第一篇：納米報告材料

納米材料在生物、醫(yī)藥、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

[摘要] 納米技術(shù)是一門新興的學(xué)科領(lǐng)域，是20世紀(jì)80年代末、90年代初才逐步發(fā)展起來的。21世紀(jì)初，隨著美國實施全國納米科技計劃，帶動了全世界對該學(xué)科的研究開發(fā)。納米科技屬于前沿、交叉性的科技領(lǐng)域，近幾年，科技界更加注意納米技術(shù)與其他技術(shù)的結(jié)合，譬如：生物技術(shù)、信息科學(xué)、認知科學(xué)等方面的結(jié)合。納米在生物、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用更是使得現(xiàn)代醫(yī)學(xué)有了較大的發(fā)展空間，使人們在對生命探索、治療疾病、衛(wèi)生保健等方面有了進一步的發(fā)展。納米生物技術(shù)的研究范圍主要涉及納米生物材料、藥物和基因運轉(zhuǎn)納米載體、納米生物相容性人工器官、納米生物傳感器和成像技術(shù)，以及利用掃描探針顯微鏡分析蛋白質(zhì)和DNA的結(jié)構(gòu)與功能等重要領(lǐng)域。[關(guān)鍵詞] 納米材料、生物醫(yī)藥、發(fā)展應(yīng)用 [內(nèi)容]

一、納米生物材料

自古以來，人類文化的進步都是以材料的的發(fā)展為其標(biāo)志，并在歷史上以此來劃分人類的時代，由石器走向鐵器，發(fā)展到青銅器、鋼、硅等材料，納米技術(shù)的出現(xiàn)，又使得這些材料向深一步的領(lǐng)域拓展，加深了材料在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。納米材料對生物醫(yī)學(xué)的影響具有深遠的意義，納米醫(yī)學(xué)的發(fā)展進程如何，在很大程度上取決于納米材料科學(xué)的發(fā)展。

納米生物材料是指用于對生物材料進行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增進其功能的新型高技術(shù)納米材料。納米生物材料可以分為兩類：一種是適合于生物體內(nèi)應(yīng)用的納米材料，它本身既可以是具有生物活性的，也可以是不具有生物活性的，而僅僅易于被生物體所接受，且不引起不良反應(yīng)；另一類是利用生物分子的特性而發(fā)展的新型納米材料，它們可能不再被用于生物體，而被用于其他納米技術(shù)或微制造。納米材料分為兩個層次：納米微粒和納米固體。如今，人們已經(jīng)能夠直接利用原子、分子進行生產(chǎn)、制備出僅包含幾十個到幾百萬個原子的單個粒徑為1~100納米的納米微粒，并把它們作為基本構(gòu)成單元，適當(dāng)排列成三維的納米固體。納米材料由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，表現(xiàn)出許多不同于傳統(tǒng)材料的物理、化學(xué)性能。在自然界，天然納米生物材料早就存在，自然界的蛋白質(zhì)就有許多納米微孔；人類及獸類的牙齒也是由納米級有機物質(zhì)所構(gòu)成。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，納米材料也已經(jīng)得到成功的應(yīng)用，最引人注目的是作為藥物載體，或制作人體生物醫(yī)學(xué)材料，如人工腎臟、人工關(guān)節(jié)等。國外用納米陶瓷微粒作載體的病毒誘導(dǎo)物也取得成功。由于納米微粒比紅細胞還要小很多，因此，可以在血液中自由運行，從而在疾病的診斷和治療中發(fā)揮獨特的作用。

在納米生物材料研究中，目前研究的熱點和已有較好基礎(chǔ)及做出實質(zhì)性成果的是藥物納米載體和納米顆?；蜣D(zhuǎn)移技術(shù)。這種技術(shù)是以納米顆粒作為藥物和基因轉(zhuǎn)移載體，將藥物、DNA和RNA等基因治療分子包裹在納米顆粒之中或吸附在其表面，同時也在顆粒表面耦聯(lián)特異性的靶向分子，如特異性配體、單克隆抗體等，通過靶向分子與細胞表面特異性受體結(jié)合，在細胞攝取作用下進入細胞內(nèi)，實現(xiàn)安全有效的靶向性藥物和基因治療。

納米材料可以有許多種分類方法，綜合這些分類方法，按照納米生物材料的材料性質(zhì)，納米生物材料可以分為無機納米生物材料、有機納米生物材料、納米復(fù)合材料。

納米生物材料對人類有著重要作用，納米材料有許多不同于塊體材料的性質(zhì)，這些性質(zhì)使得納米生物材料有著獨特的作用，因此，世界許多國家都展開對納米生物材料的研究。納米生物技術(shù)是目前國際生物技術(shù)領(lǐng)域的最前沿的研發(fā)熱點，美國、日本、德國等發(fā)達國家已將納米生物技術(shù)列入其國家重點發(fā)展領(lǐng)域，斥巨資投入該項研究。納米生物技術(shù)的迅速發(fā)展，為其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了機遇。

二、納米材料在醫(yī)藥、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

目前納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和預(yù)防醫(yī)學(xué)方面，納米材料作用的發(fā)揮都已不容忽視。納米材料在生物醫(yī)學(xué)中檢測、診斷。藥物治療以及健康預(yù)防等方面都取得了很好的發(fā)展。2.1納米材料在醫(yī)學(xué)檢驗診斷技術(shù)方面的應(yīng)用

生物醫(yī)學(xué)起源于診斷，沒有很好的診斷手段就沒有很好的治療和預(yù)防，目前隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，診斷手段越來越高明、先進，得到了前所未有的發(fā)展。納米材料在檢驗診斷中主要應(yīng)用于三個方面：⑴利用納米材料跟蹤生物體內(nèi)活動，對生物體內(nèi)元素的積累和排除作出判斷。⑵利用納米顆粒極高的傳感靈敏效應(yīng)對疾病進行早期診斷。⑶利用納米材料的特性去化驗檢測試樣從而輔助治療。

在具體應(yīng)用方面的典型有量子點的熒光效應(yīng)、磁性納米材料的磁效應(yīng)、納米材料的吸附作用等等。

2.2納米材料在藥物治療方面的應(yīng)用

納米生物材料，具有生物兼容性、可生物降解、藥物緩釋和藥物靶向傳遞等良好特性已在藥物治療方面取得了很大成功。

藥物納米載體具有高度靶向、藥物控制釋放、提高難溶藥物的溶解率和吸收率優(yōu)點，提高藥物療效和降低毒副作用。納米顆粒作為基因載體具有一些顯著的優(yōu)點：納米顆粒能包裹、濃縮、保護核苷酸，使其免遭核酸酶的降解；比表面積大，具有生物親和性，易于在其表面耦聯(lián)特異性的靶向分子，實現(xiàn)基因治療的特異性；在循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)時間較普通顆粒明顯延長，在一定時間內(nèi)不會象普通顆粒那樣迅速地被吞噬細胞清除；讓核苷酸緩慢釋放，有效地延長作用時間，并維持有效的產(chǎn)物濃度，提高轉(zhuǎn)染效率和轉(zhuǎn)染產(chǎn)物的生物利用度；代謝產(chǎn)物少，副作用小，無免疫排斥反應(yīng)等。

⑴納米粒子用作藥物載體

磁性納米顆粒作為藥物載體，在外磁場的引導(dǎo)下集中于病患部位，進行定位病變治療，利于提高藥效，減少副作用。如采用金納米顆粒制成金溶液，接上抗原或抗體，就能進行免疫學(xué)的間接凝聚實驗，用于快速診斷。生物降解性高分子納米材料作為藥物載體還可以植入到人體的某些特定組織部位，這種給藥方式避免了藥物直接被消化系統(tǒng)和肝臟分解而代謝掉，并防止藥物對全身的作用。如美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片為基礎(chǔ)，能長時間配選精確劑量藥物的藥物投送系統(tǒng)，并已被批準(zhǔn)用于人體。近年來生物可降解性高分子納米粒子（NPs）在基因治療中的DNA載體以及半衰期較短的大分子藥物如蛋白質(zhì)、多肽、基因等活性物質(zhì)的口服釋放載體方面具有廣闊的應(yīng)用前景。藥物納米載體技術(shù)將給惡性腫瘤、糖尿病和老年癡呆癥的治療帶來變革。

⑵納米抗菌藥及創(chuàng)傷敷料 Ag+可使細胞膜上蛋白失去活性從而殺死細菌，添加納米銀粒子制成的醫(yī)用敷料對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠濃桿菌等臨床常見的40余種外科感染細菌有較好抑制作用。

⑶智能—靶向藥物

在超臨界高壓下細胞會“變軟”，而納米生化材料微小易滲透，使醫(yī)藥家能改變細胞基因，因而納米生化材料最有前景的應(yīng)用是基因藥物的開發(fā)。德國柏林醫(yī)療中心將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入腫瘤部位，使癌細胞部位完全被磁場封閉，通電加熱時溫度達到40－45℃時，慢慢殺死癌細胞。這種方法已在老鼠身上進行的實驗中獲得了初步成功。美國密歇根大學(xué)正在研制一種僅20 nm的微型智能炸彈，能夠通過識別癌細胞化學(xué)特征攻擊癌細胞，甚至可鉆入單個細胞內(nèi)將它炸毀。

三、納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景 3.1用納米材料進行細胞分離

利用納米復(fù)合體性能穩(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應(yīng)的特性進行細胞分離在醫(yī)療臨床診斷上有廣闊的應(yīng)用前景。20世紀(jì)80年代后，人們便將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，使所需要的細胞很快分離出來。目前，生物芯片材料已成功運用于單細胞分離、基因突變分析、基因擴增與免疫分析（如在癌癥等臨床診斷中作為細胞內(nèi)部信號的傳感器）。倫敦的兒科醫(yī)院、挪威工科大學(xué)和美國噴氣推進研究所利用納米磁性粒子成功地進行了人體骨骼液中癌細胞的分離來治療病患者。美國科學(xué)家正在研究用這種技術(shù)在腫瘤早期的血液中檢查癌細胞，實現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。3.2納米機器人

在最近的十年中,隨著納米材料在癌癥治療、細胞顯影和疾病檢測方面的應(yīng)用,由此誕生了一個新的領(lǐng)域——生物納米技術(shù)。生物納米技術(shù)是指在納米尺度上認識生物分子的精細結(jié)構(gòu)和功能之間的聯(lián)系,并在此基礎(chǔ)上按研究者的意愿組合、裝配,創(chuàng)造出滿足人們意愿并行使特定功能的生物納米機器。

2010年5月19日，來自南京大學(xué)和美國紐約大學(xué)的兩個小組，Gu等人演示了一個微型組裝線，它能通過將三種不同類型的金納米顆粒結(jié)合起來制造8種可能的復(fù)合物——分子納米機器人。一個“DNA折紙”磚是這個生產(chǎn)線的框架和軌道，一個有三只手、四只腳的“DNA行走者”沿這個軌道行走，生成最終產(chǎn)品，其方式是：在它通過三種不同的載貨DNA機器時將所收集的金納米顆粒連接起來。Lund等人演示的納米機器人是蜘蛛形狀的DNA“行走者”，它們能在一個二維“DNA折紙”景觀中感應(yīng)和改動基質(zhì)分子軌道，這個景觀通過編程來讓“行走者”執(zhí)行諸如“開始”、“跟隨”、“轉(zhuǎn)彎”和“停止”等動作。

不久的將來，人類定會做出更精密、更復(fù)雜的機器人，可以為人類作更多的事，諸如，可以進入人體內(nèi)為人類修復(fù)病臟，檢查器官，清除體內(nèi)垃圾等。為人類做出更多的貢獻。

國際上納米生物技術(shù)的研究范圍涉及納米生物材料、藥物和轉(zhuǎn)基因納米載體、納米生物相容性人工器官、納米生物傳感器和成像技術(shù)、利用掃描探針顯微鏡分析蛋白質(zhì)和DNA的結(jié)構(gòu)與功能等重要領(lǐng)域，以疾病的早期診斷和提高療效為目標(biāo)。在納米生物材料，尤其是在藥物納米載體方面的研究已取得一些積極的進展，在惡性腫瘤診療納米生物技術(shù)方面也取得了實驗階段的進展，其它方面的研究尚處于探索階段。[總結(jié)]

納米生物材料作為一種新型材料，其在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用將帶來巨大的變革，使未來的疾病治愈率大大提高。人類的發(fā)展也會進入一個新的高度！

[參考文獻]

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第二篇：關(guān)于納米機器人的報告

關(guān)于納米機器人的報告

納米機器人的研究屬于分子仿生學(xué)的范疇，它根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計原型，設(shè)計制造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。納米生物學(xué)的近期設(shè)想，是在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，研制可編程的分子機器人，也稱納米機器人。合成生物學(xué)對細胞信號傳導(dǎo)與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)計，開發(fā)“在體”（in vivo）或“濕”的生物計算機或細胞機器人，從而產(chǎn)生了另種方式的納米機器人技術(shù)。

納米生物學(xué)的設(shè)想，是在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，研制可編程的分子機器人，也稱納米機器人。涉及的內(nèi)容可歸納為以下三個方面：

1.在納米尺度上了解生物大分子的精細結(jié)構(gòu)及其與功能的聯(lián)系； 2.在納米尺度上獲得生命信息，例如，利用掃描隧道顯微鏡獲取細胞膜和細胞表面的結(jié)構(gòu)信息等； 3.納米機器人的研制。

納米機器人是納米生物學(xué)中最具有誘惑力的內(nèi)容。

第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結(jié)合體，這種納米機器人可注入人體血管內(nèi)，進行健康檢查和疾病治療。還可以用來進行人體器官的修復(fù)工作、作整容手術(shù)、從基因中除去有害的DNA，或把正常的ＤＮＡ安裝在基因中，使機體正常運行。

第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置。

在納米生物學(xué)原子力顯微鏡(Atomic force microscopy, AFM)和光鑷(optical tweezers)應(yīng)用最為廣泛。

原子力顯微鏡(Atomic force microscopy)是20 世紀(jì)80 年代問世的掃描探針顯微鏡的(scanning probe microscope, SPM)的一種。它的放大倍數(shù)遠遠超過了常規(guī)的光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡鏡, 其極限達到了10 億倍, 可以直接觀察物質(zhì)的分子和原子。另外,AFM 的樣品制備非常容易, 還可以在模擬生物學(xué)環(huán)境中使用, 這些優(yōu)勢使它廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)大分子的拓撲學(xué)分析、多蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)解析等方面的研究。在對AFM 的針尖進行一些特殊的處理之后, 它可以粘附生物大分子, 從而使我們可以利用微懸臂的形變來對其進行一系列的力學(xué)性質(zhì)的測量。

光鑷(optical tweezers)技術(shù)也是上個世紀(jì)80 年代興起的一種微觀動力學(xué)測量技術(shù)。它利用激光束形成的三維勢阱控制微觀物體的位置和移動, 可以探測納米級的位移以及皮牛級的相互作用力, 廣泛應(yīng)用于馬達蛋白運動以及RNA 聚合酶工作原理等研究方向。與AFM相比, 光鑷系統(tǒng)對分子相互作用力的測量精細度更高, 但會受限于激光器功率;原子力顯微鏡則不會遇到這方面的問題, 并且憑借其操作簡單方便的優(yōu)勢,可有效的彌補光鑷系統(tǒng)的缺陷。

原子力顯微鏡與光鑷技術(shù)的有機結(jié)合, 可以在分子及原子水平剖析重要的生物大分子的結(jié)構(gòu)功能相關(guān)性, 這將為詳盡描繪生物大分子的功能奠定基礎(chǔ), 同時還將極大地推動現(xiàn)有的分子細胞生物學(xué)研究的進展。隨著納米技術(shù)與生命科學(xué)結(jié)合程度的深入, 越來越多的納米技術(shù)將被應(yīng)用于生命科學(xué)研究領(lǐng)域,為生命科學(xué)的研究手段帶來了革命性的變化。除去現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的原子力顯微鏡和光鑷技術(shù)外, 量子點、相干反斯托克斯拉曼顯微 等高新技術(shù)亦正在蓬勃發(fā)展, 可以預(yù)見, 在不久的將來, 伴隨著更多更先進的納米生物學(xué)技術(shù)在生命科學(xué)中的有效應(yīng)用, 越來越多的生命科學(xué)難題將在分子及原子水平得到詮釋。

納米機器人的動力——分子馬達

分子馬達（molecular motor），是美國康奈爾大學(xué)研究人員在活細胞內(nèi)的能源機制啟發(fā)下，制造出的一種馬達。這種微型馬達以三磷酸腺苷酶為基礎(chǔ)，依靠為細胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)提供能量的高能分子三磷酸腺苷（ATP）為能源。

美國科學(xué)家正在進行一項新研究，讓納米儀器利用為精子長距離游動提供能量的生物能為動力，用來釋放藥物，或者在人體內(nèi)執(zhí)行機械功能。

首先，這些研究人員針對精子的特殊部位，用一個可以粘貼在特殊的金表面的標(biāo)簽取代了己糖激酶(糖酵解的第一個酶)。這種酶即使在受到限制的時候，仍然能產(chǎn)生作用。接著，他們在糖酵解途經(jīng)的第二個酶——葡萄糖-6-磷酸異構(gòu)酶上作了標(biāo)記。這種酶在受到限制后，還仍然具有活性。粘附在相同支撐物上的這些酶會依次產(chǎn)生作用，第一個反應(yīng)的產(chǎn)物將會成為第二個反應(yīng)的基礎(chǔ)。

穆凱和特拉維斯表示，這只是在無機支撐物上復(fù)制整個糖酵解途徑的最初幾步，他們指出，他們的研究從原理上為精子中的糖酵解途徑的組織如何在納米設(shè)備上產(chǎn)生三磷酸腺甙提供了一個天然的工程學(xué)解決方案。參考文獻

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第三篇：納米論文

聚合物基-納米二氧化硅復(fù)合材料的應(yīng)用研究進展

班級12材料2班學(xué)號1232230042姓名王曉婷

摘要本文介紹了近年來國內(nèi)外納米SiO2聚合物復(fù)合材料的制備方法，討論了制備方法的特點，闡述了聚合物納米SiO2復(fù)合材料的研究進展, 并展望了聚合物納米SiO2 的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞納米SiO2復(fù)合材料;聚合物;制備;應(yīng)用 前言

納米SiO2是目前應(yīng)用最廣泛的納米材料之一,它特有的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和體積效應(yīng)等,使其與有機聚合物復(fù)合而成的納米二氧化硅復(fù)合材料, 既能發(fā)揮納米SiO2自身的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)以及粒子的協(xié)同效應(yīng), 又兼有有機材料本身的優(yōu)點, 使復(fù)合材料具有良好的機械、光、電和磁等功能特性, 引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[

1，2]

。本文就納米Si02一聚合物復(fù)合材料的制備方法、制備方法的特點和應(yīng)用進行一次全面的綜述。

2聚合物/ 納米Si O2 復(fù)合材料的制備

2．1 共混法

共混法是制備聚合物／無機納米復(fù)合材料最直接的方法，適用于各種形態(tài)的納米粒子，但是由于納米粒子存在很大的界面自由能，粒子極易自發(fā)團聚。要將無機納米粒子直接分散于有機基質(zhì)中制備聚合物納米復(fù)合材料，必須通過化學(xué)預(yù)分散和物理機械分散打開納米粒子團聚體，消除界面能差，才能實現(xiàn)均勻分散并與基體保持良好的親和性。具體途徑如下。

2．1．1 高分子溶液(或乳液)共混

首先將聚合物基體溶解于適當(dāng)?shù)娜軇┲兄瞥扇芤?或乳液)，然后加入無機納米粒子，利用超聲波分散或其他方法將納米粒子均勻分散在溶液(或乳液)中。

姜云鵬等利用PVA與納米Si02表面的羥基形成的氫鍵實現(xiàn)了納米si02對PVA的改性；張志華等用溶膠一凝膠反應(yīng)制備納米Si02顆粒，然后通過超聲分散機將顆粒分散到聚氨酯樹脂中制備出了聚氨酯／Si02納米復(fù)合材料；以上各種方法都使不同材料的各方面性能得到了改善。

2．1．2熔融共混

將納米無機粒子與聚合物基體在密煉機、雙螺桿等混煉機上熔融共混。

郭衛(wèi)紅等[5]在密煉機上將PMMA和納米Si02粒子熔融共混后，用雙螺桿造粒制得納米復(fù)[4][3]合材料。石璞[6]通過熔融共混法將納米si02粒子均勻地分散于PP基體中制得復(fù)合材料，由于復(fù)合偶聯(lián)劑的一端易與離子表面上大量的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成穩(wěn)定的氫鍵，另一端與聚丙烯相容性較好，使納米粒子基本沒有團聚，實現(xiàn)了增強、增韌的目的。張彥奇等[7]將納米Si02經(jīng)超聲分散并經(jīng)偶聯(lián)劑處理后與LLDPE等組分預(yù)混、擠出、造粒，制備了線性低密度聚乙烯(LU)PE)／納米Si02復(fù)合材料，所得薄膜霧度顯著提高。

2.2在位分散聚合法

首先采用超聲波分散、機械共混等方法在單體溶液中分散納米粒子，或采用偶聯(lián)劑對納米粒子表面進行處理，然后單體在納米粒子表面進行聚合，形成納米粒子良好分散的納米復(fù)合材料(in situ polymerization)。通過這種方法，無機粒子能夠比較均一地分散于聚合物基體中。

歐玉春等[8]利用帶有羥基的丙烯酸酯表面處理劑對Si02進行表面處理，應(yīng)用本體法聚合制備si02／PMMA納米復(fù)合材料，結(jié)果顯示納米Si02的加入可以提高聚甲基丙烯酸甲酯材料的機械性能、玻璃化溫度及材料的耐水性。Jose-Luiz Luna—Xavier等[9]采用原位聚合法以陽離子偶氮化合物AIBA為引發(fā)劑，液相納米Si02為核，聚甲基丙烯酸甲酯為殼合成了納米Si02一聚甲基丙烯酸甲酯乳液聚合物。由于陽離子偶氮化合物AIBA為引發(fā)劑的使用增強了與納米si02的相互作用，使效率大大提高。

2.3溶膠-凝膠法

溶膠一凝膠法(Sol-gel)是制備聚合物／無機納米復(fù)合材料的一種重要方法。通過烷氧基金屬有機化合物的水解、縮合，將細微的金屬氧化物顆粒復(fù)合到有機聚合物中并得到良好分散，從而在溫和條件下制備出具有特殊性能的聚合物／無機納米復(fù)合材料。

2.4硅酸鈉溶膠一凝膠法

溶膠一凝膠法在制備聚合物／納米si02復(fù)合材料時顯示出很多優(yōu)勢。但是，所用的無機組分的前驅(qū)物正硅酸烷基酯價格昂貴、有毒，因此為了降低制備成本，改善生產(chǎn)條件和減少環(huán)境污染，張啟衛(wèi)等[10]用硅酸鈉為無機si02組分的前驅(qū)物，與PVAC或PMMA的THF溶膠混合，經(jīng)溶膠一凝膠過程制備出聚合物／Si02雜化材料。結(jié)果表明，si02含量在一定范圍時，由于發(fā)生了納米級微區(qū)效應(yīng)，有機一無機兩相間相容性好，不產(chǎn)生相分離，材料透光率提高，熱穩(wěn)定性增強。

3聚合物/ 納米Si O2 復(fù)合材料的研究進展

3.1 納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

Mascia等通過紅外光譜和定性黏度分析得知,納米SiO2 和環(huán)氧樹脂隨著環(huán)氧樹脂的分子量增加、加入偶聯(lián)劑、增加溶劑的極性以及提高反應(yīng)溫度都會使二者的相容性提高[11]。寧榮昌等用分散混合法研究了納米SiO2有無表面處理及其含量對復(fù)合材料性能的影響, 采用透射電鏡和正電子湮沒技術(shù)(PALS)對納米SiO2 的分布和自由體積的尺寸及濃度進行了表征[12]。結(jié)果表明, SiO2表面處理后, 復(fù)合材料性能得到提高, 使環(huán)氧樹脂增強和增韌;且納米SiO2含量為3 % 時,自由體積濃度最小, 納米復(fù)合材料的性能最佳。劉競超等通過原位分散聚合法制得了納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料[13]。結(jié)果表明, 對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響較大的是偶聯(lián)劑, 在最優(yōu)工藝條件下制得的復(fù)合材料沖擊強度、拉伸強度比基體分別提高了124% 和30%;復(fù)合材料的Tg和耐熱性也有所提高。

3.2 納米SiO2/丙烯酸酯類復(fù)合材料

歐玉春等用原位聚合方法制備了分散相粒徑介于130 nm 左右的PMMA/SiO2(聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅)復(fù)合材料[14]。結(jié)果表明, 經(jīng)表面處理的SiO2在復(fù)合材料基體中分散均勻, 界面粘結(jié)好;SiO2粒子的填充使基體的Tg和損耗峰上升, 隨著SiO2含量的增加, 對應(yīng)試樣的Tg和損耗峰值增大;隨著SiO2含量的增加, 基體的拉伸強度、彈性模量表現(xiàn)為先下降后升高, 而基體的斷裂伸長率表現(xiàn)為先升高后下降。武利民等通過原位聚合、高速剪切法分散共混和球磨法分散共混等3 種方法制備丙烯酸酯/納米SiO2復(fù)合乳液, 以相同的方法制備丙烯酸酯/微米SiO2復(fù)合乳液[15]。結(jié)果表明, 共混法制得的納米復(fù)合物的拉伸強度、斷裂伸長率和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨納米SiO2含量的增加先上升然后逐漸下降。涂層對紫外光的吸收和透過隨納米SiO2 含量的增加分別呈上升和下降趨勢, 而微米SiO2復(fù)合丙烯酸酯乳液, 其涂層對紫外光的吸收和透過基本不受微米SiO2 的影響。

3.3 納米SiO2/硅橡膠復(fù)合材料

王世敏等對納米SiO2/二甲基硅氧烷復(fù)合材料的光學(xué)、力學(xué)性能進行了研究[16]。結(jié)果表明, 復(fù)合材料對波長λ＞390 nm 的可見光基本能透過, 透過率達80%, 硬度隨納米SiO2的增加呈上升趨勢。Mackenzie 等制備的納米SiO2/硅氧烷復(fù)合材料在非氧化氣氛中加熱到1 000 ℃以上, 分子發(fā)生重排, 形成塊狀微孔體;繼續(xù)加熱到1 400 ℃時,有機碳仍不分解, 且熱膨脹系數(shù)很小[17]。由于聚硅氧烷的高柔順性, 在溶膠－凝膠過程中不會因干燥而破裂, 該材料可以作為涂層改善基體(如聚合物、金屬)表面的物理化學(xué)性質(zhì)。潘偉等研究SiO2納米粉對硅橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)電機理、壓阻及阻溫效應(yīng)的影響[18]。結(jié)果表明,隨著SiO2納米粉的增加, 壓阻效應(yīng)越來越顯著,在一定壓力范圍內(nèi), 材料電阻隨壓力呈線性增加;同時, SiO2納米粉的加入使復(fù)合材料的電阻隨溫度增加而增加。

3.4 納米SiO2/聚碳酸酯材料

聚碳酸酯具有較好的透明性, 較高的硬度, 以及較強的蠕變性。為了進一步提高其應(yīng)用價值, 王金平等以聚碳酸酯為基體, 采用溶膠－凝膠法技術(shù)在聚碳酸酯表面覆蓋一層納米SiO2無機涂層, 涂層與聚碳酸酯較好的結(jié)合, 使材料的耐磨性得到明顯提高[19]。

3.5 納米SiO2/聚酰亞胺復(fù)合材料 聚酰亞胺(PI)是一種廣泛應(yīng)用于航空、航天及微電子領(lǐng)域的功能材料, 它的優(yōu)點是介電性良好,力學(xué)性能優(yōu)良, 但其吸水性強和熱膨脹性高的缺點限制了他的應(yīng)用。而采用納米SiO2改性后的PI 在這方面得到了很大改善。楊勇等的研究表明, 采用納米SiO2改性后的PI 其熱穩(wěn)定性得到加強, 熱膨脹系數(shù)得到降低[20]。曹峰等研究PI/SiO2復(fù)合材料的力學(xué)性能時發(fā)現(xiàn), 隨著SiO2含量的增加, 其楊氏模量、拉伸強度、斷裂強度增加, 加入適量的插層劑, 有利于增加有機分子與無機物分子之間的相容性, 從而可制備強度和韌性更加優(yōu)異的復(fù)合材料[21]。

3.6 納米SiO2/聚烯烴類復(fù)合材料

張彥奇等采用熔融共混法制備了線性低密度聚乙烯(LLDPE)/納米SiO2復(fù)合材料[22]。結(jié)果表明, 納米SiO2使LLDPE 的拉伸彈性模量、沖擊強度、拉伸強度提高, 且均在納米SiO2用量為3 份左右時達到最大值;加入少量的納米SiO2后, LLDPE 薄膜對長波紅外線(7～11 μm)的吸收能力較純LLDPE 膜有顯著提高, 透光率略有下降, 但霧度提高。曲寧等利用納米SiO2、馬來酸酐接枝PE(PE-g-MAH)和PP 通過熔融共混制備了PP/納米SiO2復(fù)合材料[23]。結(jié)果表明, 經(jīng)表面處理、用量為4 %的納米SiO2 與4 % 的PE-g-MAH 發(fā)生協(xié)同作用, 可以使PP/納米SiO2復(fù)合材料的沖擊強度提高40 %,拉伸強度提高10%, 耐熱溫度提高22℃。

3.7 納米SiO2/尼龍復(fù)合材料

E.Reynaud 等研究了不同粒徑和含量的納米SiO2 與尼龍6 通過原位聚合得到的納米復(fù)合材料的特性[24]。形貌分析出粒子的存在不影響復(fù)合材料的結(jié)晶相;粒子的加入明顯增強了基體的彈性模量,且復(fù)合材料的性能受粒子尺寸和分散狀況的影響。

3.8 納米SiO2/聚醚酮類樹脂復(fù)合材料

邵鑫等研究了納米SiO2對聚醚砜酮(PPESUK)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響[25]。結(jié)果表明, 納米SiO2不但可以提高PPESUK 的耐磨性, 而且還有較好的減摩作用, 其最佳用量為25%。靳奇峰等采用懸浮液共混法制備了納米SiO2填充新型雜萘聯(lián)苯聚醚酮(PPEK)復(fù)合材料[26]。當(dāng)納米SiO2用量為1 % 時, 復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳。納米SiO2的加入使得復(fù)合材料的摩擦性能比純PPEK 有了明顯提高, 當(dāng)納米SiO2用量為7 % 時,材料的摩擦磨損性能最好, 并且在大載荷下納米SiO2 更能有效改善復(fù)合材料的摩擦磨損性能。

3.9納米SiO2/聚苯硫醚(PPS)復(fù)合材料

張文栓等首先將納米SiO2粒子與硅烷偶聯(lián)劑KH-550 的乙醇溶液混合, 在40 ℃以下用超聲波振蕩60 min 后脫去溶劑, 烘干后與PPS 在高速攪拌機中混合均勻, 然后用雙螺桿擠出機造粒制得PPS/納米SiO2復(fù)合材料[27]。納米SiO2粒子呈顆粒狀均勻分布在PPS 基體中, 尺寸在10～40 nm 范圍內(nèi)。當(dāng)納米SiO2用量為3 % 時, PPS/納米SiO2 復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳, 拉伸強度、彎曲彈性模量和缺口沖擊強度分別提高13.4%、7.4% 和27.3%。張而耕等用轉(zhuǎn)化劑、分散劑和穩(wěn)定劑制備了PPS/納米SiO2水基涂料[28]。PPS/納米SiO2復(fù)合涂層的耐沖蝕磨損性比普通涂層提高了約50 倍, 能夠用于零部件的防沖蝕磨損。

3.10納米SiO2/PMMA 復(fù)合材料

張啟衛(wèi)等利用溶膠-凝膠法制備了PMMA/納米SiO2復(fù)合材料[29]。發(fā)現(xiàn)PMMA 與納米SiO2兩相間的相容性好, 材料透光率可達80 %, 并且熱穩(wěn)定性和Tg都比純PMMA 有較大的提高。郭衛(wèi)紅等將經(jīng)過表面處理的納米SiO2分散于PMMA 單體中形成膠體, 原位聚合制備了PMMA/納米SiO2復(fù)合材料[30]。結(jié)果表明, 復(fù)合材料的耐紫外線輻射能力提高1 倍以上, 沖擊強度提高80 %。同時由于納米粒子尺寸小于可見光波長, 復(fù)合材料具有高的光澤度和良好的透明度。

4總結(jié)與展望

聚合物/納米SiO2復(fù)合材料具有優(yōu)良的綜合性能, 展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。盡管近年來對其研究較多, 并取得了較大進展, 但是對它的研究還不夠深入, 還有許多問題亟待研究和解決, 如納米SiO2在聚合物基體中的均勻分散問題, 納米復(fù)合材料的相界面結(jié)構(gòu), 納米SiO2 對聚合物性能影響的機理等。相信隨著制備技術(shù)的進一步完善及對材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的進一步了解, 人們將能按照需要來設(shè)計和生產(chǎn)高性能和多功能的聚合物/納米SiO2復(fù)合材料。納米Si02可以改性多種高分子材料，通常對聚合物的機械性能如拉伸強度、彈性模量、斷裂伸長率，以及熱穩(wěn)定性、動態(tài)力學(xué)行為、光學(xué)行為等都有較大影響。因此人們都在力求解決很多問題，諸如納米Si02在聚合物基體中的均勻分散；納米Si02復(fù)合材料中有機相和無機相的相界面結(jié)構(gòu)；Si02粒徑大小、幾何形狀等形態(tài)參數(shù)及添加量對復(fù)合材料性能的影響；納米Si02對聚合物基體材料性能影響的機理等。隨著研究的不斷深入，納米Si02一聚合物體系將在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮出它的重要作用。

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第四篇：納米論文

納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

[摘要]納米醫(yī)學(xué)是納米技術(shù)與醫(yī)藥技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,納米醫(yī)學(xué)研究在疾病診斷和治療方面顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。近幾年,納米技術(shù)突飛猛進,作為納米技術(shù)的重要領(lǐng)域的納米生物工程也取得了輝煌的成就。本文從納米醫(yī)學(xué)、納米生物技術(shù)和納米生物材料三個方面,講述了納米生物工程的重大進展。本文就納米診斷技術(shù)、組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)中的納米材料、納米藥物載體、納米藥物等方面的研究現(xiàn)狀與進展進行綜述,并探討納米醫(yī)學(xué)的發(fā)展前景。

[引言] 納米技術(shù)的基本概念是用單個原子、分子制造和操作物質(zhì)的技術(shù),是現(xiàn)代高科技前沿技術(shù).納米技術(shù)應(yīng)用前景廣闊,幾乎涉及現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)的所有領(lǐng)域,世界各國都把納米技術(shù)列為重點發(fā)展項目,投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地.[關(guān)鍵詞]納米醫(yī)學(xué);納米生物材料;診斷;治療

1、跨世紀(jì)的新學(xué)科——納米科技

所謂/納米科技,就是在0.1~100納米的尺度上,研究和利用原子和分子的結(jié)構(gòu)、特征及相互作用的高新科學(xué)技術(shù),它是現(xiàn)代科學(xué)和先進工程技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。1990年7月,第一屆國際納米科技會議的召開,標(biāo)志著納米科技的正式誕生。時至今日,納米科技涉及到幾乎現(xiàn)有的所有科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。它的誕生,使人類改造自然的能力直接延伸到分子和原子。它的最終目標(biāo),是人類按照自己的意志操縱單個原子,在納米尺度上制造具有特定功能的產(chǎn)品,實現(xiàn)生產(chǎn)方式的飛 躍。目前,納米科技已經(jīng)取得一系列成果,正處于重大突破的前夜。研究者認為,這一興起于本世紀(jì)90年代的納米科技,必將雄踞于21世紀(jì),對人類社會產(chǎn)生重大而深遠的影響。

2、納米醫(yī)學(xué)的提出

納米醫(yī)學(xué)的形成除了納米技術(shù)之外，其醫(yī)學(xué)本身也應(yīng)具有可應(yīng)用納米技術(shù)的客觀基礎(chǔ)和必要條件。客觀基礎(chǔ)是指，像其他物質(zhì)一樣，醫(yī)學(xué)研究的主體———人體本身是由分子和原子構(gòu)成的。實現(xiàn)納米醫(yī)學(xué)的必要條件是，要在分子水平上對人體有更為全面而詳盡的了解。隨著現(xiàn)代生物學(xué)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展,人類在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究內(nèi)容已開始從細胞、染色體等微米尺度的結(jié)構(gòu)深入到更小的層次,進入到單個分子甚至分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。這些極其微細的分子結(jié)構(gòu)的特征:尺度空間在0.1-100 nm,屬于納米技術(shù)的尺度范圍。研究這些納米尺度的分子結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象的學(xué)科,就是納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)。納米醫(yī)學(xué)是一門涉及物理學(xué)、化學(xué)、量子學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)、計算機學(xué)、生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域的綜合 性交叉學(xué)科。Freitas曾給納米醫(yī)學(xué)下過一個較詳細的定義:他認為,納米醫(yī)學(xué)是利用人體分子工具和分子知識,預(yù)防、診斷、治療疾病和創(chuàng)傷,劫除疼痛,保護和改善人體健康的科學(xué)和技術(shù)。目前的納米醫(yī)學(xué)研究水平還處于初級階段,當(dāng)然,由于各國科學(xué)工者的不懈努力,納米醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域已初露曙光,有部分研究成果已開始接近臨床應(yīng)用。

從定義來看,納米醫(yī)學(xué)可以分為兩大類,一是在分子水平上的醫(yī)學(xué)研究,基因藥物和基因療法等就是典型體現(xiàn);二是把其他領(lǐng)域的納米研究成果引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,如某種納米裝置在醫(yī)療和診斷上的應(yīng)用。納米醫(yī)學(xué)的奧秘在于,可以從納米量級的尺度來進行原來不可能達到的醫(yī)療操作和疾病防治。當(dāng)生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元小到納米量級的時候,其性質(zhì)會有意想不到的變化。這種變化既包括物質(zhì)的原有性能變得更好,還可能有我們所意想不到的性能和效益,從而用來治病防病。

3、納米技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用 3.1 診斷疾病

在診斷方面，將應(yīng)用納米醫(yī)學(xué)技術(shù)手段，在診室內(nèi)進行全面的基因檢查和特殊細菌涂層標(biāo)記物的實時全身掃描；檢測腫瘤細胞抗原、礦質(zhì)沉積物、可疑的毒素、源于遺傳或生活方式的激素失衡，以及其它以亞毫米空間分辨率制成所定目標(biāo)三維圖譜的特定分子。在納米醫(yī)學(xué)時代，這些強有力的手段將使醫(yī)務(wù)人員能夠檢查患者的任何部位，且可詳盡到分子水平，并能以合理的費用，在數(shù)分鐘或數(shù)秒鐘內(nèi)獲得所需的結(jié)果。許多以往診斷比較困難或無法診斷的疾病,隨著納米技術(shù)的介入,將很容易被確診。為判斷胎兒是否具有遺傳缺陷,以往常采用價格昂貴并對人體有損害的羊水診斷技術(shù)。如今應(yīng)用納米技術(shù),可簡便安全地達到目的。孕8周左右血液中開始出現(xiàn)非常少量的胎兒細胞,用納米粒很容易將這些胎兒細胞分離出來進行診斷。目前美國已將此項技術(shù)應(yīng)用于臨床診斷。肝癌患者由于早期沒有明顯癥狀,一旦發(fā)現(xiàn)常已到晚期,難以治愈,因而早期診斷極為重要。中國醫(yī)科大學(xué)第二臨床學(xué)院把納米粒應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究,經(jīng)過4年的努力,完成了超順磁性氧化鐵超微顆粒脂質(zhì)體的研究。動物實驗證明,運用這項研究成果,可以發(fā)現(xiàn)直徑3mm以下的肝腫瘤。這對肝癌的早期診斷、早期治療有著十分重要的意義。3.2 納米藥物和納米藥物載體

這是納米醫(yī)學(xué)中的一個非?；钴S的領(lǐng)域,適時準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一?？茖W(xué)家正在為糖尿病人研制超小型的,模仿健康人體內(nèi)的葡萄糖檢測系統(tǒng)。它能夠被植入皮下,監(jiān)測血糖水平,在必要的時候釋放出胰島素,使病人體內(nèi)的血糖和胰島素含量總是處于正常狀態(tài)。美國密西根大學(xué)的博士正在設(shè)計一種納米/智能炸彈,它可以識別出癌細胞的化學(xué)特征。這種智能炸彈很小,僅有20nm左右,能夠進入并摧毀單個的癌細胞。

德國醫(yī)生嘗試借助磁性納米微粒治療癌癥,并在動物實驗中取得了較好療效。將一些極其細小的氧化鐵納米微粒注入患者的腫瘤里,然后將患者置于可變的磁場中,氧化鐵納米微粒升溫到45~ 47度,這一溫度可慢慢熱死癌細胞。由于腫瘤附近的機體組織中不存在磁性微粒,因此這些健康組織的溫度不會升高,也不會受到傷害?？茖W(xué)家指出,將磁性納米顆粒與藥物結(jié)合,注入到人體內(nèi),在外磁場作用下,藥物向病變部位集中,從而達到定向治療的目的,將大大提高腫瘤的藥物治療效果。

納米藥物與傳統(tǒng)的分子藥物的根本區(qū)別在于它是顆粒藥物。廣義的納米藥物可分為兩類:一類是納米藥物載體,即指溶解或分散有分子藥物的各種納米顆粒,如納米球、納米囊、納米脂質(zhì)體等。二是納米藥物,即指直接將原料藥物加工成的納米顆粒,或利用嶄新的納米結(jié)構(gòu)或納米特性,發(fā)現(xiàn)基于新型納米顆粒的高效低毒的治療或診斷藥物。前者是對傳統(tǒng)藥物的改良,而后者強調(diào)的是把納米材料本身作為藥物。

3.2.1 納米藥物

直接以納米顆粒作為藥物的應(yīng)用之一是抗菌藥物。納米抗菌藥物具有廣譜、親水、環(huán)保、遇水后殺菌力更強、不會誘導(dǎo)細菌耐藥性等多種性能。以這種抗菌顆粒為原料,成功地開發(fā)出了創(chuàng)傷貼、潰瘍貼等納米醫(yī)藥類產(chǎn)品。例如,納米二氧化鈦樹脂基托材料具有一定的抗變形鏈球菌和抗白色念珠菌的效果,當(dāng)樹脂基托中抗菌劑的濃度達到3%時,即可達到滿意的抗菌效果。

無機納米顆粒作為新型的抗癌藥物為腫瘤治療提供了新的思路。研究人員用Gd@C82(OH)22處理得肝癌的小鼠,在10.7mol/kg的注射劑量下能有效地抑制腫瘤生長,同時對機體不產(chǎn)生任何毒性。其抑瘤效應(yīng)不是通過納米顆粒對腫瘤的直接殺傷起作用,而是可能通過激活機體免疫來實現(xiàn)對腫瘤的抑制作用。納米羥基磷灰石在體外對惡性腫瘤細胞產(chǎn)生明顯的抑制作用,而對正常細胞作用甚微,可望通過進一步的研究獲得一種區(qū)別于傳統(tǒng)的化療藥物的納米無機抗癌藥物。此外,有的物質(zhì)納米化后出現(xiàn)新的治療作用,如二氧化鈦納米粒子可抑制癌細胞增殖;二氧化鈰納米顆?？梢郧宄壑械碾娍剐苑肿硬⒎乐我恍┯捎谝暰W(wǎng)膜老化而帶來的疾病。

3.2.2 納米藥物載體

實現(xiàn)細胞和亞細胞層次上藥物的靶向傳遞和智能控制釋放,是降低藥物毒副作用、提高治療效果的共性問題。納米粒子介導(dǎo)的藥物輸送是納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個關(guān)鍵技術(shù),在藥物輸送方面具有許多優(yōu)越性。目前,用作藥物載體的材料有金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒及生物活性納米顆粒等。理想的納米藥物載體應(yīng)具備以下性質(zhì):毒性較低或沒有毒性;具有適宜的制備及提純方法;具有合適的粒徑與形狀;具有較高的載藥量;具有較高的包封率;對藥物具有良好的釋放特性;具有良好的生物相容性,可生物降解或可被機體排出;具有較長的體內(nèi)循環(huán)時間,并能在療效相 關(guān)部位持久存。3.3 納米生物技術(shù)

納米生物技術(shù)是納米技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,它即可以用于生物醫(yī)學(xué),也可以服務(wù)于其它社會需求。所包含的內(nèi)容非常豐富,并以極快的速度增加和發(fā)展,難以概述。

3.3.1生物芯片技術(shù)

生物芯片是在很小幾何尺度的表面積上,裝配一種或集成多種生物活性,僅用微量生理或生物采樣,即可以同時檢測和研究不同的生物細胞、生物分子和DNA的特性,以及它們之間的相互作用,獲得生命微觀活動的規(guī)律。生物芯片可以粗略地分為細胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等幾類,都有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點,已成為21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程的前沿科技。

近2年,已經(jīng)通過微制作(MEMS)技術(shù),制成了微米量級的機械手,能夠在細胞溶液中捕捉到單個細胞,進行細胞結(jié)構(gòu)、功能和通訊等特性研究。美國哈佛大學(xué)的教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員,發(fā)展了微電子工業(yè)普遍使用的光刻技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,并研制出效果更好的軟光刻方法。以此,制出了可以捕捉和固定單個細胞的生物芯片,通過調(diào)節(jié)細胞間距等,研究細胞分泌和胞間通訊。此類細胞芯片還可以作細胞分類和純化等。它的功能原理非常簡單,僅利用芯片表面微單元的幾何尺寸和表面特性,即可達到選擇和固定細胞及細胞面密度控制。

美國圣地亞國家實驗室的發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了納米愛好者的預(yù)言。正像所預(yù)想的那樣,納米技術(shù)可以在血流中進行巡航探測,即時發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細菌類型的外來入侵者,并予以殲滅,從而消除傳染性疾病。

研究人員做了一個雛形裝置,發(fā)揮芯片實驗室的功能,它可以沿血流流動并跟蹤像鐮狀細胞血癥和感染了愛滋病的細胞。血液細胞被導(dǎo)入一個發(fā)射激光的腔體表面,從而改變激光的形成。癌細胞會產(chǎn)生一種明亮的閃光;而健康細胞只發(fā)射一種標(biāo)準(zhǔn)波長的光,以此鑒別癌變。3.3.2納米探針

一種探測單個活細胞的納米傳感器,探頭尺寸僅為納米量級,當(dāng)它插入活細胞時,可探知會導(dǎo)致腫瘤的早期DNA損傷。

3.4組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)中的納米材料

將納米技術(shù)與組織工程技術(shù)相結(jié)合,構(gòu)建具有納米拓撲結(jié)構(gòu)的細胞生長支架正在形成一個嶄新的研究方向。相對于微米尺度,納米尺度的拓撲結(jié)構(gòu)與機體內(nèi)細胞生長的自然環(huán)境更為相似。納米拓撲結(jié)構(gòu)的構(gòu)建有可能從分子和細胞水平上控制生物材料與細胞間的相互作用,引發(fā)特異性細胞反應(yīng),對于組織再生與修復(fù)具有潛在的應(yīng)用前景和重要意義。將納米纖維水凝膠作為神經(jīng)組織的支架,在其中生長的鼠神經(jīng)前體細胞的生長速度明顯快于對照材料。向高分子材料中加入碳納米管可以顯著改善原有聚合物的傳導(dǎo)性、強度、彈性、韌性和耐久性,同時還可以改進基體材料的生物相容性。研究發(fā)現(xiàn),隨著復(fù)合物中碳納米管含量的增加,神經(jīng)元細胞和成骨細胞在復(fù)合材料上的黏附與生長也越來越活躍,而星形細胞和成纖維細胞的活性則呈現(xiàn)同等程度的下降。研究人員設(shè)計的人造紅細胞輸送氧的能力是同等體積天然紅細胞的236倍,可應(yīng)用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運動需要的額外耗氧等。研究人員成功合成了模擬骨骼亞結(jié)構(gòu)的納米物質(zhì),該物質(zhì)可取代目前骨科常用的合金材料,其物理特性符合理想的骨骼替代物的模數(shù)匹配,不易骨折,且與正常骨組織連接緊密,顯示出明顯的正畸應(yīng)用優(yōu)勢。

納米自組裝短肽材料RADA16-I與細胞外基質(zhì)具有很高相似性,RADA16-I納米支架可以作為一種臨時性的細胞培養(yǎng)人工支架,它能很好地支持功能型細胞在受損位置附近生長、遷移和分化,因而有利于細胞抵達傷口縫隙,使組織得以再生。有研究人員利用RADA16-I納米支架修復(fù)了倉鼠腦部的急性創(chuàng)傷,并且恢復(fù)了倉鼠的視覺功能。RADA16-I形成的水凝膠可用作新型的簡易止血劑,用于多種組織和多種不同類型傷口的止血。

4、我國發(fā)展納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展策略

目前,我國在納米生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的研究基礎(chǔ)還比較薄弱,通過采取各種激勵措施和各種研究計劃的實施,特別是國家自然科學(xué)基金委的納米技術(shù)重大研究計劃對納米生物和納米醫(yī)學(xué)項目的支持,我國在納米生物和納米醫(yī)學(xué)方面的研究狀況有了很大的改善,生物、醫(yī)學(xué)界的許多院、所相繼建立了有關(guān)納米技術(shù)的研究室,如中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院毒物藥物研究所和生物物理研究所等都設(shè)立了納米研究室,初步形成了一只較強的研究隊伍。近年來,來自化學(xué)、物理、信息、藥物、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家通過幾次研討會進一步明確了納米生物和納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究方向和內(nèi)容,并建立了較密切的合作。我國在納米生物和納米醫(yī)學(xué)的研究領(lǐng)域也涌現(xiàn)了一批極具特色的研究成果,如在生物傳感器、生物芯片、新型藥物載體和靶向藥物、新型納米藥物劑型、新造影劑、重大疾病的機制、納米材料的應(yīng)用和生物安全性及重大疾病預(yù)防和早期診斷與治療技術(shù)等方面。但是,這些研究的水準(zhǔn)與國際先進水平還有相當(dāng)?shù)牟罹?離國家、社會的需求也有相當(dāng)遠的距離。

納米醫(yī)學(xué)工程的建立不僅是因為有其迫切的需要,而且也因為有了實現(xiàn)的可能。如今,納米科技在國際上已嶄露頭角,世界各發(fā)達國家紛紛開展納米科技的研究。在我國,科技界對納米科技的重要性有了共識,納米科技研究已取得引人注目的成果。學(xué)科發(fā)展和社會需要是推動社會發(fā)展的巨大動力,學(xué)科發(fā)展可以創(chuàng)造新的需求,社會需求可以促進學(xué)科向深度和廣度發(fā)展。納米生物醫(yī)學(xué)工程正在出現(xiàn),我們無力將它阻擋。雖然它的廣泛應(yīng)用尚有待時日,并潛在危險,但若沒有它,我們現(xiàn)在面臨的許多生物醫(yī)學(xué)工程問題就不可能得到滿意的解決。

人類正在被歷史及自身推向一個嶄新的陌生世界,倘若人類能直接利用原子、分子進行生產(chǎn)活動,這將是一個質(zhì)的飛躍,將改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)方式,并空前地提高生產(chǎn)能力,有可能從根本上解決人類面臨的諸多困難和危機。我們有必要把納米科技和生物醫(yī)學(xué)工程概念進行拓展,把納米科技的理論與方法引入生物醫(yī)學(xué)工程的相關(guān)研究領(lǐng)域,創(chuàng)立新的邊緣學(xué)科——納米生物醫(yī)學(xué)工程?？梢韵嘈?納米醫(yī)學(xué)工程將會成為納米科技的重要分支,并開創(chuàng)生物醫(yī)學(xué)工程新紀(jì)元?？茖W(xué)家認為,納米科技在生物醫(yī)學(xué)方面,甚至有可能超過信息技術(shù)和基因工程,成為決勝未來的關(guān)鍵性技術(shù)。[參 考 文 獻] [1]劉吉平,郝向陽.納米科學(xué)與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2002:2,227-229,234-238,239-242,230-234.[2]李道萍.21世紀(jì)嶄新的學(xué)科——納米醫(yī)學(xué)[J]1世界新醫(yī)學(xué)信息文摘,2003,1(3):208-210.[3]李會東.納米技術(shù)在生物學(xué)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,27(2):49-51.[4]皮洪瓊,吳俊,袁直等.注射用生物可降解胰島素納米微球的制備[J]1應(yīng)用化學(xué),2001,18(5):365-369.[5]常津.阿毒素免疫磁性毫微粒的體內(nèi)磁靶向定位研究[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,1996,15(4):216-221.[6]張共清,梁屹.納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用[J]1中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報,2002,24(2):197-201.〔7〕中國社會科學(xué)院語言研究所詞典編輯室編.現(xiàn)代漢語詞典.北京:商務(wù)印書館2002年版:1711〔8〕奇云.21世紀(jì)的納米醫(yī)學(xué).健康報,2001(4):12〔9〕紀(jì)小龍.納米醫(yī)學(xué)怎樣診治疾病.健康報,2001,7,19[9]奇 云.納米醫(yī)學(xué)——21世紀(jì)的科技新領(lǐng)域[N].中國醫(yī)藥報,1995年6月8日~1995年7月18日,第1160期-1178期,第7版.[10]奇 云.納米材料——21世紀(jì)的新材料[J].科技導(dǎo)報,1992(10):28-31.[11]奇 云.納米電子學(xué)研究進展[J].現(xiàn)代物理知識,1994,6(5):24-25.[12]奇 云.納米生物學(xué)的誘人前景[N].光明日報,1993年5月7日,第15864號第3版.[13]奇 云.納米化學(xué)研究進展[J].自然雜志,1993,16（9、10):2-5.[14]奇 云.納米化學(xué)研究進展[J].現(xiàn)代化工,1993,13(8):38-39.[15] 華中一.納米科學(xué)與技術(shù)[J].科學(xué),2000,52(5):6-10..

第五篇：納米材料論文

納米科技及納米材料

【摘 要】納米技術(shù)是當(dāng)今世界最有前途的決定性技術(shù)。納米材料在結(jié)構(gòu)、光電和化學(xué)性質(zhì)等方面的誘人特征，引起物理學(xué)家、材料學(xué)家和化學(xué)家的濃厚愛好。80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國對這種材料給予極大關(guān)注。它所具有的獨特的物理和化學(xué)特性，使人們意識到它的發(fā)展可能給物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來新的機遇。文章簡要地概述了納米技術(shù)，納米材料的分類、特性以及納米材料在催化、涂料、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用，并展望了納米材料廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】納米技術(shù)；納米材料；分類；特性；應(yīng)用；前景

一、納米科技及納米材料的涵義

納米科技是20世紀(jì)80年代末誕生并正在崛起的新科技，是一門在0.1~ 100 nm尺度空間內(nèi)，研究電子、原子和分子運動規(guī)律和特性的高技術(shù)學(xué)科。其涵義是人類在納米尺寸（10-9--10-7m）范圍內(nèi)認識和改造自然，最終目標(biāo)是通過直接操縱和安排原子、分子而創(chuàng)造特定功能的新物質(zhì)。納米科技是現(xiàn)代物理學(xué)與先進工程技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上誕生的，是一門基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究緊密聯(lián)系的新興科學(xué)技術(shù)。其中納米材料是納米科技的重要組成部分。

納米（nm）是長度單位，1納米是10-9米（十億分之一米），對宏觀物質(zhì)來說，納米是一個很小的單位，廣義地說，納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1-100nm）或由他們作為基本單元構(gòu)成的材料。一般認為納米材料應(yīng)該包括兩個基本條件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之間，二是材料此時具有區(qū)別常規(guī)尺寸材料的一些特殊物理化學(xué)特性。

二、納米材料的分類

按其顆粒組成的尺寸和排列狀態(tài)，可分為納米晶體和納米非晶體。前者指所包含的納米微粒為晶體，后者由具有短程序的非晶態(tài)納米微粒組成，如納米非晶態(tài)薄膜．

按其結(jié)構(gòu)來分，納米材料的基本單元可以分為四類：零維的原子團簇和納米微粒；一維調(diào)制的納米單層或多層薄膜；二維調(diào)制的納米纖維結(jié)構(gòu)；三維調(diào)制的納米相材料。

三、納米材料的特性

納米材料的特性既不同于原子，又不同于結(jié)晶體，可以說它是一種不同于本體材料的新材料，其物理化學(xué)性質(zhì)與本體材料有明顯差異。主要表現(xiàn)在：納米材料性能表現(xiàn)出強烈的尺寸依賴性。當(dāng)粒子尺寸減小到納米級的某一尺寸時，則材料的物性會發(fā)生突變，與同組分的常規(guī)材料的性能完全不同，且同類材料的不同性能有不同的臨界尺寸，對同一性能，不同材料相應(yīng)的臨界尺寸也有差異，所以當(dāng)物質(zhì)的粒子尺寸達到納米數(shù)量級時，將會表現(xiàn)出優(yōu)于同組分的晶態(tài)或非晶態(tài)的性質(zhì)。如熔點下降、強烈的化學(xué)活性和催化活性及特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)及燒結(jié)性能。這主要是由納米材料的下列效應(yīng)引起：小尺寸效應(yīng)（體積效應(yīng)）；表面與界面效應(yīng)；量子尺寸效應(yīng)（久保效應(yīng)）；宏觀量子隧道效應(yīng)。

1、小尺寸效應(yīng)指當(dāng)超微粒的尺寸與光波波長，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長及超導(dǎo)態(tài)的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。陶瓷材料在通常情況下呈現(xiàn)脆性，而由納米超微粒制成的納米陶瓷卻具有良好的韌性和延展性。這是由于納米超微粒制成的固體材料具有大的界面，界面原子排列相當(dāng)混亂，原子在外力變形條件下容易遷移。因此使原先脆性的材料表現(xiàn)出良好的韌性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性能。

2、表面與界面效應(yīng)指納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。例如粒子直徑為10納米時，微粒包含4000個原子，表面原子占40%；粒子直徑為1納米時，微粒包含有30個原子，表面原子占99%。主要原因就在于直徑減少，表面原子數(shù)量增多，因此納米粉微粒通常具有相當(dāng)高的表面能。

3、當(dāng)粒子的尺寸降到一定值時，金屬費米能級附近的電子能級出現(xiàn)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象。當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時，納米微粒會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如，有種金屬納米粒子吸收光線能力非常強，在1.1365千克水里只要放入千分之一這種粒子，水就會變得完全不透明。納米材料的量子尺寸效應(yīng)使納米材料具有：高度光學(xué)非線性；特異性催化和光催化性；強氧化性與強還原性。用這一特性可制得光催化劑、強氧化劑與強還原劑。可使用于制備無機抗菌材料。

4、微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。

四、納米材料的應(yīng)用

1、在催化方面的應(yīng)用

催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗進行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來不能進行的反應(yīng)也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。

納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑，主要是在有機物制備方面。光催化反應(yīng)涉及到許多反應(yīng)類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應(yīng)，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實現(xiàn)的。半導(dǎo)體多相光催化劑能有效地降解水中的有機污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，便宜易得，是制備負載型光催化劑的最佳選擇。Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒，對某些有機化合物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑。納米鉑或鈕催化劑可使乙烯的氧化反應(yīng)溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應(yīng)效率、優(yōu)化反應(yīng)路徑、提高反應(yīng)速度方面的研究，是未來催化科學(xué)不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應(yīng)用帶來革命性的變革。

2、在涂料方面的應(yīng)用

納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的非凡性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當(dāng)今世界關(guān)注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料，可獲得納米復(fù)合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。在標(biāo)牌上使用納米材料涂層，可利用其光學(xué)特性，達到儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應(yīng)用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復(fù)合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍地增加。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景，將為涂層技術(shù)帶來一場新的技術(shù)革命，也將推動復(fù)合材料的研究開發(fā)與應(yīng)用。

3、在醫(yī)藥方面的應(yīng)用

21世紀(jì)控制藥物釋放、減少副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向治療，已提到研究日程上來。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體，可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織；使用納米技術(shù)的新型診斷儀器，只需檢測少量血液就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病，美國麻省理工學(xué)院已制備出以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，稱之為“定向?qū)棥薄?/p>

納米生物學(xué)用來研究在納米尺度上的生物過程，從而根據(jù)生物學(xué)原理發(fā)展分子應(yīng)用工程。在金屬鐵的超細顆粒表面覆蓋一層厚為5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白質(zhì)非凡是酶，從而控制生化反應(yīng)。這在生化技術(shù)、酶工程中大有用處。使納米技術(shù)和生物學(xué)相結(jié)合，研究分子生物器件，利用納米傳感器，可以獲取細胞內(nèi)的生物信息，從而了解機體狀態(tài)，深化人們對生理及病理的解釋。

五、納米材料的前景

21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時代，納米科學(xué)是一門將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué)，主要包括納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。納米材料的應(yīng)用涉及到各個領(lǐng)域，在機械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米科學(xué)技術(shù)的誕生，將對人類社會產(chǎn)生深遠的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護等重大問題。

21世紀(jì)初的主要任務(wù)是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學(xué)特性，設(shè)計出各種新型的材料和器件。通過納米材料科學(xué)技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品，目前已出現(xiàn)可喜的苗頭，具備了形成21世紀(jì)經(jīng)濟新增長點的基礎(chǔ)。納米材料將成為材料科學(xué)領(lǐng)域一個大放異彩的明星展現(xiàn)在新材料、能源、信息等各個領(lǐng)域，發(fā)揮舉足輕重的作用。隨著其制備和改性技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料在精細化工和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域會得到日益廣泛的應(yīng)用。

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