纳米材料在生物医学领域的应用培训课件

纳米材料在生物医学领域的应用纳米材料在生物医学领域的应用1（优选）纳米材料在生物医学领域的应用（优选）纳米材料在生物医学领域的应用2从DNA碱基对(纳米尺度)到细胞(微米尺度)的尺度变化1 纳米生物学和纳米医学概述从DNA碱基对(纳米尺度)到细胞(微米尺度)的尺度变化1 3生命现象中的纳米结构 蛋白质、DNA、RNA和病毒，都在1100nm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。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉。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命现象中的纳米结构 蛋白质、DNA、RNA和病毒，都在114生物学和医学的研究内容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。生物学和医学的研究内容 生命由纳米水平的生物分子为5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结构结构生物学的重要内容DNA分子的结构和复制 DNA之所以能起遗传6 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:脱氧核糖核酸，一种高分子化合物，组成它的基本单位是7DNA的空间结构:规则的双螺旋结构DNA的空间结构:规则的双螺旋结构8DNA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。DNA的复制:边解旋边复制步骤第一步，利用细胞提供的能量，9 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，是具有遗传效应的是具有遗传效应的DNA分子片段分子片段。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510万个基因。什么是基因？现代遗传学家认为，基因是DNA分子上具有遗传效应的特10 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？美国科学家于1985年率先提出的，旨在阐明人类基11 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纳米生物学和纳米医学 现代生物学和现代医学的不断发展：其研究内容已从细胞，12 1）在纳米尺度上）在纳米尺度上,应用生物学原理和应用生物学原理和新兴的纳米新兴的纳米技术来研究和解决生物学问题：技术来研究和解决生物学问题：了解生物大分子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）。生物学发展的基础）。2 2）利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造类）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。似生物大分子的分子机器。纳米生物学纳米生物学(nanobiology)关键词：纳米尺度，生物学纳米尺度，生物学问题问题，分子器件分子器件纳米生物学(nanobiology)关键词：纳米尺度，生物13纳米生物学的研究集中在五个方面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。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在纳米尺度上获取生命信息,特别是细胞内的各种特别是细胞内的各种信息。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。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经功能和人脑的信息处理功能。4)仿生学的研究。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。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14 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。纳米医学医学：研究人体疾病发生的内在原因并进行恰当治15(5)适当的粒径与粒形:平均粒径30 nm,最优在15 nm,粒径均匀(粒径分布窄)=30%;自身即是人体骨组织中主要的无机物成分，与人体具有良好的相容性，无毒，无致癌性，无过敏反应，不破坏生物组织，并能与自然骨形成牢固的化学结合。带来的痛苦和半衰期短的问题。2）NP用于抗感染药物的载体整体复合材料聚枫/碳纤维、聚乙烯/碳纤维、聚甲基丙稀酸酯/碳纤维，碳/碳纤维、碳/碳化硅及环氧树脂/氧化铝/不锈钢等生物惰性复合材料；如果其表面进行化学修饰（如接上聚乙二醇长链），则可长时间在血液中循环，有利治疗。纳米技术中另一个重要分支领域动物牙的组织=1/3 的胶原纤维提高药物的利用率和疗效以及降低药物副作用的问题:2、表面界面过程材料与机体之间的相互作用机制研究。建立一些新的给药途径等。纳米载体提高多肽蛋白类药物的药力的几个方面2、利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料。目标提出和构建具有生物结构和生物功能的生物医学材料的基本原理和新学说，以此指导合成新型的骨、软骨、肌腱等修复或替换材料及组织工程化的骨、软骨、肌腱、神经、真皮、血管等的三维支架或基底材料。2、利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料。基因位于染色体上，并在染色体上呈线性排列。添加30%ZrO2的复合材料强度为600MPa，添加50%强度可达800MPa（结晶化玻璃的35倍）。DNA的空间结构:规则的双螺旋结构“纳米生物导弹”将抗肿瘤药物连接在磁性超微粒子上,定向杀死癌细胞。（4）攻克和杀死癌细胞和病毒的特效药物纳米医学将在以下五个方面得到突破和应用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(5)适当的粒径与粒形:平均粒径30 nm,最优在15 16纳米材料在医药领域的应用现状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纳米级粒子使药物在人体内的传输更为方便方便,用数层纳米粒子包裹的智能药物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特定细胞进入人体后可主动搜索并攻击特定细胞或修补损伤组织。或修补损伤组织。“纳米生物导弹纳米生物导弹”将抗肿瘤药物连接在将抗肿瘤药物连接在磁性超微粒子上磁性超微粒子上,定向杀死癌细胞。定向杀死癌细胞。“纳米机器人纳米机器人”进入人的血管和心脏中进入人的血管和心脏中 ,完成医生不能完成的血管修补等完成医生不能完成的血管修补等“细活细活”,”,必要时还可用它直接进行治疗。必要时还可用它直接进行治疗。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17用纳米级微颗粒（超顺磁性氧化铁超微颗粒脂用纳米级微颗粒（超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体）应用于诊断早期肝癌质体）应用于诊断早期肝癌,可以发现直径可以发现直径 3 mm以下的肝肿瘤以下的肝肿瘤,对肝癌的早期诊断、早期对肝癌的早期诊断、早期治疗有着十分重要的意义。治疗有着十分重要的意义。纳米抗菌药物以及创伤贴、溃疡贴等，对大肠纳米抗菌药物以及创伤贴、溃疡贴等，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物均有强烈杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物均有强烈的抑制和杀灭作用的抑制和杀灭作用,同时还具有广谱、亲水、同时还具有广谱、亲水、环保等多种性能。环保等多种性能。用纳米级微颗粒（超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体）应用于诊断早期18用纳米材料开发的新型药物输送系统用纳米材料开发的新型药物输送系统 由一种内含由一种内含药物的纳米球组成的药物的纳米球组成的,纳米球外面有一种保护性涂纳米球外面有一种保护性涂层层,可在血液中循环而不会受到人体免疫系统的攻可在血液中循环而不会受到人体免疫系统的攻击击,如果使其具备识别癌细胞的能力如果使其具备识别癌细胞的能力,就可直接将就可直接将药物送到癌变部位药物送到癌变部位,而不会对健康组织造成损害。而不会对健康组织造成损害。用纳米技术制造的用纳米技术制造的“芯片实验室芯片实验室”可对血液和病可对血液和病毒进行检测毒进行检测,几分钟即可获得检测结果。几分钟即可获得检测结果。在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应。异反应。对传统的名贵中草药进行超细开发对传统的名贵中草药进行超细开发,可可极大提高药极大提高药物的疗效。物的疗效。用纳米材料开发的新型药物输送系统 由一种内含药物的纳米球组成192 纳米生物材料1、适合于生物体内应用的纳米材料。本身即可以是具有生物活性的，或不具有生物活性，而仅仅易于被生物体接受，而不引起不良反应的材料。2、利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料。可能不再被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。生物材料有哪些？用于制衣、皮带的动物皮革（与高分子材料交叉）；用于镶牙和制作隐形眼睛的材料等被用于生物体内材料等（本章内容）。纳米生物材料可以分为两类：2 纳米生物材料1、适合于生物体内应用的纳米材料。本身即可20 2 纳米生物材料一、生物材料的分类二、生物活性材料-羟基磷灰石三、纳米生物材料的重点研究领域 2 纳米生物材料一、生物材料的分类21（按化学结构分类）（按化学结构分类）1 1、医用有机高分子材料、医用有机高分子材料2 2、无机非金属生物材料、无机非金属生物材料3 3、医用金属和合金材料、医用金属和合金材料4 4、生物复合材料、生物复合材料 一、生物材料的分类基本要求：良好的生物相容性、可吸收性、无毒、无蓄积性。（按化学结构分类）一、生物材料的分类基本要求：良好的生物相22生物材料的另一种分类：按用途分类生物医学材料生物医学材料生物工程材料生物工程材料包括：农用缓释材料、抗菌材料、生物反应器材料以及DNA分离材料等。包括：取代人体的某部分功能的生物功能材料、疾病治疗用材料、疾病诊断用材料、各种防护材料、医学用材料 生物材料的另一种分类：生物医学材料生物工程材料包括：农用缓23用量最大的生物材料。主要品种聚乙烯、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚乳酸酯、硅树脂、纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯晴、聚氯乙稀、骨胶原纤维、聚氨酸、纤维蛋白等等。有生物降解和非降解型之分。根据降解产物能否被机体代谢和吸收，降解型又可分为生物可吸收性（如淀粉、纤维素等）和不可吸收性。应用韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织和器管的修复和制造以及诊断、治疗和生物工程上。(1)医用有机高分子材料用量最大的生物材料。(1)医用有机高分子材料24软组织置换材料以有机高分子材料为主1、血液循环系人工脏器材料人工心脏、人工血管；2、代谢系人工脏器材料人工肝、人工肾、人工肺软组织置换材料以有机高分子材料为主25隐形眼镜材料隐形眼镜材料1、硬质隐性眼镜（PMMA）2、软质隐性眼镜（甲基丙烯酸羟乙酯聚合物的含水凝胶等）隐形眼镜材料1、硬质隐性眼镜（PMMA）26生物降解材料生物降解材料1、生物降解高分子材料在分子骨架上具有可水解基团的高分子，如聚乳酸、聚己内酯、聚羟乙酸。2、生物降解陶瓷材料磷酸三钙等。在体液、酶或微生物的作用下被溶解、吸收，即降解的材料。包括控释药物、手术缝线等。生物降解材料1、生物降解高分子材料在分子骨架上具有可水解基团27人工血管和人工心脏补片人工血管和人工心脏补片人工血管和人工心脏补片28动物的骨组成=生物大分子+无机矿物1、生物结构和生物功能的设计和构建原理研究。2、软质隐性眼镜（甲基丙烯酸羟乙酯聚合物的含水凝胶等）“纳米生物导弹”将抗肿瘤药物连接在磁性超微粒子上,定向杀死癌细胞。目前还处于研究前期，但长远发展意义明显。增强体：纳米或亚微米的微晶羟基磷灰石（HA）生命现象中的“纳米机械”细胞中的细胞器。赋予聚合物、金属和陶瓷等材料生物活性的设计原理。可靠预测材料寿命的体内外试验方法和模型；1）纳米载体可通过小肠的peyer结而进入循环系统；包括整体复合材料和涂层材料两大类。应用韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织和器管的修复和制造以及诊断、治疗和生物工程上。聚羟丁酸酯/羟基磷灰石等降解性复合材料。阐明生物医学材料与目标物质之间的分子识别规律，提出对人体器官、组织或细胞具有专一性作用的生物医学材料以及微环境的设计原理，进一步发展分子识别理论。生物医用材料分子组成、结构和表面构型对生物活性物质稳定性的影响。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。破译人类的记忆、思维、语言和学习这些高级神经功能和人脑的信息处理功能。5、材料的制备方法学和质量控制体系研究。1、生物结构和生物功能的设计和构建原理研究。国外最近开发一种紫杉醇的白蛋白NP，具有良好的生物相溶性与生物降解性，也无人体抗原性。用于衬底的材料主要是不锈钢、钴铬合金和钛合金等，用于涂层的主要是热解碳、生物玻璃、羟基磷灰石、磷酸三钙、硼硅酸盐玻璃等。分为生物惰性材料和生物活性材料。生物惰性材料 在生理环境中保持化学稳定，高强度和耐腐蚀性。缺点是不具有生物活性，不能与生物组织形成化学结合，与组织间的连接基本上是机械性的结合。生物活性材料 在生理环境中能通过表面发生的选择性化学反应，形成一层覆盖其表面的羟基磷灰石层，实现材料与人骨或人体组织的牢固化学键合。应用软、硬组织的修复和替代以及疾病的诊断、治疗、防护以及生物工程等方面。(2)无机非金属生物材料动物的骨组成=生物大分子+无机矿物分为生物惰性材料和生物活性29三大支柱不锈钢、钴基合金、钛及钛基合金。主要用于承力的骨、关节和牙等硬组织的替换。钛及钛基合金高比强和抗疲劳腐蚀性能、良好的生物相容性和接近骨的弹性模量。不锈钢稳定性欠佳，但价廉易得。钴基合金除能满足对材料得生物、物理和化学性质要求之外，易于临床成型加工。主要缺点不具有生物活性，植入体内后为一层包囊性纤维膜所包裹，难以和组织形成牢固的结合。纳米金属和合金作为生物医用材料的优点毒性低，传感特性和弹性模量可接近正常的天然生物组织，可使细胞在其表面生长，并具有修复病变组织的功能。(3)医用金属和合金材料三大支柱不锈钢、钴基合金、钛及钛基合金。主要用于承力的骨、关30整整体体复复合合材材料料聚聚枫枫/碳碳纤纤维维、聚聚乙乙烯烯/碳碳纤纤维维、聚聚甲甲基基丙丙稀稀酸酸酯酯/碳碳纤纤维维，碳碳/碳碳纤纤维维、碳碳/碳碳化化硅硅及及环环氧氧树树脂脂/氧氧化化铝铝/不不锈锈钢钢等等生生物物惰惰性性复复合合材材料料；珊珊瑚瑚羟羟基基磷磷灰灰石石/DL/DL聚聚乳乳酸酸等等多多孔孔向向内内生生长长复复合合材材料料；生生物物玻玻璃璃/不不锈锈钢钢纤纤维维、生生物物玻玻璃璃/钛钛纤纤维维、骨骨胶胶原原/羟羟基基磷磷灰灰石石、聚聚乙乙烯烯/羟羟基基磷磷灰灰石石、聚聚甲甲基基丙丙稀稀酸酸酯酯/磷磷硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃纤纤维维、高高分分子子/磷磷酸酸盐盐玻玻璃璃等等生生物物活活性性复复合合材材料料；聚聚羟羟丁丁酸酸酯酯/羟羟基基磷磷灰灰石石等等降降解解性性复合材料。复合材料。生生物物涂涂层层材材料料主主要要是是以以机机械械性性能能比比较较好好的的金金属属或或合合金金材材料料为为衬衬底底，涂涂有有生生物物活活性性材材料料涂涂层层的的复复合合材材料料。用用于于衬衬底底的的材材料料主主要要是是不不锈锈钢钢、钴钴铬铬合合金金和和钛钛合合金金等等，用用于于涂涂层层的的主主要要是是热热解解碳碳、生生物物玻玻璃璃、羟羟基基磷磷灰灰石石、磷磷酸酸三三钙钙、硼硼硅硅酸盐玻璃等。酸盐玻璃等。(4)生物复合材料解决单一材料强度、韧性及生物活性难以统一的问题。包括整体复合材料和涂层材料两大类。整体复合材料聚枫/碳纤维、聚乙烯/碳纤维、聚甲基丙稀酸酯/碳31羟基磷灰石【Ca10（PO4）6（OH）2】自身即是人体骨组织中主要的无机物成分，与人体具有良好的相容性，无毒，无致癌性，无过敏反应，不破坏生物组织，并能与自然骨形成牢固的化学结合。化学结合主要是液体中析出的羟基磷灰石晶体与自然骨形成化学键。比其它的骨替代材料拥有不可比拟的优势，在新型骨替代材料的研究领域占有极其重要的地位，是具有生命的材料的生物活性材料。二、生物活性材料 羟基磷灰石羟基磷灰石【Ca10（PO4）6（OH）2】二32胶质的基体与羟基磷灰石增强的复合体高度均匀、有序地结合在一起，形成规则排列组成的复合体。动物的骨组成动物的骨组成=生物大分子生物大分子+无机矿物无机矿物增强体：增强体：纳米或亚微米的微晶羟基磷灰石（HA）基质：基质：胶原蛋白+少量的多糖。胶质的基体与羟基磷灰石增强的复合体高度均匀、有序地结合在一起33动物牙的组织动物牙的组织 =1/3 1/3 的胶原纤维的胶原纤维+2/32/3的纳米级羟基磷灰石（的纳米级羟基磷灰石（HAHA）特点：由于胶原纤维具有择优取向的性质，沿其横切面、切向面和径向面的力学性能具有各向异性。动物牙的组织=1/3 的胶原纤维特点：由于胶原纤维具有择34 自然界生物的某些器官就是天然的高分子纳米复合材料，在生物体上认识天然的纳米复合材料并利用人工合成的纳米复合材料，非常有现实意义。羟基磷灰石纳米复合生物材料的意义 与人体骨的致密性相比，羟基磷灰石的机械强度低、弹性模量非常高。通过形成纳米复合组织，可使其同时具有高的生物机能和力学性能。改善强度的一个方法是添加ZrO2颗粒。使用热压烧结或热等静压烧结，可以形成羟基磷灰石相和ZrO2复合的纳米复合显微结构。ZrO2的晶粒尺寸为100nm。添加30%ZrO2的复合材料强度为600MPa，添加50%强度可达800MPa（结晶化玻璃的35倍）。为达到与生物骨同样的弹性模量，在羟基磷灰石中添加高强度低模量的-Ca（PO3）2纤维，强度可大190MPa，高于人体骨，而弹性模量为43GPa，比一般陶瓷低一个数量级，接近人体的致密骨（约30GPa）。自然界生物的某些器官就是天然的高分子纳米复合材料，在生35对人工骨和人工齿的一般要求 （1）满足人体内生物学条件 无副作用；相容性好；结合牢固。（2）一定的力学条件 机械强度；弹性模量和硬度；耐磨性。（3）使用方便 易于成型与加工；变质；颜色和透明度好。对人工骨和人工齿的一般要求 （1）满足人体内生物学条件36 获得与骨质中晶体尺寸相当的纳米级微晶羟基磷灰石，并且与胶原纤维的均匀复合。只有这样，才有助于人体细胞和生物大分子对人工骨的认同，从而提高人工材料的生物活性、生物相容性和利用度。人工骨仿生材料的关键：人工骨仿生材料的关键：英国科学家最近研制的天然超结构骨材已替代不锈钢材料用于人体矫正手术。这种由羟基磷灰石构成的物质与生物骨质的成分、强度和密度完全相同，可与人体骨折部分完全融合，生命期超过30年。获得与骨质中晶体尺寸相当的纳米级微晶羟基磷灰石，并且37人工骨人工骨人工骨38要求牙齿替代材料的性质力学性能（压缩强度、杨氏模量、屈服应力、硬度高）;热学性能（热稳定性）;热力学性能（表面张力、表面接触角、亲水性低）;微观结构（没有相分离）;耐磨性高;透明性好要求牙齿替代材料的性质力学性能（压缩强度、杨氏模量、屈服应力39DNA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。通过对疫苗的包裹,提高疫苗的吸收和延长作用时间.(5)适当的粒径与粒形:平均粒径30 nm,最优在15 nm,粒径均匀(粒径分布窄)=30%;（4）NP用于眼科药物的载体磁性靶向纳米药物载体主要用于恶性肿瘤、心血管病、脑血栓、冠心病、肺气肿等疾病的治疗。目标为组织工程化人工器官生物材料及药物控释材料的自成、改性方法提供理论基础，实现材料参与生命过程和构建生命组织的目的。+2/3的纳米级羟基磷灰石（HA）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。纳米技术应用于药学领域纳米药物载体的主要制备方法目前还处于研究前期，但长远发展意义明显。5、材料的制备方法学和质量控制体系研究。目前最成功的研究是在恶性肿瘤的诊断和治疗方面.（优选）纳米材料在生物医学领域的应用比其它的骨替代材料拥有不可比拟的优势，在新型骨替代材料的研究领域占有极其重要的地位，是具有生命的材料的生物活性材料。几种常见的纳米药物载体高分子材料对药物的包覆;把药物溶解分散后加入高分子进行包覆.3）纳米粒子能能被十二指肠的微绒毛所捕获，可延长药物与细胞壁的接触时间，提高药物的吸收速率和吸收率；简单牙齿替代材料的组成有机聚合物作为基体，由一些诸如甲基丙烯酸甲酯、乙二醇二甲基丙烯酸甲酯等烯类单体聚合形成。无机填充材料为克服单体聚合时造成的体积收缩而添加的填料。常用的有二氧化硅粉体，利用溶胶凝胶技术开发的无定型二氧化硅也开始用于牙齿替代材料。界面偶联剂由于有机基体与无机填料之间的热力学不相容性，通常用界面偶联剂对无机填充材料进行表面处理，作用是增强它们之间的亲和力。作用机理是化学键作用，“架桥”作用将无机粒子与有机基体紧密连接在一起，形成宏观均匀的材料。DNA分子的结构和复制 DNA之所以能起遗传作用，是与它的分40三、纳米生物材料的重点研究领域1、生物结构和生物功能的设计和构建原 理研究2、表面界面过程材料与机体之间的相 互作用机制研究3、生物导向性及生物活性物质的控释机 理研究4、生物降解吸收的调控机制研究5、材料的制备方法学和质量控制体系研究三、纳米生物材料的重点研究领域1、生物结构和生物功能的设计和411、生物结构和生物功能的设计和构建原理研究。研究内容具有诱导组织再生的骨、软骨及肌腱等基底材料和框架结构的设计及其仿生装配；赋予聚合物、金属和陶瓷等材料生物活性的设计原理。目标提出和构建具有生物结构和生物功能的生物医学材料的基本原理和新学说，以此指导合成新型的骨、软骨、肌腱等修复或替换材料及组织工程化的骨、软骨、肌腱、神经、真皮、血管等的三维支架或基底材料。1、生物结构和生物功能的设计和构建原理研究。研究内容具有诱导422、表面界面过程材料与机体之间的相互作用机制研究。研究内容从细胞和分子水平深人研究材料与特定细胞、组织之间的表面界面作用，揭示影响生物相容性的因素及本质。目标阐明生物医学材料与目标物质之间的分子识别规律，提出对人体器官、组织或细胞具有专一性作用的生物医学材料以及微环境的设计原理，进一步发展分子识别理论。阐明具有普遍意义和指导意义的生物医用材料和机体之间相互作用的机制和原理，建立在细胞水平和分子水平上研究材料与生物机体之间表面界面过程的手段和方法。2、表面界面过程材料与机体之间的相互作用机制研究。研究内容433、生物导向性及生物活性物质的控释机理研究。具有药物控释作用的生物材料 研究药物通过生物材料以恒定速度、靶向定位或智能释放的过程。基因治疗的载体材料 高分子纳米材料和脂质体是基因治疗的理想载体，它具有承载容量大，安全性高的特点。近来新合成的一种树枝状高分子材料作为基因导入的载体值得关注。用于组织细胞和基因治疗的半渗透聚合物膜的设计、自装配及特异性细胞密封技术；生物医用材料分子组成、结构和表面构型对生物活性物质稳定性的影响。3、生物导向性及生物活性物质的控释机理研究。具有药物控释作用444、生物降解吸收的调控机制研究。内容研究生物降解吸收材料的分子结构和生物环境对其降解的影响、降解吸收速度的调控、降解吸收及代谢机制，以及降解产物对机体的影响。目标为组织工程化人工器官生物材料及药物控释材料的自成、改性方法提供理论基础，实现材料参与生命过程和构建生命组织的目的。4、生物降解吸收的调控机制研究。内容研究生物降解吸收材料455、材料的制备方法学和质量控制体系研究。内容生物医用材料及修复体的计算机辅助设计；可靠预测材料寿命的体内外试验方法和模型；生物医用材刺质量控制体系的科学基础；特定结构的细胞支架材料的三维快速成形工艺学研究；材料设计资料和数据库的研究及建立。5、材料的制备方法学和质量控制体系研究。内容463 3 纳米给药系统与纳米药物载体纳米给药系统与纳米药物载体一、一、纳米给药系统纳米给药系统二、纳米药物载体纳米药物载体3 纳米给药系统与纳米药物载体一、纳米给药系统47纳米生物医药研究领域最有发展前景的几个方面1、纳米技术在生物医药基础研究中的应用。纳米尺度的一些高精度单分子观测操纵技术，在生物医药基础研究中意义重大。2、纳米生物传感器。目前还处于研究前期，但长远发展意义明显。3、纳米生物医用材料。特别是组织工程材料的研究。4、纳米药物。纳米生物医药领域最强的生长点。还可以细分为两个方面 1）纳米药物载体和给药系统，除材料外，还必须加强与药物作用机理的有机结合，以及具体药效的验证；2）纳米药物粒子，如中药纳米颗粒、重组蛋白、DNA导入粒子等方面的研究。纳米生物医药研究领域最有发展前景的几个方面1、纳米技术在生物48药物制剂的给药途径与方法对药物的作用至关重要：诊断和治疗用纳米靶向药物载体给药给药方式方式靶向给药靶向给药注射方式注射方式（与蛋白质的分解排泄代谢分解步骤）口服给药口服给药（首过效应）药物制剂的给药途径与方法对药物的作用至关重要：诊断和治疗用纳49纳米生物医药研究的范畴 新兴的交叉科学，体现了多学科的特点材料学、化学、药学、医学等。纳米技术应用于药学领域 纳米给药系统与纳米药物载体包括：纳米粒（NP）、纳米球、纳米囊、纳米胶束、纳米脂质体和纳米乳剂，其中常见的是NP。纳米生物医药研究的范畴 新兴的交叉科学，体现了多学科的特点材50一、一、纳米给药系统纳米给药系统1、普通纳米给药系统（普通NP）2、特殊纳米给药系统（长循环NP、固体脂质NP、免疫NP、磁性NP、热敏感NP、PH敏感NP）一、纳米给药系统1、普通纳米给药系统51NP作为给药系统主要有以下的特点：1.增加药物的吸收；2.控制药物的释放；3.改变药物的体内分布特征；4.改变药物的膜转换机制。NP作为给药载体的给药途径以静脉给药、口服给药和眼部给药为主。1、普通纳米给药系统NP作为给药系统主要有以下的特点：NP作为给药载体的给药途径52纳米材料在生物医学领域的应用培训课件53（1）NP用于抗肿瘤药物的载体l通过NP的作用，改变药物在体内的分布和药物动力学的特征，提高药物对肿瘤部位的靶向性，从而提高疗效，并降低毒副作用。l肿瘤部位的细胞通透性处在亢进状态，抗癌药物在血液循环中存在的时间越长，越有利于肿瘤的治疗。（1）NP用于抗肿瘤药物的载体l通过NP的作用，改变药物在体54NP载药颗粒药物释放示意图：(a)载药中心颗粒覆盖纳米金属涂层；(b)纳米金属涂层慢慢消散；(c)药物释放。进展最快的NP给药系统研究：国外最近开发一种紫杉醇的白蛋白NP，具有良好的生物相溶性与生物降解性，也无人体抗原性。在临床上不会引起过敏问题，同时改变药物的体内分布特征，增加了药物对响应肿瘤的治疗效果。NP载药颗粒药物释放示意图：进展最快的NP给药系统研究：55纳米材料在生物医学领域的应用培训课件562）NP用于抗感染药物的载体 应用一抗菌素真菌药物两性霉素B的脂质NP，平均粒径为2550 nm，与普通的两性霉素B相比，对体外培养的人体上皮细胞的毒性更低，而对动物的肾毒性也明显下降。应用二NP与抗生素结合可用于治疗细胞内微生物的感染。一般抗生素进入细胞的能力相对较弱且不稳定，与NP 结合后治疗效果大大提高。如氨苄西林NP。应用三 NP被用作抗病毒疫苗的载体，或用于治疗利什曼原虫，或者用于治疗HIV病毒的感染。这些病毒的感染部位是网状内皮系统，是NP容易集中的地方。特点：NP由于粒度很小，可在微生物感染机体引发炎症时进入感染部位。如果其表面进行化学修饰（如接上聚乙二醇长链），则可长时间在血液中循环，有利治疗。2）NP用于抗感染药物的载体 应用一抗菌素真菌药物两性霉素57纳米载体提高多肽蛋白类药物的药力的几个方面1）纳米载体可通过小肠的peyer结而进入循环系统；2）能增加难溶药物的溶解度和溶出速度，也能增加与肠胃壁的接触，从而增加吸收的机会，提高难溶性药物的生物利用度；3）纳米粒子能能被十二指肠的微绒毛所捕获，可延长药物与细胞壁的接触时间，提高药物的吸收速率和吸收率；4）纳米载体可保护多肽蛋白类药物不被酶或酸碱催化降解。纳米载体提高多肽蛋白类药物的药力的几个方面1）纳米载体可通过58（3）NP用于多肽蛋白类药物的载体多肽蛋白类药物口服吸收差的主要原因l肠胃道酸碱环境的催化降解；l消化道酶的催化降解；l生物大分子分子太大，不能通过肠胃道的粘膜；l吸收进入血液后在肝脏有道过性代谢作用。纳米粒子包裹的药物可作为持久的口服药物载体，提高生物利用度避免了被包裹药物受到胃酸和分解蛋白酶的作用。未来药品的主流之一：解决注射多肽蛋白类药物带来的痛苦和半衰期短的问题。（3）NP用于多肽蛋白类药物的载体多肽蛋白类药物口服吸收差59（4）NP用于眼科药物的载体特点NP能够有效地增加药物对角膜的渗透，增加药物在房水和角膜组织中的浓度，药效提高，作用时间延长，有时还可提高药物的稳定性。例如，将匹罗卡品用聚氰基丙烯酸正丁脂制备成100200nm的NP，药物包封率为10%18%，在动物眼部用药后，房水中药物浓度增加23%，药物的消除速度变小，眼内压的下降也可持续更长的时间。（4）NP用于眼科药物的载体特点NP能够有效地增加药物对角膜602、特殊纳米给药系统指除了普通的NP外，随研究的深入而开发的长循环NP、固体脂质NP、免疫NP、磁性NP、热敏感NP、PH敏感NP、光敏感NP给药系统。结合下面纳米药物载体2、特殊纳米给药系统指除了普通的NP外，随研究的深入而开发的61缓释药物，从而延长药物作用时间；缓释药物，从而延长药物作用时间；达到靶向输送的目的；达到靶向输送的目的；在保证药物作用的前题下，减少给药剂量，在保证药物作用的前题下，减少给药剂量，减轻或避免毒副反应；减轻或避免毒副反应；提高药物的稳定性，有利于储存；提高药物的稳定性，有利于储存；建立一些新的给药途径等。建立一些新的给药途径等。纳米粒子和纳米胶囊作为药物载体的优越性纳米粒子和纳米胶囊作为药物载体的优越性二、纳米药物载体纳米药物载体纳米粒子和纳米胶囊作为药物载体的优越性二、纳米药物载体62(1)较高的载药量;(2)较高的包封率;(3)适宜的制备与提纯方法;(4)载体材料可生物降解,无生物毒性;(5)适当的粒径与粒形:平均粒径30 nm,最优在15 nm,粒径均匀(粒径分布窄)=30%;(6)较长的体内循环时间其它：在水溶剂中悬浮稳定,不易产生絮凝;具有着色性,特别作为靶向对比剂和指示剂;作磁靶向的纳米药物载体,最好是强超顺磁体。理想的纳米药物载体的性质理想的纳米药物载体的性质:(1)较高的载药量;理想的纳米药物载体的性质:63靶向药物技术的研究靶向药物技术的研究:研究目的研究目的:提高靶区的药物浓度提高靶区的药物浓度.提高药物提高药物的利用率和疗效以及降低药物副作用的问题的利用率和疗效以及降低药物副作用的问题:A.A.物理化学导向物理化学导向:利用药物载体的pH敏、热敏、磁性等特点在外部环境的作用下(如外加磁场)对肿瘤组织实行靶向给药。例如:磁性纳米载体在生物体的靶向性是利用外加磁场，使磁性纳米粒在病变部位富集，减小正常组织的药物暴露，降低毒副作用，提高药物的疗效。磁性靶向纳米药物载体主要用于恶性肿瘤、心血管病、脑血栓、冠心病、肺气肿等疾病的治疗。靶向药物技术的研究:研究目的:提高靶区的药物浓度.提高药64B.B.生物导向生物导向：利用抗体、细胞膜表面受体或利用抗体、细胞膜表面受体或特定基因片段的专一性作用，将配位子结合特定基因片段的专一性作用，将配位子结合在载体上，与目标细胞表面的抗原性识别器在载体上，与目标细胞表面的抗原性识别器发生特异性结合，使药物能够准确送到肿瘤发生特异性结合，使药物能够准确送到肿瘤细胞中。细胞中。l 物理化学导向在实际应用中缺乏准确性，很难确物理化学导向在实际应用中缺乏准确性，很难确保正常细胞不受到药物的攻击保正常细胞不受到药物的攻击,而生物导向可在而生物导向可在更高层次上解决靶向给药的问题更高层次上解决靶向给药的问题.靶向技术研究靶向技术研究:如何让药物瞄准病变部位如何让药物瞄准病变部位?纳米药物载体的研究有效地解决了这一问题纳米药物载体的研究有效地解决了这一问题.B.生物导向：利用抗体、细胞膜表面受体或特定基因片段的专一性65纳米靶向药物主要分为：纳米靶向药物主要分为：主动靶向药物 某些特殊的克隆抗体对某些细菌和组织具有选择性主动的亲合力(攻击能力)；被动靶向药物 以长循环脂质微球为载体；磁控靶向药物 以磁性纳米微粒为载体，在外磁场作用下，达到选择性位置和指定细胞；智能靶向药物 自动辨别、治疗药物、计算机三方面的纳米组装的医药机器人。纳米靶向药物主要分为：66几种常见的纳米药物载体纳米药物载体(1)纳米磁性颗粒；(2)高分子纳米药物载体:高分子生物降解性药物载体或基因载体；(3)纳米脂质体“生物导弹”；(4)纳米智能药物载体 几种常见的纳米药物载体(1)纳米磁性颗粒；67几种常见的纳米药物载体纳米药物载体(1)纳米磁性颗粒纳米磁性颗粒:例如磁性阿霉素白蛋白纳米粒高效磁导向性的研究,葡萄糖包覆的纳米氧化铁作为基因载体的研究等.目前最成功的研究是在恶性肿瘤的诊断和治疗方面.用外加磁场进行定向定位固定磁性粒子,然后利用顺磁或超顺磁性的纳米铁氧体颗粒在外加磁场的作用下温度上升4050度的特性,使用交变电场加热磁性粒子杀死癌细胞.几种常见的纳米药物载体(1)纳米磁性颗粒:68通过静脉注射纳米氧化铁造影剂后，氧化铁颗粒被血液带到身体各部，只是在肝脏和脾脏被网状内皮细胞内的巨噬细胞吸收。在磁共振图象中，正常组织吸收纳米氧化铁表现为黑的低信号，病灶则不吸收纳米氧化铁表现为亮的高信号。通过静脉注射纳米氧化铁造影剂后，氧化铁颗粒被血液带到身体各部69几种常见的纳米药物载体纳米药物载体(2)高分子纳米药物载体:高分子生物降解性药物载体或基因载体.通过降解,载体与药物基因片段定向进入靶细胞之后,表层的载体被生物降解,芯部但是药物释放出来发挥疗效,避免了药物在其他组织中释放.通过对疫苗的包裹,提高疫苗的吸收和延长作用时间.用于基因的输送,进行细胞的转染等.几种常见的纳米药物载体(2)高分子纳米药物载体:高分子生物降70纳米材料在生物医学领域的应用培训课件71纳米材料在生物医学领域的应用培训课件72纳米材料在生物医学领域的应用培训课件73几种常见的纳米药物载体纳米药物载体(3)纳米脂质体“生物导弹”:新一代靶向药物技术.利用脂质体的独有特性,将毒副作用大,在血液中稳定性差,降解快的药物包裹在脂质体内,根据病灶部位血管内皮细胞间隙较大,脂质体药物可透过间隙到达病灶部位,在病灶部位堆积释放,从而达到定向给药.由于脂质体主要辅料为磷脂,后者在血液中消除极为缓慢,因此脂质体药物在血循环系统保留时间长,使病灶部位得到充分治疗.利用该技术可将一大批已知高毒性药物安全有效地用于临床:抗癌药,抗生素类药,抗真菌类药,抗寄生虫类药,蛋白质或多肽类药物等.几种常见的纳米药物载体(3)纳米脂质体“生物导弹”:74几种常见的纳米药物载体纳米药物载体(4)纳米智能药物载体:就是在靶向给药的基础上,设合成缓释药包膜,结合纳米药物粒子和智能释药的优点,用纳米技术完成智能纳米缓释药的目的:即除定点给药外,还能根据用药环境的变化,自我调整对环境进行自动释药.其制备就是通过对纳米药物载体的结构设计,合成,制备出具有智能释药能力的纳米药物载体.几种常见的纳米药物载体(4)纳米智能药物载体:75纳米智能药物载体的种类A.纳米识别基因载体纳米识别基因载体;这类药物本身带有对肿瘤细胞职别的基因,进入人体后,识别基因自动寻找肿瘤细胞,然后固定不动，进行释药.因此,如果有某一肿瘤的识别基因,就可通过纳米技术制成纳米药物载体.例如用于乳腺癌.B.纳米识别蛋白载体纳米识别蛋白载体;与上类似,识别蛋白具有对特殊肿瘤识别的能力,当带有识别蛋白的纳米药物载体进入人体后,识别蛋白自动寻找目标进行定位,用于诊断或载有药物时进行定点释药.例如用于前列腺癌.C.纳米高分子控释载体纳米高分子控释载体.目的是在定点给药的同时,定量给药.在材料的选择和药物载体的制备过程中,就已设计好药的半衰期和药物适应给药的环境因素对载体的影响,使之控制给药浓度和给药时间.纳米智能药物载体的种类A.纳米识别基因载体;这类药物本身76纳米药物载体的主要制备方法纳米药物载体的主要制备方法1.高分子材料对药物的包覆高分子材料对药物的包覆;把药物溶解分散后加入高分子进行包覆.2.高分子与药物的嵌段结合高分子与药物的嵌段结合;所用高分子一般为蛋白质,对具有可以和蛋白质反应的药物进行嵌段,然后在人体中载体崩解进行释药.3.空白脂质体吸附药物空白脂质体吸附药物;把药物溶解混入脂质体中,使之吸附得到纳米药物脂质体.4.药物包覆脂质体药物包覆脂质体;把药物分散,然后在药物体系中进行脂质体的制备,可对药物进行层层包覆.纳米药物载体的主要制备方法1.高分子材料对药物的包覆;把药77(一)癌症治疗(二)基因载体(三)疫苗辅剂(四)细胞内靶向给药(五)定量给药(六)口服用药(七)眼科用药(八)定位显影剂纳米药物载体的应用举例纳米药物载体的应用举例(一)癌症治疗纳米药物载体的应用举例78(一)癌症治疗纳米颗粒用于抗肿瘤药物的载体l通过纳米颗粒的作用，一方面改变药物在体内的分布和药物动力学的特征，提高药物对肿瘤部位的靶向性，提高疗效，并降低毒副作用。l另一方面，肿瘤部位的细胞通透性处在亢进状态，抗癌药物在血液循环中存在的时间越长，越有利于肿瘤的治疗。(一)癌症治疗纳米颗粒用于抗肿瘤药物的载体l通过纳米颗粒79