納米材料與生物技術(shù)new2

1、量子點(diǎn)納米晶的制備及其在生物分析中的應(yīng)用1量子點(diǎn) (Quantum dots)有時也叫納米晶，它是納米尺度原子和分子的集合體，一般粒徑范圍在220nm。量子點(diǎn)即是將材料尺寸在三維空間進(jìn)行約束，并達(dá)到一定的臨界尺寸（抽象成一個點(diǎn)）后，材料的行為將具有量子特性（類似在箱中運(yùn)動的粒子），結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也隨之發(fā)生從宏觀到微觀的轉(zhuǎn)變。量子點(diǎn)納米晶生物醫(yī)學(xué)2Quantum Dots ( QDs) 量子點(diǎn) （Luminescence Semiconductor nanocrystals 半導(dǎo)體納米晶體 ） 70 年代，量子點(diǎn)由于其獨(dú)特的光學(xué)特性,認(rèn)為其應(yīng)用主要集中在電子與光學(xué)方面 80 年代，生物學(xué)家已經(jīng)對量子

2、點(diǎn)產(chǎn)生了濃厚的興趣，但由于它的熒光量子產(chǎn)率低，工作集中在研究量子點(diǎn)的基本特性方面 1997 年以來，量子點(diǎn)制備技術(shù)的不斷提高, 量子點(diǎn)已越來越可能應(yīng)用于生物學(xué)研究。 量子點(diǎn)可作為生物探針是從1998年美國加州伯克利大學(xué)Alivisatos 印第安納大學(xué)的Nie兩個研究小組開始，此后量子點(diǎn)的功能進(jìn)一步被發(fā)現(xiàn)、推廣，使之成為生物學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。3納米粒子和生物分子的尺寸范圍4生物標(biāo)記技術(shù)（Biomarker）生物標(biāo)記技術(shù)的原理是將具有標(biāo)志性信號的材料，如不同顏色的染料分子，能發(fā)射強(qiáng)熒光的分子，具有磁性或放射性的分子等，通過化學(xué)鍵或非共價鍵和待識別的生物組織連接起來，從而直觀地觀察和分析被標(biāo)記物的

3、存在和變化。5目前有3種類型的納米粒子可做為熒光標(biāo)記1）具有光學(xué)活性的金屬納米粒子2）熒光納米球乳液（已商品化）3）發(fā)光量子點(diǎn)6長徑比不同的Au 納米棒的TEM 照片（上方），光譜（左下角）和照片（右下角）(a)1.35 0.32；(b) 1.95 0.34；(c) 3.06 0.28；(d) 3.50 0.29；(e) 4.42 0.237光鏡金銀免疫金銀染色標(biāo)記細(xì)胞表面標(biāo)志物的觀察結(jié)果（a）Siha 細(xì)胞中的HPV16病毒位置，HPV16病毒是子宮頸癌的標(biāo)志物（b）尖銳濕疣細(xì)胞中的HPV6/11病毒，由于病毒被大量感染，細(xì)胞被染成深色免疫金納米粒子細(xì)胞染色8普通膠體金標(biāo)記 免疫膠體金標(biāo)記免

4、疫金納米粒子細(xì)胞染色電鏡下觀察到的細(xì)胞的紡錘形微管9量子點(diǎn)在生物分析中的應(yīng)用 熒光分析法常用于臨床測定生物樣品中某些成分的含量，但若直接用熒光光譜法對它們進(jìn)行研究時，堿基和核酸的熒光量子效率很低，只有色氨酸、酪氨酸、和苯丙氨酸有天然熒光，因此檢測它們的最好方法還是利用各種熒光探針。 目前，應(yīng)用最為普遍的熒光探針是有機(jī)染料，但它們激光光譜都較窄，所以難同時激發(fā)多種組分，而其熒光特征譜又較寬，并且分布不對稱，最嚴(yán)重的缺陷是其光化學(xué)穩(wěn)定性差。10研究較多的量子點(diǎn)主要由II-VI族或III-V 族元素組成11(a) CdSe 量子點(diǎn)的發(fā)光和粒徑的關(guān)系；(b) CdSexTe1-x 的發(fā)光和組成的關(guān)系（

5、粒徑保持不變，5 nm)12單個波長可激發(fā)所有的量子點(diǎn),而不同染料分子的熒光探針需多個激發(fā)波長應(yīng)用范圍廣：可用于多領(lǐng)域和多儀器多種顏色：顏色取決于量子點(diǎn)的大小，在同一激發(fā)波長下，可發(fā)出多種激發(fā)光，達(dá)到同時檢測多種指標(biāo)的要求。抗光致漂白性安全：細(xì)胞毒性低，可用于活細(xì)胞及體內(nèi)研究熒光時間長：熒光時間較普通熒光分子長數(shù)千倍，便于長期跟蹤和保存結(jié)果13(a) 熒光素的激發(fā)譜和發(fā)射譜(b) CdSe量子點(diǎn)的激發(fā)譜和發(fā)射譜14三種不同尺寸的量子點(diǎn)的熒光光譜15熒光素和量子點(diǎn)標(biāo)記物的光穩(wěn)性比較16 與傳統(tǒng)的熒光探針相比，量子點(diǎn)的激發(fā)光譜寬，且連續(xù)分布，即不同大小的納米晶體能被單一波長的光激發(fā)而發(fā)出不同顏色的

6、光，而發(fā)射光譜成對稱分布且寬度窄，并且光化學(xué)穩(wěn)定性高，不易光解 。 量子點(diǎn)作為一種熒光探針在生物標(biāo)記及診斷領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。(Nature , 2001 , 413 : 450-452)Absorption and emission spectra of a series of size-selected CdSe nanocrystals. (Nature Biotechnology , 2001 , 19 : 621622)17量子點(diǎn)標(biāo)記過程示意18量子點(diǎn)的合成1 有機(jī)體系2 水相體系19 有機(jī)金屬前驅(qū)體溶液烷基金屬(如，二甲基鎘)和烷基非金屬(如，二-三甲硅烷基硒)主配體三辛基氧化

7、磷(TOPO)及溶劑兼次配體的三辛基磷Schematic procedure for the preparation of high quality nanocrystals via organometallic routes. (J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8706)有機(jī)金屬法20量子效率高 (可達(dá) 90 %)熒光半峰寬窄 (僅有 30 nm) 是目前合成高質(zhì)量量子點(diǎn)最成功的方法之一反應(yīng)條件過于苛刻，嚴(yán)格的無氧無水操作原料價格昂貴，毒性太大，且易燃易爆優(yōu)缺點(diǎn)21有機(jī)“綠色化學(xué)”法改進(jìn)的有機(jī)金屬法 選用毒性小的金屬氧化物(CdO)或鹽(Cd(OOCCH3)2，Cd

8、CO3) 選用長烷基鏈的酸、氨、磷酸、氧化磷為配體； 以高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑為介質(zhì)降低了成本和對設(shè)備的要求減少了對環(huán)境的污染Chem. Eur. 2002, 8, 334.22 大多數(shù)生物分子都是親水的，有機(jī)相中的納米晶必須通過進(jìn)一步的表面親水修飾才能具備生物親合性，親水修飾過程不但需要復(fù)雜的表面配體交換，而且會破壞量子點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)。1 有機(jī)體系2 水相體系23J. Phys. Chem. B 2002, 106, 7177.離子型前驅(qū)體，巰基小分子配體介質(zhì)為水24通過回流使納米晶逐漸成核生長，由于水的沸騰溫度為 100，納米晶沒有明確的生長界限導(dǎo)致量子點(diǎn)熒光半峰寬較寬，量子效率也較低，(僅有 31

9、0%)離心分級 (選擇性沉淀) 來提高其量子效率25水熱法制備 CdTe 納米晶為在水溶液中直接設(shè)計合成高質(zhì)量的納米晶開辟了新的途徑高溫加快了納米晶的生長速率和熒光半峰寬的窄化 (黃綠光量子效率可達(dá)30以上) Adv. Mater., 2003, 15(20), 1712, Hao Zhang & Bai Yang et al.2627未經(jīng)任何處理即可用于生物標(biāo)記鼠細(xì)胞的平均尺度為4 m.標(biāo)記有CdTe納米晶的鼠細(xì)胞的熒光顯微鏡照片 （a) 細(xì)胞本身； (b) 發(fā)黃色的CdTe納米晶. 放大圖象： (c) 發(fā)綠色的CdTe納米晶；(d)發(fā)紅色的CdTe納米晶. 28熒光量子點(diǎn)表面修飾表面效應(yīng)是

10、影響納米粒子性質(zhì)的一個不可忽視的因素水溶性是納米晶用于生物標(biāo)記必須解決的 29量子點(diǎn)表面修飾樹枝狀分子配體修飾的量子點(diǎn)30用量子點(diǎn)檢測腫瘤細(xì)胞Quantum dots modified with antibodies to human prostate specific membrane antigen light up murine tumors that developed from human prostate cells.31用量子點(diǎn)檢測腫瘤細(xì)胞 科學(xué)家們將轉(zhuǎn)鐵蛋白與量子點(diǎn)共價交聯(lián), 讓宮頸癌細(xì)胞“吞”進(jìn)細(xì)胞內(nèi), 使連接了量子點(diǎn)的轉(zhuǎn)鐵蛋白仍然具有生物活性，實現(xiàn)單色長期熒光標(biāo)記觀察。32

11、 他們采用兩種大小不同的量子點(diǎn)標(biāo)記小鼠的成纖維細(xì)胞, 一種發(fā)射綠色熒光, 一種發(fā)射紅色熒光, 并且將發(fā)射紅色熒光的量子點(diǎn)特異地標(biāo)記在細(xì)胞內(nèi)肌動蛋白絲上, 而發(fā)射綠光的量子點(diǎn)與尿素和乙酸結(jié)合, 這樣的量子點(diǎn)與細(xì)胞核具有高親和力, 并且可以同時在細(xì)胞中觀察到紅色和綠色的熒光，從而實現(xiàn)雙色熒光標(biāo)記觀察。 33在生物檢測中的其它應(yīng)用把量子點(diǎn)分別同生物素、尿素、醋酸鹽和某種抗體鏈接了起來，成功的到達(dá)了特定的細(xì)胞結(jié)構(gòu)； 可以有許多種分子用作量子點(diǎn)的導(dǎo)引物質(zhì)，包括核酸、細(xì)胞膜上的脂質(zhì)、同載體蛋白質(zhì)或載體糖聯(lián)系緊密的蛋白質(zhì)，還有一些藥物可以把量子點(diǎn)導(dǎo)引到特定細(xì)胞結(jié)構(gòu)中去；研究人員正致力于量子點(diǎn)在神經(jīng)遞質(zhì)研究（

12、了解神經(jīng)信號傳導(dǎo)的研究）中的應(yīng)用。他們將量子點(diǎn)標(biāo)記在一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)5-羥色胺上, 然后觀察了轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是怎樣推動神經(jīng)遞質(zhì)在將信號通過相鄰神經(jīng)細(xì)胞的間隙傳遞后，又回到細(xì)胞中的過程；可以應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中 34量子點(diǎn)與蛋白的偶聯(lián) 隨著人類基因組計劃(HGP)的順利完成,蛋白質(zhì)組的研究已經(jīng)成為生命科學(xué)的一個重要領(lǐng)域. 需要建立一些快速、高效、高通量的蛋白質(zhì)分析方法.量子點(diǎn)熒光探針在一些方面能滿足這些要求。35Willard等人將巰基乙酸修飾的量子點(diǎn)與生物素標(biāo)記的牛血清白蛋白(QD-bBSA)結(jié)合后,使之與四甲基羅丹明標(biāo)記的親和素(Sav-TMR) 作用,結(jié)果觀察到量子點(diǎn)與四甲基羅丹明(TMR)之

13、間有熒光共振能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的發(fā)生。Science 1998, 281:2016-2018. 這一結(jié)果表明,量子點(diǎn)可在蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)鍵合分析中作為熒光共振能量轉(zhuǎn)移的供體. 另外,將量子點(diǎn)與蛋白質(zhì)芯片技術(shù)相結(jié)合,可大大提高蛋白質(zhì)芯片檢測的靈敏度。36量子點(diǎn)在其他方面的應(yīng)用Schematic representation of qdot targeting. Applied Biological Sciences ,2002 , 99 (20) : 12617 - 12621. 量子點(diǎn)用于活體方面的研究 將不同的CdSe/ZnS核-殼型量子點(diǎn)表面用不同的多肽修飾后,注射到老鼠體內(nèi),對活體切片后進(jìn)行分析

14、. 結(jié)果發(fā)現(xiàn):不同多肽修飾的量子點(diǎn)可特異性的結(jié)合到正?；虬l(fā)生腫瘤老鼠的肺部脈管系統(tǒng)。 這些結(jié)果預(yù)示著量子點(diǎn)可能進(jìn)行疾病診斷和藥物傳遞等方面的研究.37 量子點(diǎn)在基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、藥物篩選以及細(xì)胞成像等方面有著廣泛應(yīng)用前景，將量子點(diǎn)用于活體的實時、動態(tài)檢測是目前的一個發(fā)展方向. 另外,應(yīng)用多色量子點(diǎn)發(fā)展平行的生物傳感和檢測技術(shù)也是目前的一個發(fā)展熱點(diǎn),這些技術(shù)將把微流控技術(shù)、微陣列技術(shù)及量子點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)集中起來,有著廣闊的發(fā)展前景.展望38磁性納米材料及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用39天然的磁性納米材料許多生物體內(nèi)就有天然的納米磁性粒子，如磁性細(xì)菌，鴿子，海豚，石鱉，蜜蜂，人的大腦等這里有大量的課題需要研

15、究，特別需要有物理和磁學(xué)背景的人員參與，有利于對問題的理解40向磁性細(xì)菌1975年即發(fā)現(xiàn)向磁性細(xì)菌-體內(nèi)有一排磁性納米粒子41人類大腦中平均含有20微克（約500萬粒）的磁性納米粒子42石鱉齒舌中含有大量一維納米磁性絲43從各種細(xì)菌中分離得到的磁性氧化鐵納米粒子粒徑均一、形貌規(guī)整。目前納米磁性材料的制備主要依賴于化學(xué)制備方法。 44磁性納米材料通常為氧化鐵所構(gòu)成，如Fe2O3、Fe3O4現(xiàn)行產(chǎn)品中，常見利用包埋或包覆磁性微粒，結(jié)合抗體以做為細(xì)胞分離與純化的步驟45磁性納米材料的合成取Fe2+與Fe3+混合加熱，反應(yīng)沉淀而得混合Fe3+及Fe2+在堿性條件下可形成Fe3O4納米微粒46磁性納米粒

16、子的表面修飾較高的比表面積，因此具有強(qiáng)烈的聚集傾向調(diào)節(jié)磁性納米粒子與其他材料的相容性和反應(yīng)特性采用有機(jī)小分子修飾粒子表面采用有機(jī)高分子修飾粒子表面采用二氧化硅修飾粒子表面47磁性納米粒子有機(jī)高分子修飾用多肽穩(wěn)定-Fe2O3納米粒子膠團(tuán)示意圖48磁性納米粒子的表面的SiO2修飾可以屏蔽磁性納米粒子之間的偶極相互作用，阻止粒子發(fā)生團(tuán)聚具有優(yōu)良的生物相容性、親水性、穩(wěn)定性采用水解有機(jī)硅氧烷的方法制備尺寸均一的SiO2微球技術(shù)已相當(dāng)成熟，為制備高質(zhì)量的磁性微球提供保證49磁性納米粒子的表面的SiO2修飾修飾SiO2的核殼形的磁性納米微球，表面接有功能性基團(tuán)50磁性納米粒子的表面的SiO2修飾氣溶膠高溫

17、分解法制備中空和實心磁性SiO2微球的TEM圖及形成機(jī)理51磁性納米粒子在臨床診斷和治療中的應(yīng)用體外(in vitro)應(yīng)用：細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA、細(xì)胞及病毒的分離、分析和收集體內(nèi)（in vivo)應(yīng)用：藥物的磁導(dǎo)向、輔助疾病的診斷和治療52磁性納米粒子在細(xì)胞分離中的應(yīng)用磁分離是利用功能化磁性納米粒子的表面配體（或受體）與受體（或配體）之間的特異相互作用如抗體抗原和親和素生物素等來實現(xiàn)對靶向生物目標(biāo)的快速分離。53細(xì)胞分離磁分離過程示意圖54細(xì)胞分離磁分離過程示意圖.用磁性粒子進(jìn)行標(biāo)記的材料；未標(biāo)記的材料；55細(xì)胞的磁分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)磁性載體與細(xì)胞的識別過程基本上可以保證不破壞細(xì)胞的形態(tài)，同時也

18、不影響非識別細(xì)胞分離的純度可以高達(dá)95-99.9%不影響細(xì)胞的功能和活性，經(jīng)磁分離的細(xì)胞的存活率可以達(dá)到90%以上分離操作方便、快捷56細(xì)菌和病毒的磁分離對于病毒和細(xì)菌，常規(guī)檢測方法的檢測限通常只能過到100cfu/mlXu等最近發(fā)展的基于磁性納米粒子的檢測方法對細(xì)菌的檢測靈敏度可以達(dá)到約15cfu/ml57細(xì)菌和病毒的磁分離采用高溫分解法制備了油酸油胺穩(wěn)定的FePt納米粒子，然后通過表面修飾制備了萬古霉素（Van）與FePt的復(fù)合物（FePt-Van）58細(xì)菌和病毒的磁分離利用萬古霉素與抗萬古霉素腸球菌（VRE）和細(xì)菌細(xì)胞壁上末端多肽（DAla-D-ALa）之間的氫鍵作用識別和富集細(xì)菌。59

19、 利用藥物載體的磁性特點(diǎn)，在外加磁場的作用下，磁性納米載體將富集在病變部位，進(jìn)行靶向給藥靶向傳輸60磁性納米粒子的應(yīng)用負(fù)載在磁性納米粒子的藥物在體內(nèi)的擴(kuò)散示意圖61磁性藥物的優(yōu)點(diǎn)藥物使用量少不必開刀即可將藥物投放到患部藥物集中，不會對身體其余部分造成副作 用影響結(jié)合MRI，可用于新藥開發(fā)上對于疾病細(xì)胞的活性、副作用及使用量的分析62Fe3O4超順磁性(Superparamagnetic)磁性微粒在有磁場存之下具有強(qiáng)大磁性，但在去除磁場之后，磁性也隨之消失。因為這個情形，使Fe3O4磁性納米微?？筛櫋⒖苫厥找部啥糠治?，也在生物醫(yī)學(xué)上最早被應(yīng)用在臨床磁共振成像MRI (Magnetic Res

20、onance Imaging)Basic Concept63MRI技術(shù)可以用來對生物內(nèi)臟器官和軟組織進(jìn)行無損的快速檢測，它已經(jīng)成為診斷軟組織病變尤其是檢測腫瘤的最為有效的臨床診斷方法之一。超順磁性納米粒子在磁共振成像中的應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵：增強(qiáng)病變組織與正常組織的圖像之間的對比度以提高病變組織的清晰度，需要選擇合適的造影劑來顯示解剖學(xué)特征。64超順磁性氧化鐵納米粒子被注入人體后，會出現(xiàn)明顯的分布特異性。集中分布在網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞 豐富的組織和器官中，超順磁性氧化鐵顆粒在各組織和器官中的分布將有助于提高該部位的MRI成像對比度超順磁性納米粒子在磁共振成像中的應(yīng)用65細(xì)胞吞噬磁性粒子的過程66目前治療的方法

21、： 化學(xué)藥物療法：缺乏特異性 放射線療法： 不宜長時間接受治療 手術(shù)切除：給病人帶來生理和心理痛苦 熱治療法：？磁流體致（過）熱治療腫瘤67熱療法原理：根據(jù)腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞對熱的敏感 性不同，通過加熱病灶部位來殺死腫瘤細(xì)胞的方法。腫瘤細(xì)胞在38-40時活性受到抑制會趨向凋亡；在40-42時會嚴(yán)重受損，在短時間內(nèi)死亡；43以上會快速破裂死亡。這就是腫瘤熱療法的原理。而熱療不僅能殺死腫瘤細(xì)胞，還能通過高溫阻斷腫瘤組織的營養(yǎng)，抑制腫瘤血管的形成和轉(zhuǎn)移傾向。 磁流體致（過）熱治療腫瘤68熱消融療法（thermoablation）：通常把治療溫度控制在47以上的療法。能使腫瘤組織在高溫下急劇壞死，但同

22、時對正常組織也有一定損傷。過熱療法（hyperthermia）:把治療溫度控制在42-46之間的療法，重點(diǎn)介紹磁流體過熱治療腫瘤（magnetic fluid hyperthermia, MFH）的方法。磁流體致（過）熱治療腫瘤技術(shù)關(guān)鍵是什么？69磁致熱早期：將一定尺寸的磁性物質(zhì)（磁針或磁棒）通過手術(shù)置于腫瘤部位，然后通過在外加交變磁場的作用下發(fā)熱來達(dá)到殺死腫瘤細(xì)胞的目的。致命缺點(diǎn)：腫瘤內(nèi)部溫度分布不均勻，造成局部溫度過高治療前后都需要手術(shù)植入或取出磁體磁流體致（過）熱治療腫瘤70磁流體致（過）熱治療腫瘤腫瘤熱療 利用各種物理能量(如微波、射頻和超聲波等) 所產(chǎn)生的熱效應(yīng),使組織細(xì)胞溫度升至4

23、3以上的治療溫度,加速癌細(xì)胞死亡的療法。 射頻消融超聲聚焦全身熱療71磁流體致（過）熱治療腫瘤MFH熱療原理 MFH利用腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞對熱的敏感性不同，通過將磁流體注射到腫瘤組織，然后在外加交變磁場的作用下產(chǎn)生能量，再將產(chǎn)生的能量釋放給腫瘤組織，由于腫瘤中的血液供給不如正常組織充足致使腫瘤細(xì)胞中熱量擴(kuò)散較慢，結(jié)果造成局部溫度升高（一般控制在42-46之間），從而達(dá)到殺死腫瘤細(xì)胞的目的。72動物實驗1979年，Gordon小組首次采用葡聚糖修飾的小尺寸（粒徑為6nm） Fe3O4磁流體開展了對SD鼠乳腺腫瘤治療的研究。方法：100mg 葡聚糖修飾的Fe3O4磁流體通過尾靜脈注射方式在10mi

24、n內(nèi)注入實驗鼠內(nèi)，代謝48h后，將實驗鼠置于強(qiáng)度為38kA/m,頻率為450kHZ的交變磁場中治療12min結(jié)果：體外結(jié)果表明12min后，腫瘤組織的溫度增加了8。經(jīng)過一星期的治療后，12只實驗鼠中有11只的腫瘤已經(jīng)退化。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)Fe3O4粒子除了集中分布在實驗鼠的肝、脾、腎器官以外，還分布在腫瘤細(xì)胞內(nèi)部。73磁熱療將磁性粒子輸送至治療區(qū)域，在外加交變磁場的作用下，磁性微粒因磁損耗而發(fā)熱產(chǎn)生熱療作用的療法。74細(xì)胞內(nèi)熱療Jordan等發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞吸收磁性粒子的量是正常細(xì)胞的8400倍；含納米鐵磁微粒腫瘤細(xì)胞極易受到磁熱療的殺傷 細(xì)胞內(nèi)熱療具有極佳的靶向性75與早期相比的優(yōu)點(diǎn)：用于MFH治療的

25、磁流體可以通過注射的方式被注入到病患部位，從而可以避免手術(shù)給患者帶來的痛苦具有超順磁性的磁流體較大尺寸的磁棒有更高的磁致熱效率納米尺寸的超順磁性納米顆粒可以很容易地進(jìn)入細(xì)胞或組織內(nèi)部，更均勻進(jìn)分布在病患部位，有利于克服磁針或磁棒所面臨的渦流效應(yīng)，導(dǎo)致的受熱部位溫度不均勻76存在的問題尺寸控制問題在水溶液中的分散性生物相容性安全問題77總 結(jié)納米磁性生物技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床上的應(yīng)用將會飛速發(fā)展 腫瘤的靶向性治療納米技術(shù)，可望在15年內(nèi)征服一部分惡性腫瘤 納米磁性生物材料作為人體內(nèi)植入物還存在某些弊端78 生物體系的納米結(jié)構(gòu)礦化79 自然界中充滿了各具特性的生物礦化材料。貝殼、珊瑚、魚骨、牙齒、細(xì)菌中的

26、磁性晶體等僅僅是生物所設(shè)計的眾多生物礦物種類的一小部分。無機(jī)礦物與有機(jī)高分子共同構(gòu)成許多復(fù)雜的生物材料，這些材料具有各種各樣的形狀，同時也具有各種功能，其結(jié)構(gòu)這精細(xì)，功能之優(yōu)異令人嘆服 。生物礦化的魅力？808182生物礦化材料的主要無機(jī)成分，即碳酸鈣、磷酸鈣、氧化硅，、和鐵氧化合物，均廣泛存在于自然界中，甚至有的礦物（方解石、羥基磷灰石）從組成和結(jié)構(gòu)方式來看與巖石圈中相應(yīng)的礦物都是相同的，但一旦受控于這種特殊的生命過程，便具有常規(guī)陶瓷不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。極高的強(qiáng)度比較好的斷裂韌性減震性能表面光潔度生物礦化的魅力83生物礦化：以生物材料為模板的無機(jī)結(jié)構(gòu)材料的生成生物礦化常見的元素： 氫、碳、氧、鎂

27、、硅、磷、鈣、錳及鐵生物體內(nèi)的其他基本元素 氮、氟、鈉、鉀、銅、鋅等則很少礦化非生物所需元素銀、金、鉛、鈾等出現(xiàn)在外細(xì)胞壁中，而細(xì)胞內(nèi)部則有鍶、鋇等元素沉積生物礦化84生物礦物的種類和功能化學(xué)式俗名實例密度硬度（莫氏）CaCO3方解石烏龜殼、珊瑚2.713CaCO3文石海洋動物、軟體動物外殼2.933.5-4CaMg(CO3)2白云石棘皮動物的牙2.853.5-4MgCO3菱美石海綿的刺3.014Ca5(PO4)3(OH)羥基磷灰石骨、牙，幼年軟體動物骨3.1-3.25SiO2(H2O)無定形水合硅海綿的刺20-225.5-6.5CaF2螢石-3.184CaSiO3硅灰石-2.95生物器官中存

28、在的主要無機(jī)物8520世紀(jì) 2030年代，德國、丹麥、瑞典的學(xué)者有偏光顯微鏡對生物礦物進(jìn)行系統(tǒng)的觀察5060年代，西北歐及美國的學(xué)者借助TEM和SEM對生物礦物做了深入研究并建立了有機(jī)基質(zhì)的概念70年代以來，隨著各種微觀分析技術(shù)的發(fā)展，人們探明了絕大部分主要礦物體系結(jié)構(gòu)和成分，并將生物礦物的研究提高到無機(jī)化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)乃至基因的水平1988年，我國化學(xué)家王夔將生物礦物的概念介紹到國內(nèi)，國內(nèi)研分才開始形成規(guī)模進(jìn)展概況86英國Mann小組把生物礦化過程分成了四個階段： 超分子預(yù)組織 界面分子識別 矢量規(guī)劃（化學(xué)處理） 細(xì)胞加工過程生物礦化過程87生物礦化的四個階段及其功能示意圖88S

29、chematic diagram of nacreous（珍珠質(zhì)） structure. The organic thin film indicated between the layers also covers all other surfaces of each structural unit.生物礦物89生物礦化的一個典型例子鮑魚殼鮑魚殼珍珠層的薄板狀文石珍珠層具有特異的斷裂性能，高于普通文石的2-3個數(shù)量級！90生物礦化的一個典型例子鮑魚殼 美國加州大學(xué)Belcher研究了從紅鮑魚殼中提取的三個蛋白質(zhì)家族對鮑魚殼的礦物晶體的控制作用： 1. 方解石形核蛋白 2. 控制方解石、文石的相

30、、位向、形貌的多個聚陰離子蛋白 3. 決定珍珠層文石的板層尺寸和晶體大小的基質(zhì)蛋白91生物礦化的一個典型例子鮑魚殼 鮑魚在構(gòu)造鮑魚珍珠層時使用的兩種不同的結(jié)構(gòu)形成機(jī)制： 1. 原子和納米的水平上控制礦物的結(jié)構(gòu)和位向 2. 控制微米尺度上的結(jié)構(gòu)有序性 92聚合物控制礦化具有多層結(jié)構(gòu)的方解石晶體方解石晶體的仿生礦化93膠原蛋白調(diào)制碳酸鈣晶體的形貌（a）不存在蛋白質(zhì)時形成的方解石晶體形貌；（b）膠原蛋白濃度10g/L時形成的方解石晶體形貌94膠原蛋白調(diào)制所得碳酸鈣晶體的XRD圖譜晶體模型K曲面F平面S階梯面95生物礦化的一個典型例子骨層狀骨結(jié)構(gòu)圖 人工骨結(jié)構(gòu)圖 96骨的非細(xì)胞結(jié)構(gòu)包括三個主要部分：膠原 (質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為20%)、羥基磷灰石 (HAp，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為69%) 和水 (質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為9%)。另外還有少量的有機(jī)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、聚糖、脂類等。其中膠原以微纖維形式存在，這也是骨具有良好韌性的主要原因。膠原纖維的尺寸約為100-2000 nm。HAp (通常是含碳的磷灰石) 晶體緊密而規(guī)律的排列在膠原基體中，使骨具有一定的硬度。HAp呈厚板狀或細(xì)長的桿狀結(jié)晶，長度約為40-60 nm，寬度約為20 nm，厚度僅為1.5-5 nm。HAp晶體沿膠原纖維呈平行排列，方向與纖維的長軸一致。膠原纖維在骨板中沿哈佛氏管呈螺旋狀排列。雖然骨的構(gòu)成是常見的膠原纖維和HAp，但是由于這兩種物質(zhì)形成了復(fù)