生物纳米技术的概念PPT下载

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纳米生物技术学概述国家卫生部肝胆肠外科研究中心　　　　　　　　　主任国家卫生部纳米生物技术重点实验室　　　　　　　主任中国医师协会内镜医师分会　　　　　　　　　　　主席中南大学生物医学工程研究院　　　　　　　　　　院长中南大学湘雅医院外科　　　　　　　　　　　　　主任国家‘‘十一五“863计划专家委员会纳米生物技术　　专家 概 念纳米是尺寸或大小的度量单位：千米（103 ）→米→厘米→毫米→微米→纳米（ 10-9） 4倍原子大小万分之一头发粗细纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-7)到十亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工。  国内外现状纳米生物技术是目前国际生物技术领域的前沿和热点问题，在医药和现代农业领域有着广泛的应用和明确的产业化前景。美、日、德等先进国家均已将纳米生物技术作为21世纪的科研优先项目予以重点发展，一场新的国际纳米生物技术科技竞争已经开始。医药和农业领域纳米生物技术的研究尚处于起步阶段，但近几年在医药领域的研究已取得一定的进展。 总预算为505.21亿欧元的欧盟第七研发框架计划（2007-2013）将“纳米科学、纳米技术、材料和新制造技术”列为十大主题研究领域合作计划之一。 2003年美国科学年会的报告，纳米医学技术已经被列入美国的优先科研计划。现任总统布什 2003年12月签署的《21世纪纳米技术研究开发法案》，自2005财年开始的4年内，联邦政府将投入约37亿美元用于支持纳米技术研发工作。美国的优先研究领域包括：生物材料（材料-组织介面，生物相容性材料）仪器（生物传感器，研究工具）治疗（药物和基因载体），已有一种纳米药物载体通过了FDA批准并应用于临床。 2005年，全世界投入用于纳米技术研究和开发的资金便已超过50亿美元。 据报道，迄今为止全美国至少已有60种以上的药物新制剂以及90种左右的医疗器械、诊断试剂等新产品使用了纳米材料。 国际上纳米生物技术的研究范围涉及纳米生物材料、药物和转基因纳米载体、纳米生物相容性人工器官、纳米生物传感器和成像技术、利用扫描探针显微镜分析蛋白质和DNA的结构与功能等重要领域，以疾病的早期诊断和提高疗效为目标。 基因和药物纳米载体纳米药物载体（纳米微粒药物输送）技术是纳米生物技术的重要发展方向之一， 将给恶性肿瘤、糖尿病和老年性痴呆等疾病的治疗带来变革。利用纳米技术能够把新型基因材料输送到已经存在的DNA里，而不会引起任何免疫反应。按目前的认识，有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题，纳米晶体技术可将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，同时提高溶解性，以提高难溶性药物的药效率。 生物芯片技术 生物芯片是不同于半导体电子芯片的另一类芯片。半导体电子芯片是集成具有特定电子学功能的微单元，所形成的电子集成电路；而生物芯片则是在很小几何尺度的表面积上，装配一种或集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样，即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性，以及它们之间的相互作用，获得生命微观活动的规律。 美国东北大学发明了一种新的DNA检测技术，是利用DNA-金纳米颗粒的选择性以及目标DNA序列的连接，导致纳米颗粒在电极之间排列，从而通过电子信号来表示对不同DNA序列的响应。这种检测比以往的低聚核苷酸检测在灵敏度上提高了10倍，在选择性上则更高出了许多。并采用低聚核苷酸和Raman-活化染料为标记的金纳米颗粒探头专门检测DNA和RNA。这种表面增强Raman散射技术有飞摩尔探测极限，并且能在一种溶液中同时探测多种成分，将来有可能替代以分子荧光为基础的生物探测技术。 美国部分生物材料年耗量（件/年）（美国企业约有200-300个品种） 我国几种生物材料的市场需求统计　　　（我国企业仅有约50余种制品）常规生物医学材料的问题功能和寿命不能满足临床要求 医疗技术的发展: 通 用→个体化大创伤→微创伤 围绕人体的微细组成与结构，及其生物与功能特性开展纳米生物材料与检测技术研究分子马达分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备--"纳米直升机"。该设备共包括三个组件，两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件。其中的生物分子组件将人体的生物"燃料"ATP转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。 美国杜克大学研究人员利用自行组装的ＤＮＡ分子作为分子建筑材料，建造了支撑蛋白质的″纳米级″脚手架和金属线，其直径只有数十亿分之一米。这是在纳米级合成方面取得的重要成就，可能由此开发可编程的分子级传感器或电路。 以色列和美国的研究人员在制造分子马达的联合研究方面获得新进展。他们通过光或者电的驱动，可以使分子按照控制模式围绕一个轴旋转，并且能够停止或者暂停。这一成果将使纳米级的分子机械能够在一些较大机械无法应用的场合，例如一些外科手术中大显身手。 化学、物理学、生物学和计算机科学等多学科联合，在纳米级操作分子来调控生命系统：基因测序和基因表达检测等繁琐的劳动，通过应用纳米技术制造的表面装置和系统，工作效率将得到显著提高。纳米技术应用于新药的制造和作为药物载体，将极大地增加药物的治疗效果，一些以前不能应用于人体的化合物将成为新的药物。 纳米探针等新分析工具的研发成功，将进一步促进探明细胞的化学和机械特征，测定单个分子的特性。通过调节材料的纳米结构，可获得生物相容性和可高度控制、耐用的人体内植入物。人工无机物和有机物纳米级材料能进入细胞，发挥诊断作用。分子工程生产的可降解化学制剂可促进植物生长和抵抗病虫害。作为基因和药物的载体进入动物。 世界专利现状分析 国家863计划概况 国家863计划，即高技术研究发展计划 1986年3月，邓小平同志根据四位科学家的建议，为了迎接全球新技术革命和高技术竞争的战争，加快我国高技术及其产业的发展，亲自批准启动了我国高技术研究发展计划，即863计划。 国家“十五”863计划已开设了生物工程技术主题下的“纳米生物技术专题”、在新材料领域重大专项内设立了纳米生物技术重大课题，国家“十五”攻关也设立了纳米中药等项目，在恶性肿瘤治疗用纳米磁性材料与相关应用技术、纳米粒子靶向诊断与治疗技术、药物及治疗基因纳米粒制剂、纳米制剂的生物合成、纳米中药制剂等方面也开展了研究。 “十一五”863计划的发展战略承接国际产业转移，广泛利用华人资源和海外投资、海外市场，参与重大前沿技术和标准研发，引进、消化、吸收国外先进技术。提高自主创新、提升核心竞争力、建立相对独立技术体系、形成关键产业领域自主技术标准体系。抢占战略高技术制高点，突破重大产业发展、重大科技转化瓶颈性约束。整合发展资源、培育高技术中小创新企业。 “十一五”科技计划突出四个方面：从国家目标出发，树立全局观；从国民经济与社会发展、国家安全可持续发展对科技的重大需求入手，凝炼科技发展的重点；充分发扬民主、鼓励争鸣；充分利用已有的研究成果和宝贵经验。 “十一五”863计划的工作重点工作重点是在工作中突出产业化、信息化、国际化和自主创新。 “十一五”863计划 ---------纳米研究重点研究纳米材料的可控制备、自组装和功能化，纳米材料的结构、优异特性及调控机制，纳加工与集成原理，概念性和原理性纳器件，纳电子学，纳米生物学和纳米医学，分子聚集体和生物的光、电、磁性性质及信息传递，单分子行为与操纵，分子机器的设计组装与调控，纳米尺度表征与度量学，纳米材料和纳米技术在能源、环境、信息、医学等领域的应用。 我们1990年开展了纳米生物材料羟基磷灰石（HA）、磷酸钙等研究，1994年起开展了磁性阿霉素纳米药物载体治疗肝癌的前期研究，主要内容包括：纳米药物载体制备、载体在大鼠体内的分布、磁靶向性、对大鼠移植性肝癌的治疗效果等，已发表相关论文11篇。 壳聚糖-碳纳米载体是一种新型高效的基因载体，该载体系统对外源质粒DNA可提供完全的保护作用，使DNA结构保持完好，从而确保其在体内可能得以正常表达。（目前国内外研究的主要是碳纳米管） 组织相容性骨材料 卫生部纳米生物技术重点实验室采用国际上称为“绿色化学”技术来合成纳米生物活性材料。用于纳米生物医学材料合成的全部原料均为无毒并可被人体吸收的物质，包括反应溶剂。仿人体胶原纤维结构的纳米生物活性材料会更利于基因的携带、转染，也更利于被生物体吸收。同时携带基因的纳米生物材料较之普通的纳米生物材料会缩短修复时间，提高修复质量，增强骨组织功能，并能修复其他无基因材料所不能修复的损伤。 制备的纳米颗粒 聚乳化工艺形成的磁性阿霉素纳米粒的电镜照片磁性阿霉素纳米粒在磁场中的定向运动 未加磁场情况下，经肝动脉注射磁性阿霉素纳米粒30分钟后，正常肝组织及血管中未发现纳米粒的聚集施加磁场情况下，30分钟后正常肝组织的血管及肝窦中大量的纳米粒聚积未加磁场的肿瘤组织:肿瘤中可见少量分散的阿霉素纳米粒存在加磁场的肿瘤组织:肿瘤周围小动脉中可见大量纳米粒聚积加磁场，经磁性阿霉素纳米粒治疗，60天后肿瘤组织被纤维组织和无结构的组织所代替，找不到癌细胞的存在 研究目标 发展靶向药物缓释和定位治疗技术、疾病早期诊断和仿生组织修复材料与技术、生物制药产业的纳米化关键技术，以带动传统生物材料、医疗器械和制药产业的技术进步，提高我国生物医药产业的国际市场竞争力，促进相关研发中心、孵化器和基地建设。 研究内容 1)靶向治疗及药物缓释用纳米材料与技术 2)治疗病变和损伤组织的纳米生物材料与 技术 3)纳米生物传感器技术和生物纳米装置 4)用于高效生物分离、疾病（如癌症）早 期诊断的纳米材料 涉及的研究课题方向用于组织和器官修复的纳米材料生物活性纳米涂层、人工骨、骨板、骨钉、软骨、牙冠、皮肤、肌肉、肌腱、心血管及介入支架、血液净化（如纳米C，血清消毒膜）、透析材料及透析膜、抗血栓、凝血及防钙化涂层、防粘连材料、人工角膜、纳米人工器官、美容整形修复体等 涉及的研究课题方向纳米生物医药生物导弹（药物的器官及细胞靶向化）、纳米磁性高分子微球、靶向治疗纳米载体药物与制剂、可降解纳米药物控释（如治疗动脉和冠状动脉再狭窄）及基因（DNA核苷酸）转染（细胞）载体、细胞/基因/酶/生长因子的组织工程载体、降低眼内压的纳米眼药水、疫苗（抗原）缓释纳米载体等 涉及的研究课题方向纳米生物检测与传感器技术生物感官系统、生物芯片、纳米生化（细胞、心肌蛋白）分离基质与癌细胞、心脏病早期检测与辅助治疗、探测细胞内部生物化学反应、疾病早期诊断与防治、纳米生物分子机械、微孔反应器、生物酶催化剂载体、胎儿细胞分离与遗传缺陷检测、细菌/微生物过滤膜、纳米葡萄糖酶电极、超微量生物分子免疫检测用纳米材料、核磁照影用纳米材料、生物纳米材料与器械检测评价技术等 可光热转化的金属复合颗粒癌症治疗示意图 纳米药物载体 磁性/高分子微球靶向输运与治疗癌细胞早期诊断基因、蛋白等高效生物分离可降解纳米高分子微球药物缓释与控释微球的生物安全性评价 纳米载体的生物医学应用纳米磁微球 －使细胞分离更简单 －使癌症诊断更灵敏分子生物学全新的工具磁性载体的制备口腔纳米生物相容材料可注射根尖充填、牙槽肌增高制剂材料盖髓剂 –粘合剂 –补牙材料纳米生物活性涂层种植牙纳米陶瓷牙冠心血管介入支架材料 增长率：≈50% 纳米生物医学传感器 生物酶传感器血液氧生物传感器其他 纳米技术是21世纪科技发展的制高点，是新工业革命的主导技术。21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成为第5次推动社会经济各领域快速发展的主导技术。目前，纳米技术已经成为全世界关注的技术，纳电子代替微电子，纳加工代替微加工，纳米材料代替微米材料，纳米生物技术代替微米尺度的生物技术，认识和发展这一技术，将在未来经济竞争的格局中能占据有利地位。JeC红软基地