圖像引導(dǎo)的自適應(yīng)放療

1、夏邦傳夏邦傳 Nov 19，2011圖像引導(dǎo)放療進(jìn)展圖像引導(dǎo)放療進(jìn)展-自適應(yīng)放射治療自適應(yīng)放射治療何為自適應(yīng)放療？ 自適應(yīng)放療（adaptive radiation therapy, ART）是圖像引導(dǎo)放療（image-guided radiation therapy, IGRT）發(fā)展延伸出得一種新型放療技術(shù)。其實(shí)施是通過照射方式的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)患者組織解剖或腫瘤變化的調(diào)整，即通過引導(dǎo)圖像（如CT、EPID等）評(píng)判患者解剖和生理變化，或治療過程中所反饋信息如腫瘤大小、形態(tài)及位置變化，分析分次治療與原計(jì)劃設(shè)計(jì)之間的差異，從而指導(dǎo)后續(xù)分次治療計(jì)劃的重新設(shè)計(jì)。目的目的 提高腫瘤放療的精準(zhǔn)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤

2、靶區(qū)高劑量照射的同時(shí)，最大限度地減少周圍正常組織受到高劑量照射的可能性，進(jìn)而降低并發(fā)癥發(fā)生概率。內(nèi)容提要 一、ART概述 二、自適應(yīng)優(yōu)化的考慮 三、自適應(yīng)放療的過程 四、自適應(yīng)放療的臨床應(yīng)用 五、結(jié)語(yǔ)自適應(yīng)放療（ART）概述一、ART概述 自適應(yīng)放療：新鮮？陳舊？自適應(yīng)放療：新鮮？陳舊？ Mackie等于1993年發(fā)表了螺旋斷層治療（HT）設(shè)計(jì)思路的同時(shí)，就從理論上提出了利用其CT影像及劑量重建來(lái)修正對(duì)患者后續(xù)分次治療的設(shè)想，這是第1次提及劑量重建和基于治療時(shí)CT圖像所獲取信息的自適應(yīng)放療思想。 特別是近年來(lái)隨著三維適形放療和調(diào)強(qiáng)放療的開展，越來(lái)越多的研究者關(guān)注于腫瘤靶區(qū)定義的精確性和對(duì)正常組

3、織器官位置、大小和形狀的改變都會(huì)影響到放療的精準(zhǔn)性。 靶區(qū)外加邊界的形成靶區(qū)外加邊界的形成為了確保臨床靶體積（CTV）獲得足夠處方劑量，最簡(jiǎn)單方法是在CTV外加一個(gè)邊界形成計(jì)劃靶體積（PTV），而這一邊界則必須考慮到患者治療過程中的擺位誤差、器官運(yùn)動(dòng)以及器官變形。但這種外加邊界方法同時(shí)很有可能會(huì)增加正常組織受照射體積，從而引發(fā)靶區(qū)周圍關(guān)鍵器官的放射性反應(yīng)，進(jìn)而增加并發(fā)癥可能。ARTART概念的提出概念的提出很多研究者希望能在不漏射靶體積條件下最大限度減少外擴(kuò)邊界。為解決這一難題，1997年YAN等正式提出了ART概念。經(jīng)過10多年研究以及放療中影像設(shè)備的快速發(fā)展，ART技術(shù)已逐步成熟并正相繼開

4、展中。ARTART的定義的定義通過歸納總結(jié)可定義ART為一個(gè)閉循環(huán)的放療過程，能通過圖像來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的變化，繼而根據(jù)變化的反饋信息相對(duì)應(yīng)地重新優(yōu)化治療計(jì)劃。IGRTIGRT與與ARTART的異同的異同IGRTIGRT與與ARTART的異同的異同 圖1分別表示出IGRT和ART的流程圖，從中可發(fā)現(xiàn)雖然它們各自的時(shí)間順序有所改變，但在獲取患者診斷影像、計(jì)劃設(shè)計(jì)以及治療的基本功能方面是沒有區(qū)別的； ART所表現(xiàn)出的復(fù)雜性主要在于根據(jù)患者影像變化而改變治療計(jì)劃的反復(fù)循環(huán)工作流程上，其中的影像驗(yàn)證和計(jì)劃變換是實(shí)時(shí)、在線的就是在線式ART，非實(shí)時(shí)性的則是離線式ART。 在在IN-ROOM CTIN-ROOM

5、 CT上的應(yīng)用上的應(yīng)用CTVISION系統(tǒng)中所獲得的診斷級(jí)定位圖像可實(shí)現(xiàn)類似往常一樣的靶區(qū)及敏感器官勾畫。同時(shí)，這些圖像也可用于與治療時(shí)所獲取的日常驗(yàn)證圖像相關(guān)聯(lián)，從而予以執(zhí)行在線或離線式處理。圖2列出了自適應(yīng)放療中在CTVISION系統(tǒng)上使獲取圖像的流程圖 自適應(yīng)處理流程自適應(yīng)處理流程二、自適應(yīng)優(yōu)化的考慮二、自適應(yīng)優(yōu)化的考慮基于患者四維影像的計(jì)劃設(shè)計(jì)是基于患者四維影像的計(jì)劃設(shè)計(jì)是ART中關(guān)鍵性的中關(guān)鍵性的組成部分之一。本質(zhì)上，治療計(jì)劃設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)當(dāng)組成部分之一。本質(zhì)上，治療計(jì)劃設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)當(dāng)是一種四維處理過程。當(dāng)治療期間擺位和（或）是一種四維處理過程。當(dāng)治療期間擺位和（或）組織器官結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)

6、，應(yīng)考慮時(shí)間（一維）組織器官結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)考慮時(shí)間（一維）相位。這些變化也許發(fā)生在分次放療內(nèi)（分次內(nèi)相位。這些變化也許發(fā)生在分次放療內(nèi)（分次內(nèi)組織器官或擺位變化），或分次放療間（分次間組織器官或擺位變化），或分次放療間（分次間組織器官或擺位變化）。組織器官或擺位變化）。 傳統(tǒng)計(jì)劃設(shè)計(jì)的局限性傳統(tǒng)計(jì)劃設(shè)計(jì)的局限性傳統(tǒng)上講，通過采用代表患者的三維輪廓（典型CT圖像）實(shí)現(xiàn)了治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)，并假定治療期間這種輪廓將得以保持。該方法考慮到了組織器官和（或）擺位可能的改變，導(dǎo)致靶區(qū)和（或）敏感器官的外擴(kuò)邊界增加。即使在一些病例治療中此方法可能足夠，但在靶區(qū)覆蓋和正常組織避讓之間也許不能達(dá)到最后的權(quán)衡，

7、從而患者總劑量可能導(dǎo)致增加。 時(shí)間變量的考慮時(shí)間變量的考慮隨著圖像引導(dǎo)及其處理過程的有效性，放療中除實(shí)際沉積劑量外還取得了患者體位的時(shí)間變化參數(shù)，治療計(jì)劃優(yōu)化已本質(zhì)上獲得一種新維數(shù)，或者分次間（內(nèi)）可將時(shí)間合并作為可變量之一，從而用于確定如何和什么時(shí)候?qū)嵤?duì)治療的調(diào)整。1 1、治療分次內(nèi)的考慮、治療分次內(nèi)的考慮治療分次內(nèi)的變化是指在各分次治療過程中靶區(qū)位置或形狀隨時(shí)間的變化。臨床中從四維圖像系列可獲得呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)相，在計(jì)劃中形成出四維治療模式，并同時(shí)考慮患者位置和組織器官的改變。1 1、治療分次內(nèi)的考慮、治療分次內(nèi)的考慮該問題的最后表現(xiàn)就是運(yùn)用患者處于呼吸狀態(tài)中的信息形成治療計(jì)劃，然后將最優(yōu)化四

8、維計(jì)劃予以治療實(shí)施，其應(yīng)當(dāng)考慮患者位置和組織器官的反復(fù)改變狀態(tài)。對(duì)不同時(shí)相而言，當(dāng)組織器官變化導(dǎo)致其照射劑量增加時(shí)可通過腫瘤控制和組織并發(fā)癥發(fā)生概率間取得一種較好的折衷，即以這樣方式形成治療計(jì)劃。 1 1、治療分次內(nèi)的考慮、治療分次內(nèi)的考慮另外一種重要考慮就是也應(yīng)通過采用可變形的劑量配準(zhǔn)覆蓋組織的改變。因此，在四維計(jì)劃設(shè)計(jì)和治療實(shí)施討論特定執(zhí)行前應(yīng)描述出需取得該目標(biāo)的一些可變形配準(zhǔn)能力。 1 1、治療分次內(nèi)的考慮、治療分次內(nèi)的考慮圖圖3 3描述了不同時(shí)相圖像變形配準(zhǔn)的處理過程，描述了不同時(shí)相圖像變形配準(zhǔn)的處理過程，圖像中將每一相位映射到參考相位（圖中為第圖像中將每一相位映射到參考相位（圖中為第

9、1 1相位）圖中。該病例中采用了相位）圖中。該病例中采用了LULU等開發(fā)的變形等開發(fā)的變形配準(zhǔn)技術(shù)，這種技術(shù)非常有效且在肺癌病例中配準(zhǔn)技術(shù)，這種技術(shù)非常有效且在肺癌病例中提供了較好結(jié)果。提供了較好結(jié)果。對(duì)于螺旋斷層放療技術(shù)，對(duì)于螺旋斷層放療技術(shù)，ZHANGZHANG等作為呼吸同步等作為呼吸同步照射已描述了四維計(jì)劃的最簡(jiǎn)單實(shí)施和束流照照射已描述了四維計(jì)劃的最簡(jiǎn)單實(shí)施和束流照射。射。LULU等也相繼提出了實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)照射和等也相繼提出了實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)照射和自適應(yīng)算法的技術(shù)解決方案。自適應(yīng)算法的技術(shù)解決方案。2 2、治療分次間的考慮、治療分次間的考慮分次治療期間足夠的外擴(kuò)邊界在一定分次治療期間足夠

10、的外擴(kuò)邊界在一定程度上可對(duì)腫瘤劑量覆蓋與危及器官程度上可對(duì)腫瘤劑量覆蓋與危及器官保護(hù)之間提供一種較好的權(quán)衡。保護(hù)之間提供一種較好的權(quán)衡。然而，腫瘤和危及器官不可能總具有然而，腫瘤和危及器官不可能總具有同樣形狀、接受同樣劑量或處于相同同樣形狀、接受同樣劑量或處于相同位置，所以沉積劑量將會(huì)很明顯地隨位置，所以沉積劑量將會(huì)很明顯地隨時(shí)間而改變，并將與通常假定獨(dú)立于時(shí)間而改變，并將與通常假定獨(dú)立于時(shí)間的計(jì)劃相比較。時(shí)間的計(jì)劃相比較。三、自適應(yīng)放療的過程三、自適應(yīng)放療的過程放療每分次前、期間或之后在許多成像形式和照射技術(shù)間所選擇的可能性已經(jīng)開啟了放療計(jì)劃管理中許多可能的新事物。CTVISION系統(tǒng)中計(jì)劃

11、圖像可用于與分次治療前所獲取的日常引導(dǎo)圖像相關(guān)聯(lián)對(duì)比，從而可執(zhí)行在線或離線式處理。1 1、治療計(jì)劃產(chǎn)生、治療計(jì)劃產(chǎn)生 目前的治療計(jì)劃系統(tǒng)優(yōu)化算法是基于物理（即劑量）目標(biāo)函數(shù)，治療計(jì)劃的生物劑量評(píng)估及其生物優(yōu)化算法已在未來(lái)考慮之列。 通常調(diào)強(qiáng)治療多采用共面7野或9野等角度分布，無(wú)需避開直接對(duì)危及器官的照射，通過治療計(jì)劃系統(tǒng)的優(yōu)化可滿足特定劑量約束條件，在取得靶區(qū)劑量均勻性同時(shí)盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)正常組織的保護(hù)。 2 2、日常驗(yàn)證圖像的獲取、日常驗(yàn)證圖像的獲取基于CTVISION系統(tǒng)的IN-ROOM CT可獲得患者的驗(yàn)證CT圖像，從而實(shí)現(xiàn)每分次治療對(duì)患者位置的驗(yàn)證。通常驗(yàn)證CT掃描范圍需小于原始計(jì)劃CT影

12、像范圍，以降低不必要的輻射劑量及減少治療占機(jī)時(shí)間。但為了全程性地回顧各靶區(qū)及器官的受照劑量精確對(duì)比，采集驗(yàn)證CT影像條件需與原始計(jì)劃CT影像相同。3 3、ARTART評(píng)估和分析評(píng)估和分析（1）在線處理過程（2）離線處理過程（1）在線處理過程）在線處理過程 （1）在線處理過程：基于解剖結(jié)構(gòu)信息，利用在線）在線處理過程：基于解剖結(jié)構(gòu)信息，利用在線CT圖像可實(shí)施患者的重新擺位?，F(xiàn)代圖像可實(shí)施患者的重新擺位?，F(xiàn)代CT圖像性能不僅可辨高圖像性能不僅可辨高對(duì)比度組織如骨，而且也可對(duì)軟組織信息予以辨別。運(yùn)用對(duì)比度組織如骨，而且也可對(duì)軟組織信息予以辨別。運(yùn)用這些圖像可實(shí)施患者擺位的合適調(diào)節(jié)，一些情況下對(duì)擺位這

13、些圖像可實(shí)施患者擺位的合適調(diào)節(jié)，一些情況下對(duì)擺位偏差進(jìn)行校正是有必要的。特別的，患者擺位中觀察到的偏差進(jìn)行校正是有必要的。特別的，患者擺位中觀察到的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和所產(chǎn)生的變化，這也將有助于對(duì)分次間解內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和所產(chǎn)生的變化，這也將有助于對(duì)分次間解剖學(xué)變化給予一定的補(bǔ)救。如靶區(qū)、危及器官、骨組織和剖學(xué)變化給予一定的補(bǔ)救。如靶區(qū)、危及器官、骨組織和外部輪廓均相對(duì)于另一器官發(fā)生移動(dòng)時(shí)，可選擇性對(duì)患者外部輪廓均相對(duì)于另一器官發(fā)生移動(dòng)時(shí)，可選擇性對(duì)患者重新予以擺位，最初計(jì)劃的劑量分布將最能反映出所需擺重新予以擺位，最初計(jì)劃的劑量分布將最能反映出所需擺位的信息位的信息。 局限性局限性考慮解剖學(xué)變化而實(shí)現(xiàn)

14、對(duì)患者擺位的調(diào)節(jié)，其局限性在于實(shí)施可能位置變化的調(diào)節(jié)通常基于假設(shè)以剛性的患者（體）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。解剖組織結(jié)構(gòu)變化越多，也許越難以確保實(shí)現(xiàn)按照對(duì)患者原始治療計(jì)劃的實(shí)施。 可選方法可選方法原理上，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃再設(shè)計(jì)也許會(huì)是最好的選擇，但目前采用在線方式調(diào)整似乎是不太現(xiàn)實(shí)。因此，提議的一種可選方法就是對(duì)于每分次照射，在幾次有效的計(jì)劃變化之間選擇出可利用的治療前患者圖像。該過程的關(guān)鍵好處就是，由于可考慮組織器官的變化，它提供了在線劑量重新優(yōu)化的諸多優(yōu)勢(shì)，但所有必要的計(jì)算需治療前來(lái)完成。 治療計(jì)劃的選擇治療計(jì)劃的選擇 假如能預(yù)測(cè)或至少適當(dāng)?shù)仡A(yù)計(jì)患者解剖學(xué)變化的話，則預(yù)先可實(shí)行對(duì)治療計(jì)劃的準(zhǔn)備。處理過程從幾套輪廓

15、和（或）PTV外擴(kuò)邊界的形成開始，計(jì)劃的后續(xù)準(zhǔn)備適用于這些外擴(kuò)邊界或解剖學(xué)變化。治療時(shí)，執(zhí)行與日常組織器官相吻合最好的計(jì)劃。這種解決方法被稱為日常選擇的多種外擴(kuò)邊界優(yōu)化法。 另一種選擇另一種選擇 基于在線CT圖像，還可以采用另一種方法實(shí)現(xiàn)在線的優(yōu)化。這種方法的缺點(diǎn)之一就是需為調(diào)強(qiáng)放療每天勾畫出精確的器官輪廓。對(duì)于一定解剖部位而言，通過計(jì)劃CT和日常驗(yàn)證CT圖像之間所創(chuàng)建的扭曲形變可自動(dòng)地形成靶區(qū)和危及器官輪廓。這些形變圖可運(yùn)用原始計(jì)劃內(nèi)輪廓，產(chǎn)生出日常器官輪廓。然而，許多病例中如前列腺癌，每天勾畫出CTV靶區(qū)特別是頭腳方向，這似乎是不太容易。理想放療流程理想放療流程 在線性能和過程的有效性不僅

16、提供了圖在線性能和過程的有效性不僅提供了圖像引導(dǎo)像引導(dǎo)ART的可能性，而且潛在地提升的可能性，而且潛在地提升臨床放療標(biāo)準(zhǔn)的再定義。假如優(yōu)化算法臨床放療標(biāo)準(zhǔn)的再定義。假如優(yōu)化算法計(jì)算快，且足夠靈活地產(chǎn)生在線計(jì)劃，計(jì)算快，且足夠靈活地產(chǎn)生在線計(jì)劃，日常日?！皰呙?、計(jì)劃、再治療掃描、計(jì)劃、再治療”的理想放的理想放療流程將最終成為可能。療流程將最終成為可能。 （2 2）離線處理過程）離線處理過程 應(yīng)用每天圖像可離線地確定每分次治療中日常擺位和組織器官的改變，或一系列分次中影響靶區(qū)覆蓋和正常組織避讓情況。例如，在幾分次后通過定義關(guān)聯(lián)的特定患者所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)級(jí)別及其組織器官改變，從而可創(chuàng)建出患者特定的輪廓。

17、同時(shí)，對(duì)于肺部或頭頸部腫瘤而言，日常圖像有助于實(shí)施跟蹤腫瘤的縮小，而幾分次后該腫瘤縮小也許具有重要的臨床意義。實(shí)際劑量分布疊加實(shí)際劑量分布疊加 每分次治療前所獲取的圖像可用于勾畫出新輪廓和必要的重新劑量計(jì)算。為了整體分析計(jì)劃的需要，應(yīng)從多分次角度對(duì)治療劑量分布給予疊加，并將總劑量與所期待的計(jì)劃劑量分布進(jìn)行比較。問題問題 假如患者是剛性軀體的話，這一點(diǎn)可能很容易實(shí)現(xiàn)，然后實(shí)施在物理空間內(nèi)體素單元式劑量疊加。不幸的是，大多數(shù)病例中假定剛性軀體無(wú)法獲得，因而增加基于每體素單元的生物學(xué)劑量將變得更為適當(dāng)些。在這些病例中形成變形圖及使用所謂可變形的劑量配準(zhǔn)過程，這些均是必要的。 兩步法兩步法這應(yīng)是一個(gè)兩

18、步法過程：首先醫(yī)用金屬材料醫(yī)用金屬材料 臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料，由于有較高的強(qiáng)度和韌性，已成為骨和牙齒等硬組織修復(fù)和替換、心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官制造的主要材料。 化學(xué)周期表中的大部分金屬不符合生物材料的要求，僅有小部分或經(jīng)處理過的可用于臨床。目前在臨床使用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金三大類，另外還有記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮和鋯等。 醫(yī)用金屬材料醫(yī)用金屬材料 鐵基耐蝕合金（一般由鐵、鉻、鎳、鉬、錳、硅組成），易加工、價(jià)格低廉 。 不銹鋼的耐蝕性和屈服強(qiáng)度可以通過冷加工而提高，避免疲勞斷裂。 一般不銹鋼制成多種形體，如針、釘、髓內(nèi)針、齒冠、三棱釘?shù)绕骷腿斯?/p>

19、假體而用于臨床。不銹鋼不銹鋼醫(yī)用金屬材料醫(yī)用金屬材料 含有較高的鉻和鉬，又稱鈷鉻鉬合金，具有極為優(yōu)異的耐腐蝕性（比不銹鋼高40倍）和耐磨性，綜合力學(xué)性能和生物相容性良好，可通過精密鑄造成形狀復(fù)雜的精密修復(fù)體，有硬、中、軟三種類型。 臨床上主要用于人工關(guān)節(jié)（特別是人體中受載荷最大的髖關(guān)節(jié)）人工骨及骨科內(nèi)處固定器件的制造齒科修復(fù)中的義齒，各種鑄造冠、嵌體及固定橋的制造心血管外科及整形科等 由于其價(jià)格較高，加工困難，應(yīng)用尚不普及。鈷基材料鈷基材料醫(yī)用金屬材料醫(yī)用金屬材料 臨床應(yīng)用廣泛，其質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、力學(xué)性質(zhì)接近人骨、強(qiáng)度遠(yuǎn)低于純鈦，耐疲勞、耐蝕性均優(yōu)于不銹鋼和鈷基合金，且生物相容性和表面活性好，

20、是較為理想的一種植入材料。 抗斷裂強(qiáng)度較低，耐磨性能不盡人意，加工困難。冶煉及成型工藝復(fù)雜，要求條件較高。 主要用于：修補(bǔ)顱骨，制成鈦網(wǎng)或鈦箔用于修復(fù)腦膜和腹膜、人工骨、關(guān)節(jié)、牙和矯形物、人工心臟瓣膜支架、人工心臟部件和腦止血夾、口腔頜面矯形頜修補(bǔ)、手術(shù)器械、醫(yī)療儀器頜人工假肢等。鈦基材料鈦基材料醫(yī)用金屬材料醫(yī)用金屬材料 自1951年美國(guó)首次報(bào)道Au-Cd（金-鎘）合金具有形狀記憶效應(yīng)以來(lái)，目前已發(fā)現(xiàn)有20多種記憶合金，其中以鎳鈦合金在臨床上應(yīng)用最大。它在不同的溫度下表現(xiàn)為不同的金屬結(jié)構(gòu)相。如低溫時(shí)為單斜結(jié)構(gòu)相，高溫時(shí)為立方體結(jié)構(gòu)相，前者柔軟可隨意變形，如拉直式屈曲，而后者剛硬，可恢復(fù)原來(lái)的形

21、狀，并在形狀恢復(fù)過程中產(chǎn)生較大的恢復(fù)力。形狀記憶合金形狀記憶合金 (Shape Memory Alloys SMA)醫(yī)用金屬材料醫(yī)用金屬材料貴金屬貴金屬：貴金屬具有獨(dú)特穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能、優(yōu)異的加工特性、對(duì)人體組織無(wú)毒副作用、刺激小等優(yōu)良的生物學(xué)性能。主要用于口腔科的齒科修復(fù)，也可用于小型植入式電子醫(yī)療器械。純金屬純金屬：鉭，鈮，鉻等 醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料高分子材料是通過有方向的共價(jià)鍵結(jié)合而成的具有長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)高分子材料是通過有方向的共價(jià)鍵結(jié)合而成的具有長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的有機(jī)材料。的有機(jī)材料。舉例舉例: 聚乳酸聚乳酸醫(yī)用高分子材料：在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的、尤其能在機(jī)體內(nèi)使用的高分醫(yī)用高分子材料：在醫(yī)學(xué)上

22、應(yīng)用的、尤其能在機(jī)體內(nèi)使用的高分子材料。子材料。醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料 生物醫(yī)學(xué)高分子材料（Biomedical Polymer） 生物醫(yī)學(xué)高分子材料有天然的和合成的兩種，發(fā)展最快的是合成高分子醫(yī)用材料。 通過分子設(shè)計(jì)，可以獲得很多具有良好物理機(jī)械性和生物相容性的生物材料。 其中軟性材料常用作為人體軟組織如血管、食道和指關(guān)節(jié)等的代用品；合成的硬材料可以用作人工硬腦膜、籠架球形的人工心臟瓣膜的球形閥等；液態(tài)的合成材料如室溫硫化硅橡膠可以用作注入式組織修補(bǔ)材料。 醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料 人類機(jī)體的皮膚、肌肉、組織和器官都是由高分子化合物組成的，天然高分子生物材料是人類最早使用的醫(yī)用材料

23、之一。 天然材料具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)：功能多樣性、與機(jī)體的相容性、生物可降解性以及對(duì)其進(jìn)行改性與復(fù)合和雜化等研究。醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料目前天然高分子生物材料主要有：天然蛋白質(zhì)材料：膠原蛋白和纖維蛋白兩種天然多糖類材料：纖維素、甲殼素和殼聚糖等 甲殼素縫線的電鏡照片甲殼素縫線的電鏡照片 醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料甲殼素人工皮的電鏡照片甲殼素人工皮的電鏡照片 醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料合成高分子生物材料合成高分子生物材料 合成高分子生物材料是指利用聚合方法制備的一類生物材料。由于合成高分子可以通過組成和結(jié)構(gòu)控制而具有多種多樣的物理和化學(xué)性質(zhì)。 醫(yī)用高分子材料科學(xué)是一門新興的邊緣學(xué)科，是生

24、物醫(yī)學(xué)工程的一個(gè)主要分支，合成高分子材料已成為制造各種人工器官、軟硬組織修復(fù)體、醫(yī)用粘結(jié)劑、縫合線、人造血液等的最主要的也是用量最大的生物材料。醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍材料名稱材料名稱人造血管人造血管人造絲、尼龍、腈綸，硅橡膠、聚四氟乙烯人造絲、尼龍、腈綸，硅橡膠、聚四氟乙烯人工心臟人工心臟聚氨酯橡膠、硅橡膠、天然橡膠、聚甲基丙烯聚氨酯橡膠、硅橡膠、天然橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龍、聚四氟乙烯、滌綸酸甲酯、尼龍、聚四氟乙烯、滌綸人工心臟人工心臟瓣膜瓣膜聚氨酯橡膠、硅橡膠、聚四氟乙烯、聚甲基丙聚氨酯橡膠、硅橡膠、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯

25、烯酸甲酯、聚乙烯心臟起搏心臟起搏器器硅橡膠、聚氨酯橡膠硅橡膠、聚氨酯橡膠醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料人工食道人工食道聚乙烯醇、聚乙烯、聚四氟乙烯、硅橡膠聚乙烯醇、聚乙烯、聚四氟乙烯、硅橡膠人工氣管人工氣管聚乙烯、聚四氟乙烯、硅橡膠、聚乙烯醇聚乙烯、聚四氟乙烯、硅橡膠、聚乙烯醇人工輸尿管人工輸尿管聚四氟乙烯、硅橡膠、水凝膠聚四氟乙烯、硅橡膠、水凝膠人工頭蓋骨人工頭蓋骨聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、碳纖維聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、碳纖維人工喉人工喉硅橡膠、聚乙烯硅橡膠、聚乙烯人工膀胱人工膀胱硅橡膠硅橡膠人工血漿人工血漿右旋糖肝、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮右旋糖肝、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮人工眼球人工眼球

26、泡沫硅橡膠泡沫硅橡膠無(wú)機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料無(wú)機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料 18世紀(jì)初開始應(yīng)用。無(wú)毒、與生物體組織有良好的生物相容性、耐腐蝕。 包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大類，主要用于齒科、骨科修復(fù)和植入材料。 基本都是脆性材料，容易破裂，發(fā)展方向應(yīng)向開發(fā)復(fù)合（多相）生物材料以及在金屬基體上加涂無(wú)機(jī)生物陶瓷涂層（薄膜）材料的方面引導(dǎo)。 醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料雜化生物材料雜化生物材料 （Hybrid Biomaterials) 是由活體材料和非活體材料組成的復(fù)合體。它主要包括合成材料與生物體高分子材料或與細(xì)胞的雜化。從廣義上講，它包括所有的人工材料與生物體高分子和生理活性物質(zhì)的雜化。例如：膠原/聚乙烯醇

27、雜化材料，可增進(jìn)組織細(xì)胞的增殖膠原/葡萄糖膜上被覆一層硅橡膠可作為人工皮使用 雜化生物材料主要包括三類：用于組織結(jié)構(gòu)材料的多糖類等生理活性物質(zhì)雜化材料以固定酶為代表的功能性雜化材料雜化細(xì)胞醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料 生物材料的范圍生物材料的范圍高度交叉：是生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)交叉形成的邊緣學(xué)科。具體涉及到化學(xué)、物理學(xué)、高分子化學(xué)、高分子物理學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)、生理學(xué)、藥物學(xué)、基礎(chǔ)與臨床醫(yī)學(xué)、工程學(xué)等很多學(xué)科 。 生物材料的開發(fā)和研究已逐步轉(zhuǎn)向 復(fù)合型 雜化型 功能型：指在生理環(huán)境下表現(xiàn)為特殊功能的材料，形狀記憶材料，組織引導(dǎo)再生（Guided Tissue Regeneratio

28、n，GTR）材料。 智能型：指能模仿生命系統(tǒng)，同時(shí)具有感知和驅(qū)動(dòng)雙重功能的材料。感知、反饋和響應(yīng)是該材料的三大要素。將高新技術(shù)、傳感器和執(zhí)行元件與傳統(tǒng)材料結(jié)合在一起，賦予材料新的性能，使無(wú)生命的材料具有越來(lái)越多的生物特性。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外生物材料開發(fā)研究的主要趨勢(shì)，是致力于提高材料的生物相容性，致力于開發(fā)生物相容性好、更能適應(yīng)人體生理需要的新材料。 生物材料的發(fā)展趨勢(shì)生物材料的發(fā)展趨勢(shì) 在雜化生物材料的基礎(chǔ)上發(fā)展的。 組織工程是近年來(lái)一門新興的多學(xué)科交叉生命科學(xué)，目的是修復(fù)和再生受損組織或器官，幫助病人恢復(fù)受損組織的功能，提高生活質(zhì)量，解決器官短缺和免疫抑制等問題。 組織工程的定義：它利用工程學(xué)和

29、生命科學(xué)的基本原理，開發(fā)能恢復(fù)、維持或改善受損組織或器官功能的生物替代物。它綜合了細(xì)胞生物學(xué)、工程學(xué)、材料學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用活細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)或骨架構(gòu)造一個(gè)新的功能化組織或器官。 組織工程領(lǐng)域的研究包括新型聚合物的合成、信號(hào)傳導(dǎo)、培養(yǎng)細(xì)胞的基因調(diào)節(jié)和移植有關(guān)的免疫問題等。組織工程組織工程 組織工程研究的三個(gè)方面是：（1）替換被分離除去的細(xì)胞或功能發(fā)揮所需要的細(xì)胞替代物；（2）產(chǎn)生或傳遞組織誘導(dǎo)物質(zhì)，如生長(zhǎng)因子、信號(hào)分子等；（3）結(jié)合細(xì)胞與生物材料，具體是在基質(zhì)表面或內(nèi)部接種細(xì)胞 。 組織工程產(chǎn)品：皮膚組織、軟骨組織、腱組織、骨組織、心臟瓣膜、肝組織等。 組織工程組織工程納米醫(yī)學(xué)簡(jiǎn)介人類進(jìn)入納

30、米材料年代納米技術(shù)的起源Richard P Feynman 現(xiàn)代最偉大的理論物理學(xué)家之一 1956年 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1918-1988A biological system can be exceedingly small. Many of the cells are very tiny, but they are very active; they manufacture various substances; they walk around; they wiggle; and they do all kinds of marvelous things-all on a very smal

31、l scale. Also, they store information. Consider the possibility that we too can make a thing very small which does what we want-that we can manufacture an object that maneuvers at that level! Theres Plenty of Room at the BottomBy Richard Feynman, American Physical Society meeting at Caltech on Decem

32、ber 29, 1959. 納米技術(shù)的起源1959:如果對(duì)物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，物體就能得到大量的異乎尋常的特性 （費(fèi)曼）1974： 東京科學(xué)大學(xué)教授谷口紀(jì)男(Taniguchi Norio)率先提出Nanotechnology 這一術(shù)語(yǔ)，預(yù)測(cè)2000年加工精度可達(dá)到1nm1982： 掃描隧道顯微鏡被成功發(fā)明1984:德國(guó)學(xué)者格萊特(Gleiter)把粒徑6nm的金屬粉末壓成納米塊，并詳細(xì)研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，指出其界面奇異結(jié)構(gòu)和特異功能。1990： 第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩與第五屆國(guó)家掃描隧道顯微鏡學(xué)術(shù)會(huì)議同時(shí)舉行， 正式把納米材料科學(xué)作為材料 科學(xué)的一個(gè)新的分支公

33、布于世，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。1991： 碳納米管被發(fā)現(xiàn)和研制，其質(zhì)量為同體積鋼的1/6，強(qiáng)度為其10倍1999： 納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)逐步走向全面產(chǎn)業(yè)化，2000年納米產(chǎn)品的營(yíng)業(yè)額為500億美元。納米技術(shù)的起源與發(fā)展2015年：納米技術(shù)的市場(chǎng)潛力為1萬(wàn)億歐元全球的關(guān)注和投入日本： 2001年召開的“推進(jìn)重點(diǎn)領(lǐng)域戰(zhàn)略國(guó)家調(diào)查會(huì)”上，進(jìn)一步確定了未來(lái)納米技術(shù)發(fā)展的重要方向。德國(guó)： 從事納米技術(shù)研究與開發(fā)的歐洲公司，有近一半落戶于德國(guó)，德國(guó)政府為該領(lǐng)域每年提供大約3億歐元的支持美國(guó)： 2000年克林頓發(fā)表演指出廣泛開展納米尺度下科學(xué)和技術(shù)研究的重要性，國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃(NNI)的投資：1.16億美

34、元（1997）4.97億美元（2001）中國(guó)：國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要2006-2020年中將“納米材料和納米技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用”列入重大科學(xué)研究計(jì)劃 韓國(guó)、俄羅斯、新加坡納米技術(shù)給人類和社會(huì)帶來(lái)的影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算機(jī)革命 納米醫(yī)學(xué)納米醫(yī)學(xué)納米醫(yī)學(xué)：納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，即用工程化的納米器件或納米結(jié)構(gòu)從分子水平來(lái)監(jiān)控、修復(fù)、構(gòu)建或控制人體生物系統(tǒng)。特點(diǎn)：突出強(qiáng)調(diào)了從分子水平對(duì)人體生物系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)研究方向：Robert AF將納米醫(yī)學(xué)的研究方向歸納為96個(gè) 亞類，每個(gè)亞類又可分為幾十種研究方向。微機(jī)電系統(tǒng)：Micro-Electro-Mechanical systems （MEMS

35、）納米載藥系統(tǒng)：Drug Delivery System微機(jī)電系統(tǒng)MEMS：隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，具有體積小、精度高、性能穩(wěn)定、多功能和智能化等特點(diǎn)。MEMS涉及精密機(jī)械、微電子、材料學(xué)、微納加工、系統(tǒng)與控制等技術(shù)學(xué)科和物理、化學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，是一門多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科。 MEMS及其相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品已覆蓋從檢測(cè)、診斷到治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在細(xì)胞操作、介入治療、生物芯片、基因分析和遺傳診斷等各領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。無(wú)創(chuàng)或微創(chuàng)治療技術(shù)是現(xiàn)代醫(yī)療領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，因其具有微創(chuàng)和無(wú)創(chuàng)性，更兼具高精確性、可靠性和安全性、智能型等優(yōu)勢(shì)，MEM

36、S的研究成果及其應(yīng)用將對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展，對(duì)人類生活質(zhì)量的提高和社會(huì)福利的改善產(chǎn)生積極影響。MEMS在疾病診療中的應(yīng)用在糖尿病診療中的應(yīng)用用于藥物輸送或檢測(cè)的微加工針MEMS在疾病診療中的應(yīng)用糖尿病藥物輸送MEMS系統(tǒng)在糖尿病診療中的應(yīng)用MEMS在疾病診療中的應(yīng)用心血管疾病Restenosis: PTCA術(shù)后冠脈血管再狹窄MEMS在疾病診療中的應(yīng)用在心血管疾病中的應(yīng)用Dr. Julio Palamz血管支架發(fā)明人認(rèn)為支架材料和表面性能對(duì)血管再狹窄至關(guān)重要裸支架（I代）；藥物涂層支架（II代）；表面微處理支架（III代？）MEMS在疾病診療中的應(yīng)用消化道疾病膠囊結(jié)腸鏡 (GivensTM)膠囊

37、在通過消化道的7h內(nèi)傳遞5萬(wàn)張圖片， 經(jīng)無(wú)線電頻率發(fā)報(bào)器傳遞給外部接收帶。MEMS在疾病診療中的應(yīng)用癲癇癥、腦積水及神經(jīng)創(chuàng)傷中的應(yīng)用神經(jīng)電極脊髓再生的神經(jīng)假體 納米載藥系統(tǒng)納米載藥系統(tǒng)給藥方式對(duì)血藥濃度的影響納米載藥系統(tǒng)納米載藥系統(tǒng)納米藥物控釋系統(tǒng)：將藥物制備成納米級(jí)的膠體載體系統(tǒng)，控制藥物在特定的部位以特定的速率釋放。 納米載藥系統(tǒng)納米載藥系統(tǒng)可緩釋藥物，從而延長(zhǎng)藥物的作用時(shí)間；可達(dá)到靶向輸送的目的；可在保證藥物作用的前提下，減少給藥劑 量，從而減輕或避免毒副作用；可提高藥物的穩(wěn)定性，有利于儲(chǔ)存；可以提高藥物的生物利用度；可協(xié)助藥物跨過生物屏障；可用以建立一些新的給藥途徑。納米藥物控釋系統(tǒng)的

38、優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)納米載藥系統(tǒng)Caelyx 楷萊Doxil納米載藥系統(tǒng)單個(gè)的乳酸分子中有一個(gè)羥基和一個(gè)羧基,多個(gè)乳酸分子在一起形成聚合物,叫做聚乳酸。 聚乳酸也稱為聚丙交酯，屬于聚酯家族。聚乳酸的生產(chǎn)過程無(wú)污染，而且產(chǎn)品可以生物降解，實(shí)現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，因此是理想的綠色高分子材料。 常用醫(yī)用生物降解聚合物 聚乳酸（PLA） 聚乳酸/乙醇酸共聚物（PLGA） 溫敏聚乳酸水凝膠（MPEG-PLA、MPEG-PLGA） 聚乙二醇/聚乳酸共聚物(PLA-PEG-PLA、PLGA-PEG-PLGA) 聚己內(nèi)酯及共聚物（PCL，P(LA-CL) 聚三亞甲基碳酸酯及其共聚物（TMC、P(LA-TMC)） 聚對(duì)二氧

39、環(huán)已酮及其共聚物（PPDO、P(LA-PDO)） 納米載藥系統(tǒng)高分子納米載藥微球的制備、表征及應(yīng)用：以紫杉醇作為模型藥物 以以1.6億美元的銷售量位列美國(guó)億美元的銷售量位列美國(guó)2000年最獲商業(yè)化成年最獲商業(yè)化成功的抗癌制劑之一功的抗癌制劑之一 2002年年 2億美元億美元 2006年年 3.6億美元億美元 (紫杉醇紫杉醇 + 多烯紫杉醇多烯紫杉醇)納米載藥系統(tǒng) 乳化法（單乳化/復(fù)乳化） 單體聚合法, 噴霧干燥 超臨界流體技術(shù), 等 理化性質(zhì)表面形貌學(xué)(掃描電鏡、透射電鏡、原子力顯微鏡）粒徑分布(激光散射）表面電荷分析 (電勢(shì)）表面元素分析（XPS)藥物包封率(高效液相色譜）細(xì)胞實(shí)驗(yàn)細(xì)胞攝取細(xì)

40、胞存活率(MTT法）體內(nèi)實(shí)驗(yàn)藥物動(dòng)力學(xué)荷瘤動(dòng)物納米載藥系統(tǒng)納米載藥系統(tǒng) 聚乙烯醇聚乙烯醇 PVA 乳化乳化TPGSTPGS 乳化乳化乳腺癌細(xì)胞對(duì)納米紫杉醇的攝取 納米載藥系統(tǒng)02040608010012024487296Treatment time (hr)HT-29 cell viability (%)BlankTaxolTPGS(Measured)TPGS(Corrected)不同劑型的藥物對(duì)細(xì)胞存活率的影響納米載藥系統(tǒng)體內(nèi)藥物動(dòng)力學(xué)納米載藥系統(tǒng)*體內(nèi)抗腫瘤能力納米載藥系統(tǒng)納米介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)納米介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)納米材料表面可設(shè)計(jì)、修飾；診斷、治療同步化；多種治療模式的協(xié)同性腫瘤靶向治療腫瘤靶向治療利

41、用功能型載體，將能殺傷腫瘤細(xì)胞的介質(zhì)選擇性地運(yùn)送到腫瘤部位，把治療作用或藥物效應(yīng)盡量限定在特定的治療區(qū)域內(nèi)，而對(duì)正常細(xì)胞、組織或器官的功能不產(chǎn)生或產(chǎn)生可忽略的影響，在保證腫瘤治療效果的同時(shí)減少毒副作用。 腫瘤納米技術(shù) 對(duì)惡性腫瘤的預(yù)測(cè)對(duì)惡性腫瘤的預(yù)測(cè) (WHO)世界癌癥死亡率到世界癌癥死亡率到2020年將增加年將增加 50% 達(dá)到達(dá)到 1千千5百萬(wàn)例百萬(wàn)例亞洲癌癥死亡率到亞洲癌癥死亡率到2020年將增加年將增加60% 達(dá)到達(dá)到 7百百1十萬(wàn)例十萬(wàn)例中國(guó)也將有中國(guó)也將有550萬(wàn)新發(fā)癌癥病例，其中死亡人數(shù)將達(dá)萬(wàn)新發(fā)癌癥病例，其中死亡人數(shù)將達(dá)400萬(wàn)。萬(wàn)。 心血管疾病死亡率的啟示心血管疾病死亡率的啟

42、示58.1%心臟病心臟病癌癥癌癥美國(guó)近50年心臟病和癌癥死亡率的變化：1950 vs 2001腫瘤納米技術(shù)腫瘤納米技術(shù)美國(guó)衛(wèi)生及人類服務(wù)部美國(guó)衛(wèi)生及人類服務(wù)部(HHS)國(guó)立衛(wèi)生研究院國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)國(guó)家癌癥中心國(guó)家癌癥中心(NCI ) 腫瘤納米技術(shù)腫瘤納米技術(shù)“Cancer nanotechnology will radically change the way we diagnose, treat and prevent cancer” “腫瘤納米技術(shù)將從腫瘤納米技術(shù)將從根本上根本上改變?nèi)祟愒\斷、治改變?nèi)祟愒\斷、治療和預(yù)防癌癥的策略療和預(yù)防癌癥的策略” 人類基因組計(jì)劃人類基因組計(jì)劃(

43、human genome project, HGP)是由美國(guó)科學(xué)家于1985年率先提出，于1990年正式啟動(dòng)的。美國(guó)、英國(guó)、法蘭西共和國(guó)、德意志聯(lián)邦共和國(guó)、日本和我國(guó)科學(xué)家共同參與了這一預(yù)算達(dá)30億美元的人類基因組計(jì)劃。按照這個(gè)計(jì)劃的設(shè)想，在2005年，要把人體內(nèi)約10萬(wàn)個(gè)基因的密碼全部解開，同時(shí)繪制出人類基因的譜圖。換句話說(shuō)，就是要揭開組成人體4萬(wàn)個(gè)基因的30億個(gè)堿基對(duì)的秘密。人類基因組計(jì)劃與曼哈頓原子彈計(jì)劃和阿波羅計(jì)劃并稱為三大科學(xué)計(jì)劃。 1986年,諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Renato Dulbecco發(fā)表短文腫瘤研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)：人類基因組測(cè)序（Science, 231: 10551056）。文中指

44、出：如果我們想更多地了解腫瘤，我們從現(xiàn)在起必須關(guān)注細(xì)胞的基因組。 從哪個(gè)物種著手努力？如果我們想理解人類腫瘤，那就應(yīng)從人類開始。人類腫瘤研究將因?qū)NA的詳細(xì)知識(shí)而得到巨大推動(dòng)?！?腫瘤納米技術(shù)的進(jìn)展及應(yīng)用 在腫瘤診斷及檢測(cè)方面的應(yīng)用 在腫瘤成像方面的應(yīng)用 在腫瘤治療方面的應(yīng)用 納米技術(shù)用于腫瘤診斷及檢測(cè) Nano-ELISA Bio-Bar Code 生物條形碼技術(shù)磁性納米粒子、金納米粒子、量子點(diǎn)等納米技術(shù)用于腫瘤診斷及檢測(cè)生物條形碼技術(shù)之介質(zhì)構(gòu)建Bio-Bar Code用于前列腺腫瘤的早期診斷： (目標(biāo)蛋白:Prostate Specific Antigen PSA) 納米技術(shù)用于腫瘤診斷

45、及檢測(cè)生物條形碼技術(shù)之粒子富集及信號(hào)放大 納米技術(shù)用于腫瘤診斷及檢測(cè)生物條形碼技術(shù)之檢測(cè)結(jié)果利用bio-bar codes DNA標(biāo)記抗體，能大幅度提高檢測(cè)的靈敏度此分析方法避免了化學(xué)作用，僅通過DNA雜交、洗脫以及磁性分離，并直接檢測(cè)DNA Quantum Dots ( QDs) 量子點(diǎn)量子點(diǎn) （Luminescence Semiconductor nanocrystals 半導(dǎo)體納米晶體半導(dǎo)體納米晶體 ）準(zhǔn)零維準(zhǔn)零維(quasi-zero-dimensional)的的納米材料，由少量的原子構(gòu)成。量納米材料，由少量的原子構(gòu)成。量子點(diǎn)內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都子點(diǎn)內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到

46、局限，所以量子局限效應(yīng)受到局限，所以量子局限效應(yīng)(quantum confinement effect)特別特別顯著。量子局限效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致類似原顯著。量子局限效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致類似原子的不連續(xù)電子能階結(jié)構(gòu)，故量子子的不連續(xù)電子能階結(jié)構(gòu)，故量子點(diǎn)可用來(lái)作激光器的工作物質(zhì)，而點(diǎn)可用來(lái)作激光器的工作物質(zhì)，而量子點(diǎn)也因此被稱為量子點(diǎn)也因此被稱為“人造原人造原子子”(artificial atom)。納米技術(shù)用于腫瘤成像納米級(jí)超順磁性氧化鐵為磁共振陰性對(duì)比劑納米級(jí)超順磁性氧化鐵為磁共振陰性對(duì)比劑: Resovist 納米技術(shù)用于腫瘤成像納米技術(shù)用于腫瘤治療納米釋藥系統(tǒng)的臨床應(yīng)用納米近紅外光療法的臨床應(yīng)用磁感應(yīng)納米

47、熱療的臨床應(yīng)用Caelyx 楷萊Doxil納米技術(shù)用于腫瘤治療紫杉醇白蛋白納米粒 Abraxane力樸素金的發(fā)現(xiàn)金的發(fā)現(xiàn)：5000年前，保加利亞金溶膠的醫(yī)學(xué)應(yīng)用金溶膠的醫(yī)學(xué)應(yīng)用：古代中國(guó)和古代埃及Chrysotherapy:金療法 （水痘、皰疹、關(guān)節(jié)炎等）首篇關(guān)于納米金溶膠制備的文獻(xiàn)首篇關(guān)于納米金溶膠制備的文獻(xiàn)：1857年，法拉第“Michael Faradays recognition of ruby gold: the birth of modern nanotechnology” （米歇爾.法拉第對(duì)酒紅色金的認(rèn)知：現(xiàn)代納米技術(shù)的起源）納米材料在生物醫(yī)學(xué)上的首次應(yīng)用納米材料在生物醫(yī)學(xué)上的首

48、次應(yīng)用：1970年 Faulk, W.P. and Taylor, G. (1971) An immunocolloid method for the electron microscope. Immunochemistry 8, 1081-1083. 納米技術(shù)用于腫瘤治療納米技術(shù)用于腫瘤治療“Cancer nanotechnology will radically change the way we diagnose, treat and prevent cancer.”腫瘤納米技術(shù)可以從根本上改變?nèi)祟愒\斷、治療和預(yù)防癌癥的策略。 美國(guó)衛(wèi)生及人類服務(wù)部(HHS)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)國(guó)家癌

49、癥中心(NCI ) “Quae medicamenta non sanat; ferrum sanat. Quae ferrum non sanat; ignis sanat. Huae vero ignis non sanat; insanabilia reportari oportet”藥物治愈不了的疾病用手術(shù)，手術(shù)治愈不了的疾病，可以用熱來(lái)治；用熱不能治好的疾病，就無(wú)法治愈了。Hippocrates, 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)之父納米技術(shù)用于腫瘤治療Plasmonic photothermal therapy (PPTT)等離激元光熱療法、鐳射電漿光熱療法Near-infrared （NIR) phot

50、othermal therapy 近紅外光熱療法Photothermal therapy（光熱療法）：Photothermal interactions result from light energy conversion to heat within the tissue, potentially providing the sustained elevated temperatures required for hyperthermia therapies. Photothermal damage is characterized by mitochondrial swelling, p

51、rotein denaturation, loss of birefringence, edema, whitening, and tissue necrosis.光熱療法將光能在組織內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能，以期達(dá)到熱療所需的治療溫度。光熱療法以線粒體腫脹、蛋白質(zhì)變性、雙折射缺失、水腫、變白和組織壞死為其特征。納米技術(shù)用于腫瘤治療The primary absorbers in tissue are water, hemoglobin, oxyhemoglobin, and melanin. Light absorption by these components can lead to phototh

52、ermal tissue damage, but it is generally difficult to discriminate between normal and diseased tissues via these mechanisms.組織中基本的熱吸收物質(zhì)為水、血紅素、氧基血紅素和黑色素。-如何區(qū)分正常組織和腫瘤組織？Absorption of light is minimal in a near-infrared region (NIR) between approximately 700 nm and 900 nm, as this region is above the h

53、emoglobin absorption bands and below where absorption by water becomes significant. Thus, these wavelengths induce minimal heating in normal tissues.組織對(duì)波長(zhǎng)為700nm900nm 的近紅外光 (NIR)的吸收最小，血紅素對(duì)光的吸收譜帶高于此波段，而水對(duì)于低于此波段的光的吸收顯著。因此，選擇此波段的光對(duì)正常組織僅產(chǎn)生極小熱量。Photothermal therapy（光熱療法）納米技術(shù)用于腫瘤治療Photothermal therapy（光熱療法

54、）(750nm1100nm/805810nm)Near-infrared absorbing gold nanoshells have been extensively investigated for NIR photothermal therapy, with phase I human clinical trials ongoing. 納米金介導(dǎo)的光熱療法被廣泛研究，I期臨床試驗(yàn)在進(jìn)行中。Nanoshell, nanorod, nanocage, nanoparticles, nanoclusters納米殼、納米棒、納米籠、納米粒、納米簇形貌學(xué)(尺寸、大小等）顯著影響光波的吸收。納米技術(shù)

55、用于腫瘤治療Photothermal therapy（光熱療法）PNAS，2003， 100（23） 13549-13554The tumors receiving the nanoshell therapy experienced rapid temperature rises sufficient to cause irreversible tissuedamage temperatures of 50C were achieved within 30 s from the start of laser irradiation, while laser application to nea

56、rby healthy tissue or to tumors not treated with nanoshells did not induce a significant temperature increase.注入了納米殼的腫瘤組織在30秒內(nèi)溫度升高了50C，而健康組織或未注入納米殼的腫瘤組織溫度無(wú)明顯變化。納米技術(shù)用于腫瘤治療AMF (交變磁場(chǎng)）Targeted cancer treatment腫瘤局部治療Cancer treatment by inductive heating腫瘤磁感應(yīng)熱療Tumor infused with MNPs腫瘤部位注入磁納米介質(zhì)No harm to

57、the nearby organsNanothermotherapy or Magnetic Fluid Hyperthermia（納米熱療，或稱磁流體熱療）Heat up ferromagnetic nanomaterials under alternative magnetic field （AMF）交變磁場(chǎng)下鐵磁材料感應(yīng)發(fā)熱Organs or Tissues nearbyAMF (交變磁場(chǎng)）納米技術(shù)用于腫瘤治療時(shí)間時(shí)間事件事件1957195719761976199019901992199220022002200420042003-20052003-20052005200520062006

58、200720072007200720082008200920092009200920102010GilchristGilchrist等人首次描述磁感應(yīng)熱療的概念等人首次描述磁感應(yīng)熱療的概念 RandRand等人最早報(bào)導(dǎo)了應(yīng)用狗腎模型的磁感應(yīng)熱療等人最早報(bào)導(dǎo)了應(yīng)用狗腎模型的磁感應(yīng)熱療 KidaKida等人在日本進(jìn)行熱籽介導(dǎo)的等人在日本進(jìn)行熱籽介導(dǎo)的MIHMIH治療惡性膠質(zhì)瘤一期臨床試驗(yàn)治療惡性膠質(zhì)瘤一期臨床試驗(yàn)SteaStea等人在美國(guó)完成熱籽介導(dǎo)的等人在美國(guó)完成熱籽介導(dǎo)的MIHMIH治療惡性膠質(zhì)瘤一期臨床試驗(yàn)治療惡性膠質(zhì)瘤一期臨床試驗(yàn)Robert D.TuckerRobert D.Tucker

59、在美國(guó)完成熱籽介導(dǎo)的在美國(guó)完成熱籽介導(dǎo)的MIHMIH治療前列腺癌臨床試驗(yàn)治療前列腺癌臨床試驗(yàn)DegerDeger等人在德國(guó)報(bào)導(dǎo)了熱籽前列腺癌的等人在德國(guó)報(bào)導(dǎo)了熱籽前列腺癌的MIH IMIH I、IIII期臨床試驗(yàn)期臨床試驗(yàn) MagForce Nanotechnology AGMagForce Nanotechnology AG在德國(guó)進(jìn)行在德國(guó)進(jìn)行MFHMFH的的I I期臨床試驗(yàn)期臨床試驗(yàn)MagForce Nanotechnology AGMagForce Nanotechnology AG在德國(guó)進(jìn)行在德國(guó)進(jìn)行MFHMFH的的I I期臨床試驗(yàn)期臨床試驗(yàn)AkiyamaAkiyama等人在日本進(jìn)行食

60、道支架磁感應(yīng)熱療的臨床試驗(yàn)等人在日本進(jìn)行食道支架磁感應(yīng)熱療的臨床試驗(yàn)SaidaSaida等人在日本信州大學(xué)進(jìn)行磁流體熱療臨床試驗(yàn)等人在日本信州大學(xué)進(jìn)行磁流體熱療臨床試驗(yàn)JimbowJimbow等人在日本北海道醫(yī)學(xué)院進(jìn)行磁流體熱療臨床試驗(yàn)等人在日本北海道醫(yī)學(xué)院進(jìn)行磁流體熱療臨床試驗(yàn)TangTang等發(fā)展了等發(fā)展了MIHMIH的治療系統(tǒng)并應(yīng)用于臨床的治療系統(tǒng)并應(yīng)用于臨床MagForce Nanotechnology MagForce Nanotechnology 完成腦膠質(zhì)瘤的完成腦膠質(zhì)瘤的IIII期臨床試驗(yàn)期臨床試驗(yàn)經(jīng)磁感應(yīng)納米熱療后患者的尸檢報(bào)告首次發(fā)表經(jīng)磁感應(yīng)納米熱療后患者的尸檢報(bào)告首次發(fā)表