纳米生物材料-课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,纳米生物材料,纳米生物材料,1,一，纳米材料的概述,纳米技术简介,纳米技术在世界各国的情况,纳米技术在当代中国的发展,一，纳米材料的概述纳米技术简介,2,1.1 纳米及纳米技术,1,纳米,(nm):1毫米(mm)的百万分之一,1 nm=10,-6,mm=10,-9,m(=10),大约等于十个氢原子并列一直线的长度。,人类头发的直径大约有,6万,至,8万纳,米。,1.1 纳米及纳米技术1纳米(nm):1毫米(mm)的百,3,纳米生物材料-课件,4,1.1 纳米及纳米技术,所谓纳米技术，是指在0.1100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子运动规律和特性以及对物质和材料进行处理的技术被称为纳米技术。,纳米生物医用材料是指用于对生物医用材料进行诊断、治疗、修复或替代其病损组织、器官或增进其功能的新型高科技,纳米材料。,1.1 纳米及纳米技术所谓纳米技术，是指在0.1100纳,5,纳米技术在世界各国的情况,1981年科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，原子、分子世界从此可见。,1990年首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，纳米技术形式诞生。,1991年碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的10倍，成为纳米技术研究的热点。,纳米技术在世界各国的情况1981年科学家发明研究纳米的重要,6,2.1 国外纳米技术进展,朗讯公司和牛津大学:纳米镊子,碳纳米管,“,秤,”,，称量一个病毒的重量,称量单个原子重量的,“,纳米秤”,2.1 国外纳米技术进展朗讯公司和牛津大学:纳米镊子,7,2.1 国外纳米技术进展,1990,年，IBM公司用原子排出,“IBM”,镍基底,上用35个氙原子排列成英文,IBM,纳米存贮器及DNA开关,2.1 国外纳米技术进展1990年，IBM公司用原子排出“I,8,纳米技术在当代中国的发展,1993,年，,中科院,操纵原子写字,国家纳米科技发展纲要,（2001-2010）和,国家纳米科技发展指南框架,纳米技术在当代中国的发展1993年，中科院操纵原子写字,9,1.2 纳米材料的基本效应,界面效应,尺寸效应,量子效应,费米能级附件的电子能级由准连续变为离散能级的现象,1.2 纳米材料的基本效应界面效应,10,1.,界面效应,纳米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构不同于大块晶体材料，使纳米材料的自由能增加，纳米材料处于不稳定状态。,表面效应 是指微粉的粒径越小，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剧增大。如当粒径为10 nm(总原子数为3104)时，表面原子数总原子数=0.20；而当粒度减小到l nm(总原子数为30)时，这一比值急剧上升到0.991表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同，具有很大的活性；晶粒的微粒化随着这种活性的表面原子增多，使其表面能也大大增加。,1.界面效应 纳米材料由于大量的原子存在于晶界和,11,1.,界面效应,2.体积效应主要表现在两个方面：一是物质体积的缩小虽不会引起物质物性基本参量的变化，但会使那些与体积有关的物性发生变化，如磁体的磁畴变小，半导体中电子的自由路程变短，等等；二是物质一般具有由无限个原子组成的物质属性，而纳米粒子则表现出有限个原子集合体的特性。,1.界面效应2.体积效应主要表现在两个方面：一是物质体积的,12,1.,尺寸效应,晶体周期性的边界条件遭破坏，颗粒表面层附近原子密度减小，从而导致声、光、电磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。,可以分为特殊的光学性质，热学性质，磁学性质，力学性质，电学性质。,1.尺寸效应晶体周期性的边界条件遭破坏，颗粒表面层附近原子密,13,四大特点,:尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大,。,四个方面应用,:,(1).纳,米电子学,:拥有崭新,功能的电子仪器，有高速度及低能量消耗的优点,;,(2).纳米,材料科学,(3).纳,米生物学,:,包括去氧核糖核酸,(DNA),和核糖核酸,(RNA),的基因图谱,(4).纳,米医学,:发明,、设计及生产纳米级的新药物。,1.3 特点及应用,四大特点:尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。1,14,纳米生物材料-课件,15,纳米颗粒的应用,1力学性能的应用,纳米颗粒具有大的比表面积，活性大并具有高的扩散速率，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高力学性能。近年来，用纳米颗粒强化为目的的纳米陶瓷材料得到较大进展，为陶瓷材料的发展提供了生机，大量以纳米颗粒为原料或添加料的超硬、高强、高韧、超塑性材料相继问世,纳米颗粒的应用1力学性能的应用,16,2磁学性能的应用,纳米微粒尺寸进入一定临界值时就转入超顺磁性状态，例如,-,Fe、Fe,3,0,4,和,-,Fe,2,0,3,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具有高的矫顽力、巨磁电阻、magnetocaloric效应等性能。因此可用于制备磁致冷材料、水磁材料、磁性液体、磁记录器件、磁光元件、磁存储元件及磁探测器等磁元件。,2磁学性能的应用纳米微粒尺寸进入一定临界值时就转入超顺磁性状,17,3电学性能的应用,纳米颗敞在电学性能方面也出现了一些独特性。例如纳米金属颗粒在低温下呈现绝线性，纳米钦酸铅、铁酸钡和钦酸钓等颗粒由典型的铁电体变成了顺电体。可以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,3电学性能的应用纳米颗敞在电学性能方面也出现了一些独特性。例,18,4光学性能的应用,纳米颗粒可表现出与同质的大块物体不同的光学特性，例如宽频带强吸收、蓝移现象及新的发光现象，从而可用于光反射材料、光通讯、光存储、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。,4光学性能的应用纳米颗粒可表现出与同质的大块物体不同的光学特,19,5敏感性能的应用,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，因此可用来制作敏感度高曲超小型、低能耗、多功能传感器。,以氧化锡为基体材料，并掺入适当的催化剂或填加剂，可制得对酒精、氢气、硫化氢、一氧化碳和甲烷等气体具有选择性敏感性能的气敏元件。氧化锡对气体灵敏度高低与材料的比表面积有关，通常比表面积越大，气体灵敏度越高。纳米氧化锡颗粒具有明显优越性能，具有更高的气体灵敏度。目前用纳米SnO,2,颗粒膜制成的传感器已经实用化，可用作气体泄漏报警器和湿度传感器，并且可以随着温度的变化有选择地检测多种气体。,TiO,2,陶瓷材料不仅对O,2,、CO、H,2,等气体有较强的敏感性，而且还可作为环境湿度传感器。,5敏感性能的应用纳米颗粒表面积巨大，表面活性高，对周围环境(,20,纳米生物材料学的制备方法,1.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 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒，但产品纯子。,(3)机械球磨法 采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。,纳米生物材料学的制备方法1.物理方法,21,纳米生物材料学的制备方法,2.化学方法,1),气相沉积法,利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。,(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。,(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。,(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。,(5),微乳液法,两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。,纳米生物材料学的制备方法2.化学方法,22,2 纳米材料在生物医学上的应用,纳米载体,纳米生物器件,纳米生物组织工程,纳米医药,2 纳米材料在生物医学上的应用纳米载体,23,纳米载体,纳米药物载体,纳米基因载体,纳米载体纳米药物载体,24,纳米药物载体,1 普通载药纳米微粒,这种剂型的出现背景是基于将一些药物通过药剂学和纳米技术的高度结合，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的药物经特殊的方法高度分散于药物载体中，制成载药纳米微粒，用液体载体的流动形式给药，从而避免了所提到的缺点。,纳米药物载体1 普通载药纳米微粒,25,2 控释载药纳米微粒,纳米控释系统包括纳米粒子和纳米胶囊，它们是粒子在10一500nm间的固体胶态粒子。它与以往的控释制剂不同，载药纳米微粒的控释过程具有其特定的规定，囊壁溶解和微生物的作用，均可使囊心物质向外扩散。将药物制成纳米制剂后，不但达到缓控释效果，而且改变其药物动力学的特性，使一些免疫系统的慢性病能得到更好的治疗。,2 控释载药纳米微粒 纳米控释系统包括纳米粒子和纳米胶囊，它,26,3 靶向定位载药纳米微粒,靶向药物能完成从靶器官、靶细胞到最为先进的细胞内结构的三级靶向治疗，从而达到病灶部位缓慢释放药物，维持长期局部有效的药物浓度。此类微粒是根据临床需要，通过选用对机体各种组织或病变部位亲和力不同的载体制作载药微粒或将单克隆抗体与载体结合，以使药物能够输送到治疗期望达到的特定部位，因而称之为靶向定位给药。,3 靶向定位载药纳米微粒 靶向药物能完成从靶器官、靶细胞到最,27,4 载药磁性纳米微粒（,物理靶向,）,载药磁性微粒是在微囊基础上发展起来的新型药物运载系统。这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子作为药物载体静脉注射到动物体(小鼠、白兔)内后，在外加磁场下，通过纳米微粒的磁性导航，使药物移向病变部位，达到定向治疗的目的。国内有实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实验后证实其具有抗体导向功能，并具有较高的磁响应性，具有较强的靶向定位功能，为靶向治疗肿瘤奠定了结实的基础。,4 载药磁性纳米微粒（物理靶向）载药磁性微,28,纳米基因载体,5 纳米微粒的基因治疗作用,一些特殊的纳米粒子可以进入细胞内结构达到基因治疗目的。,如：国外有人利用纳米技术可使DNA通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，有助于其对细胞核的有效入侵，而最后反粒DNA插入细胞核DNA的准确点则取决于纳米粒子的大小和结构。还有人研究了一种树突状物的多聚物，由于它有着精确的纳米结构和表面与内部都可以携带分子的特性使之成为一个很好的DNA导入细胞的载体。,纳米基因载体5 纳米微粒的基因治疗作用,29,纳米生物器件,一、纳米机器人)的研制,纳米机器人是纳米生物学中最具诱感力的内容。,动脉粥样硬化的治疗,机器人能够从动脉壁上清除粥样沉积物。这不仅会提高动脉壁的弹性,还会使通过动脉的血液流动状况得到改善。,纳米生物器件一、纳米机器人)的研制,30,在血管中运动的纳米机器人，它正在使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物,纳米生物材料-课件,31,纳米机器人在清理,血管中的有害堆积,物,-中国科学院合肥,研究院,的研究,中国科学院沈阳自,动化所研制,研制的,纳米微操作机器人,在1010微米的基片,上刻出的字样,纳米机器人在清理,32,肾结石、胆结石的治疗,将纳米机器人以插入导管的方式引入到尿道或胆道里内,直接到达结石所在的部位,并且直接把结石击碎。,肾结石、胆结石的治疗,33,2.纳米生物传感器,检查体内疾病,重庆科研人员开发的“OMOM胶囊内镜系统”估计三年内可以上市。,该医生长得 像一颗胶囊，,把它吞进肚里，,消化道内的情景,就可以像放电影,一样在电脑屏幕,上一 目了然,2.纳米生物传感器,34,纳米生物芯片,基因芯片,蛋白质芯片,纳米生物芯片基因芯片,35,基因芯片,基因芯片(gene chip)的原型是80年代中期提出的。基因芯片的测序原理是杂交测序方法，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序