料第1页一，纳米材料概述v纳米技术介绍v纳米技术在世界各国情况v纳米技术在当代中国发展第2页1.1 纳纳米及米及纳纳米技米技术术v1 1纳米纳米(nm):1(nm):1毫米毫米(mm)(mm)百万分之一百万分之一 1 nm=10 1 nm=10-6-6 mm=10mm=10-9-9m(=10)m(=10)大约等于十个氢原大约等于十个氢原子并列一直线长度。子并列一直线长度。v人类头发直径大约有人类头发直径大约有6万万至至8万纳万纳米。米。第3页第4页1.1 纳纳米及米及纳纳米技米技术术v所谓纳米技术，是指在0.1100纳米尺度里，研究电子、原子和分子运动规律和特征以及对物质和材料进行处理技术被称为纳米技术。v纳米生物医用材料是指用于对生物医用材料进行诊疗、治疗、修复或替换其病损组织、器官或促进其功效新型高科技纳米材料。第5页纳米技术在世界各国情况纳米技术在世界各国情况v1981年科学家创造研究纳米主要工具年科学家创造研究纳米主要工具扫描隧道显微镜，原子、分子世界从此可扫描隧道显微镜，原子、分子世界从此可见。见。v1990年首届国际纳米科技会议在美国巴尔年首届国际纳米科技会议在美国巴尔摩举行，纳米技术形式诞生。摩举行，纳米技术形式诞生。v1991年碳纳米管被人类发觉，它质量是相年碳纳米管被人类发觉，它质量是相同体积钢六分之一，强度却是铁同体积钢六分之一，强度却是铁10倍，成为倍，成为纳米技术研究热点。纳米技术研究热点。第6页2.1 2.1 国外纳米技术进展国外纳米技术进展v朗讯企业和牛津大学:纳米镊子v碳纳米管“秤”，称量一个病毒重量v称量单个原子重量“纳米秤”第7页2.1 2.1 国外纳米技术进展国外纳米技术进展v1990年，IBM企业用原子排出“IBM”镍基底上用35个氙原子排列成英文IBMv纳米存贮器及DNA开关第8页纳米技术在当代中国发展纳米技术在当代中国发展v1993年，中科院操纵原子写字v国家纳米科技发展纲要（-）和国家纳米科技发展指南框架 第9页1.2 1.2 纳米材料基本效应纳米材料基本效应1.1.界面效应界面效应2.2.尺寸效应尺寸效应3.3.量子效应量子效应 费费米米能能级级附附件件电电子子能能级级由由准准连连续续变变为为离离散散能能级现象级现象第10页1.界面效应界面效应v 纳纳米米材材料料因因为为大大量量原原子子存存在在于于晶晶界界和和局局部部原原子子结结构构不不一一样样于于大大块块晶晶体体材材料料，使使纳纳米米材材料料自自由由能增加，纳米材料处于不稳定状态。能增加，纳米材料处于不稳定状态。1.表面效应表面效应 是指微粉粒径越小，其总表面积越是指微粉粒径越小，其总表面积越大；表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急大；表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大。如当粒径为剧增大。如当粒径为10 nm(总原子数为总原子数为3104)时，表面原子数总原子数时，表面原子数总原子数=0.20；而当粒度减；而当粒度减小到小到l nm(总原子数为总原子数为30)时，这一比值急剧上升时，这一比值急剧上升到到0.991表面原子晶场环境和结合能与内部原子表面原子晶场环境和结合能与内部原子不一样，含有很大活性；晶粒微粒化伴随这种活不一样，含有很大活性；晶粒微粒化伴随这种活性表面原子增多，使其表面能也大大增加。性表面原子增多，使其表面能也大大增加。第11页1.界面效应界面效应2.体体积积效效应应主主要要表表现现在在两两个个方方面面：一一是是物物质质体体积积缩缩小小虽虽不不会会引引发发物物质质物物性性基基本本参参量量改改变变，但但会会使使那那些些与与体体积积相相关关物物性性发发生生改改变变，如如磁磁体体磁磁畴畴变变小小，半半导导体体中中电电子子自自由由旅旅程程变变短短，等等等等；二二是是物物质质普普通通含含有有由由无无限限个个原原子子组组成成物物质质属属性性，而而纳纳米米粒粒子子则则表表现现出出有有限限个个原原子子集合体特征。集合体特征。第12页1.尺寸效应尺寸效应v晶体周期性边界条件遭破坏，颗粒表面层附晶体周期性边界条件遭破坏，颗粒表面层附近原子密度减小，从而造成声、光、电磁、近原子密度减小，从而造成声、光、电磁、热力学等特征展现新小尺寸效应。热力学等特征展现新小尺寸效应。v能够分为特殊光学性质，热学性质，磁学性能够分为特殊光学性质，热学性质，磁学性质，力学性质，电学性质。质，力学性质，电学性质。第13页四大特点四大特点:尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子百分比大。四个方面应用四个方面应用:(1).(1).纳纳米电子学米电子学:拥有崭新拥有崭新功效电子仪器，有高速功效电子仪器，有高速度及低能量消耗优点度及低能量消耗优点;(2).(2).纳米纳米材料科学材料科学(3).(3).纳纳米生物学米生物学:包含去氧核糖核酸包含去氧核糖核酸(DNA)(DNA)和核糖和核糖核酸核酸(RNA)(RNA)基因图谱基因图谱(4).(4).纳纳米医学米医学:创造创造、设计及生产纳米级新药品。、设计及生产纳米级新药品。1.3 1.3 特点及应用特点及应用第14页第15页纳米颗粒应用v1力学性能应用 纳米颗粒含有大比表面积，活性大并含有高扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化速度快、可降低烧结温度并提升力学性能。近年来，用纳米颗粒强化为目标纳米陶瓷材料得到较大进展，为陶瓷材料发展提供了生机，大量以纳米颗粒为原料或添加料超硬、高强、高韧、超塑性材料相继问世第16页2磁学性能应用v纳米微粒尺寸进入一定临界值时就转入超顺磁性状态，比如-Fe、Fe304和-Fe203粒径分别为5nm、16nm、20nm时转变为超顾磁性。另外纳米颗粒材料还可能含有高矫顽力、巨磁电阻、magnetocaloric效应等性能。所以可用于制备磁致冷材料、水磁材料、磁性液体、磁统计器件、磁光元件、磁存放元件及磁探测器等磁元件。第17页3电学性能应用v纳米颗敞在电学性能方面也出现了一些独特征。比如纳米金属颗粒在低温下展现绝线性，纳米钦酸铅、铁酸钡和钦酸钓等颗粒由经典铁电体变成了顺电体。能够利用纳米颗粒来制做导电浆料、绝缘浆科、电极、超导体、量子器件、静电屏蔽材料、压敏和非线形电阻及鹊绾徒榈绮牧系取第18页4光学性能应用v纳米颗粒可表现出与同质大块物体不一样光学特征，比如宽频带强吸收、蓝移现象及新发光现象，从而可用于光反射材料、光通讯、光存放、光开关、光过滤材料、光导体发光材料、光折变材料、光学非线性元件、吸波隐身材料和红外传感器等领域。第19页5敏感性能应用v纳米颗粒表面积巨大，表面活性高，对周围环境(温度、气氛、光、湿度等)敏感，所以可用来制作敏感度高曲超小型、低能耗、多功效传感器。v以氧化锡为基体材料，并掺入适当催化剂或填加剂，可制得对酒精、氢气、硫化氢、一氧化碳和甲烷等气体含有选择性敏感性能气敏元件。氧化锡对气体灵敏度高低与材料比表面积相关，通常比表面积越大，气体灵敏度越高。纳米氧化锡颗粒含有显著优越性能，含有更高气体灵敏度。当前用纳米SnO2颗粒膜制成传感器已经实用化，可用作气体泄漏报警器和湿度传感器，而且能够伴随温度改变有选择地检测各种气体。vTiO2陶瓷材料不但对O2、CO、H2等气体有较强敏感性，而且还可作为环境湿度传感器。第20页纳米生物材料学制备方法v1.物理方法物理方法 (1)真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感 应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。(2)物理粉碎法 经过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒，但产品纯子。(3)机械球磨法 采取球磨方法，控制适当条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料纳米粒子。第21页纳米生物材料学制备方法v2.化学方法化学方法 v1)气相沉积法 利用金属化合物蒸气化学反应合成纳米材料。v(2)沉淀法 把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。v(3)水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。v(4)溶胶凝胶法 金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。v(5)微乳液法 两种互不相溶溶剂在表面活性剂作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。第22页2 纳米材料在生物医学上应用1.纳米载体2.纳米生物器件3.纳米生物组织工程4.纳米医药第23页纳米载体1.纳米药品载体2.纳米基因载体第24页纳米药品载体v1 普通载药纳米微粒 v这种剂型出现背景是基于将一些药品经过药剂学和纳米技术高度结合，使原本因理化性质不稳定而降解破坏或因不良反应较大而影响其使用药品经特殊方法高度分散于药品载体中，制成载药纳米微粒，用液体载体流动形式给药，从而防止了所提到缺点。第25页2 控释载药纳米微粒 v纳米控释系统包含纳米粒子和纳米胶囊，它们是粒子在10一500nm间固体胶态粒子。它与以往控释制剂不一样，载药纳米微粒控释过程含有其特定要求，囊壁溶解和微生物作用，均可使囊心物质向外扩散。将药品制成纳米制剂后，不但到达缓控释效果，而且改变其药品动力学特征，使一些免疫系统慢性病能得到更加好治疗。第26页3 靶向定位载药纳米微粒 v靶向药品能完成从靶器官、靶细胞到最为先进细胞内结构三级靶向治疗，从而到达病灶部位迟缓释放药品，维持长久局部有效药品浓度。这类微粒是依据临床需要，经过选取对机体各种组织或病变部位亲和力不一样载体制作载药微粒或将单克隆抗体与载体结合，以使药品能够输送到治疗期望到达特定部位，因而称之为靶向定位给药。第27页4 载药磁性纳米微粒（物理靶向物理靶向）v 载药磁性微粒是在微囊基础上发展起来新型药品运载系统。这种载有高分子和蛋白磁性纳米粒子作为药品载体静脉注射到动物体(小鼠、白兔)内后，在外加磁场下，经过纳米微粒磁性导航，使药品移向病变部位，到达定向治疗目标。国内有试验研究出阿霉素免疫磁性造微粒，在进行了免疫活性检测和体外抑瘤试验后证实其含有抗体导向功效，并含有较高磁响应性，含有较强靶向定位功效，为靶向治疗肿瘤奠定了坚固基础。第28页纳米基因载体vv5 5 纳米微粒基因治疗作用纳米微粒基因治疗作用v 一些特殊纳米粒子能够进入细胞内结构到达基因治疗目标。v 如：国外有些人利用纳米技术可使DNA经过主动靶向作用定位于细胞。将质子DNA浓缩至50200nm大小且带上负电荷，有利于其对细胞核有效入侵，而最终反粒DNA插入细胞核DNA准确点则取决于纳米粒子大小和结构。还有些人研究了一个树突状物多聚物，因为它有着准确纳米结构和表面与内部都能够携带分子特征使之成为一个很好DNA导入细胞载体。第29页纳米生物器件一、纳米机器人一、纳米机器人)研制研制 纳米机器人是纳米生物学中最具诱感力内容。v动脉粥样硬化治疗 机器人能够从动脉壁上去除粥样沉积物。这不但会提升动脉壁弹性,还会使经过动脉血液流动情况得到改进。第30页在血管中运动纳米机器人，它正在使用纳米切割机和真空吸尘器来去除血管中沉积物第31页纳米机器人在清理血管中有害堆积物-中国科学院合肥研究院 研究中国科学院沈阳自中国科学院沈阳自动化所研制动化所研制研制研制纳米微操作机器人纳米微操作机器人在1010微米基片上刻出字样 第32页肾结石、胆结石治疗肾结石、胆结石治疗 将纳米机器人以插入导管将纳米机器人以插入导管方式引入到尿道或胆道里内方式引入到尿道或胆道里内,直接抵达结石所在部位直接抵达结石所在部位,而且而且直接把结石击碎。直接把结石击碎。第33页2.纳米生物传感器u检验体内疾病 重庆科研人员开发“OMOM胶囊内镜系统”预计三年内能够上市。该医生长得 像一颗胶囊，把它吞进肚里，消化道内情景就能够像放电影一样在电脑屏幕 上一 目了然 第34页纳米生物芯片1.基因芯片2.蛋白质芯片第35页基因芯片v基因芯片(gene chip)原型是80年代中期提出。基因芯片测序原理是杂交测序方法，即经过与一组已知序列核酸探针杂交进行核酸序列测定方法，能够用图11-5-1来说明。在一块基片表面固定了序列已知八核苷酸探针。当溶液中带有荧光标识核酸序列TATGCAATCTAG，与基因芯片上对应位置核酸探针产生互补匹配时，经过确定荧光强度最强探针位置，取得一组序列完全互补探针序列。据此可重组出靶核酸序列。第36页基因芯片测序原理图 第37页生物芯片应用v在实际应用方面，生物芯片技术可广泛应用于疾病诊疗和治疗、药品筛选、农作物优育优选、司法判定、食品卫生监督、环境检测、国防、航天等许多领域。它将为人类认识生命起源、遗传、发育与进化、为人类疾病诊疗、治疗和防治开辟全新路径，为生物大分子全新设计和药品开发中先导化合物快速筛选和药品基因组学研究提供技术支撑平台。第38页蛋白质芯片v蛋白质芯片是一个高通量蛋白功效分析技术，可用于蛋白质表示谱分析，研究蛋白质与蛋白质相互作用，甚至DNA蛋白质、RNA蛋白质相互作用，筛选药品作用蛋白靶点等 第39页未来发展方向v（1）建立快速、廉价、高通量蛋白质表示和纯化方法，高通量制备抗体并定义每种抗体亲和特异性；第一代蛋白检测芯片将主要依赖于抗体和其它大分子，显然，用这些材料制备复杂芯片，尤其是规模生产会存在很多实际问题，理想处理方法是采取化学合成方法大规模制备抗体。v(2)改进基质材料表面处理技术以降低蛋白质非特异性结合。v(3)提升芯片制作点阵速度；提供适当温度和湿度以保持芯片表面蛋白质稳定性及生物活性。v(4)研究通用高灵敏度、高分辨率检测方法，实现成像与数据分析一体化。第40页纳米中药v纳米中药是指利用纳米技术制造粒径小于100nm中药有效成份、有效部位。当物质颗粒小到1100nm时，因为其量子效应、物质局域性、巨大表面及界面效应，会使物质很多性能发生质变，展现出许多既不一样于宏观物体，也不一样于单个孤立原子奇异现象。药品物理活性、靶向性比普通中药大大提升。第41页v特点：特点：v原药及其复方制剂。在初步筛选试验中，对一些矿物药进行纳米化处理，再进行药效学验研究，结果表明，药品经纳米化处理后出现了一些新药效学特征。所以，纳米中药与微米中药相比，最大特点是能改变中药药学特征，这对于采取高新技术提升传统中药质量和水平以及研制开发含有新药效中药制剂含有主要意义。第42页纳米中药面临问题v不过，到当前为止，纳米中药从理论走向实际，还有许多问题需要深入处理。首先，要考虑中药纳米化必要性及其适用范围。v其次，要考虑纳米中药制备可行性问题。当前，纳米中药概念虽广为流传，但关于其制备方法却极少有报道。对矿物类中药进行纳米化处理技术上不存在大问题，常规制备纳米材料物理、化学方法都能够采取，但对于中药中大量使用植物类或动物类中药材来说可能就有困难了。第43页纳米组织工程材料纳米陶瓷材料、纳米复合材料、纳米碳材料、纳米抗菌材料及创伤敷料、纳米生物活性材料等。制备纳米晶羟基磷灰石或胶原复合生物硬组织修复材料，复合材料含有纳米级别天然骨分级结构和天然骨多孔结构第44页第45页