納米科技概論(7-1)20140409(納米生物醫(yī)學)課件

1、納米科學技術概論主講教師：楊輝、郭興忠納米生物醫(yī)學一、納米生物醫(yī)學基礎二、納米生物醫(yī)用材料三、納米生物傳感器四、納米藥物載體五、生物計算機和分子機械（自學，布置課堂作業(yè)）六、生物芯片技術（自學，布置課堂作業(yè)）一、納米生物醫(yī)學基礎（1）1、序言2、生物技術與納米生物學3、DNA技術與納米醫(yī)學一、納米生物醫(yī)學基礎（2）1、序言1）、納米生物醫(yī)學的相關概念A、發(fā)展背景：納米科技在醫(yī)學領域的應用，出現(xiàn)了治療疾病用納米藥物、修復組織器官與替換用的納米生物材料，疾病檢查與檢測用的納米診斷技術等，相關技術在醫(yī)學領域產(chǎn)生了革命性的變化，催生了納米生物醫(yī)學的出現(xiàn)與發(fā)展。B、納米醫(yī)學概念：借助納米科技開展疾病預防

2、、診斷、治療以及康復等許多醫(yī)（藥）學研究和應用的學科。是運用納米科技的理論和方法，在傳統(tǒng)醫(yī)學和現(xiàn)代醫(yī)學的基礎上，開展醫(yī)學研究與實踐的新興邊緣學科。廣義地講，是指在分子水平上，疾病預防、診斷、治療、衛(wèi)生保健和改善人體健康狀況等的科學技術，都屬于納米醫(yī)學的范疇。一、納米生物醫(yī)學基礎（3）1、序言1）、納米生物醫(yī)學的相關概念C、納米生物學概念：研究在納米尺度上的生物結(jié)構(gòu)與生物反應機理的學科，其中包括復制、修復和調(diào)控等許多方面的生物過程。研究對象是納米尺度的生物大分子、細胞器等生物體的結(jié)構(gòu)、功能以及動態(tài)生物過程。D、納米醫(yī)學與納米生物學的關系：在納米科技發(fā)展中，兩者密不可分、彼此促進、協(xié)調(diào)發(fā)展。隨著納

3、米科技的滲透和發(fā)展，納米醫(yī)學與納米生物學存在越來越大的共同區(qū)。一、納米生物醫(yī)學基礎（5）1、序言2）、納米生物醫(yī)學的研究內(nèi)容A、納米尺度上獲得生命信息：以生物大分子為研究對象：現(xiàn)代分子生物學以生物大分子為主體，并集中研究蛋白質(zhì)和核酸分子這兩類最重要的生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能物質(zhì)上：是千差萬別、多層次的生命現(xiàn)象中最本質(zhì)的物質(zhì)基礎結(jié)構(gòu)上：尺寸在納米水平功能上：生命的能量代謝、物質(zhì)代謝和其他生理過程的基本物質(zhì)納米研究手段的應用：傳統(tǒng)研究：以SEM、TEM、XRD為基本手段；具有破壞性納米研究：以STM、AFM、納米傳感器、熒光測量技術等為基本手段；不破壞被研究的對象，可在自然狀態(tài)下進行利用STM技術：

4、獲得細胞膜和細胞表面的結(jié)構(gòu)信息，研究相關結(jié)構(gòu)與環(huán)境變化、生物生理過程靜態(tài)信息等利用AFM技術：全細胞的AFM成像利用納米傳感器：插入細胞中（不干擾細胞活動）獲得動態(tài)化學信息一、納米生物醫(yī)學基礎（6）1、序言2）、納米生物醫(yī)學的研究內(nèi)容B、開發(fā)物質(zhì)潛在的信息結(jié)構(gòu)與計算能力：醫(yī)學與生命信息的存儲和處理能力的開發(fā)生物儲存與處理技術：納米科技將開發(fā)物質(zhì)潛在的信息結(jié)構(gòu)潛力，極大地提高單位體積物質(zhì)儲存和處理信息的能力生物計算機的開發(fā)：尋找或制造特定的生物分子，完成計算機的基本計算和儲存功能納米生物醫(yī)學和納米電子學結(jié)合起來開發(fā)生物大分子器件納米生物醫(yī)學與計算機芯片制造技術結(jié)合開發(fā)生物芯片技術一、納米生物醫(yī)學

5、基礎（8）1、序言2）、納米生物醫(yī)學的研究內(nèi)容C、開發(fā)納米機器：人工合成的分子機器第一代：生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結(jié)合，如酶和納米齒輪的結(jié)合體。可以注入人體血管內(nèi)，進行全身健康檢查、疏通血管中的血栓、清除血管脂肪沉淀物，吞噬病毒和殺死細胞等第二代：直接從原子、分子裝配成有一定功能的納米尺度的裝配裝置除了第一代的功能之外，可以從基因組中除掉有害的DNA，或者把正常的DNA“安裝”到需要修補的基因中第三代：含有納米計算機的、可以人機對話的、有自身修復能力的納米機器人能夠非常迅速地完成指定的任務自然界的生物分子“機器”在生命體中大量存在，如肌肉組織中的生物分子機器：將化學能/熱能（無規(guī)則的熱運動）轉(zhuǎn)

6、化為動能（協(xié)調(diào)一致的肌肉運動）一、納米生物醫(yī)學基礎（9）2、生物技術與納米生物學1）分子生物學的研究現(xiàn)狀和趨勢A、隨著蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的X射線解析和DNA雙螺旋的發(fā)現(xiàn)，開始了一個分 子生物學時代，分子生物學的誕生使傳統(tǒng)生物學研究轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代實驗科學。今天它仍然是生命科學的 主導力量。對遺傳信息載體核酸和生命功能的執(zhí)行者蛋白質(zhì)的研究成了生命科學研究 的主要內(nèi)容；B、分子生物學的飛速發(fā)展帶動了生物學各分支學科向分子水平研究的深 入。一方面是在分子水平上對細胞活動、遺傳、發(fā)育等各種生命現(xiàn)象進行解釋。出現(xiàn)了分 子發(fā)育生物學、分子神經(jīng)生物學等新興學科。另一方面是把分子生物學研究手段推廣到生 物學各分支學科，

7、尤其是一些宏觀生物學學科如進化論、分類學、生態(tài)學，形成了分子進 化生物學、分子系統(tǒng)分類學和分子生態(tài)學等，用實驗的方法研究傳統(tǒng)的生物學問題，使微 觀研究和宏觀研究得到了緊密的結(jié)合。 一、納米生物醫(yī)學基礎（10）2、生物技術與納米生物學C、分子生物學的研究模式經(jīng)典生物學研究以小型實驗室和“單干”的研究模式為主?，F(xiàn)在生物學界的研究模 式則出現(xiàn)了重要的變化。首先，是大規(guī)模的集約型研究的出現(xiàn)。隨著人類基因組計劃等“大 科學”的實施，世界各國建立了許多大型研究中心，如英國的Sanger中心，美國華盛頓大 學基因組測序中心、中國的國家人類基因組南方和北方研究中心。這些研究中心通常象一 個大企業(yè)，擁有大量的儀

8、器設備，如數(shù)十臺甚至數(shù)百臺DNA測序儀，針對一個特定的目標 進行研究。其次，由于研究內(nèi)容的深入和研究范圍的加大，多個實驗室間的合作研究方式 已成為當前的主要潮流。在研究論文的署名中，共同第一作者、共同通訊作者等已越來越 常見。對于基因組研究和蛋白質(zhì)組研究等“大科學”而言，大規(guī)模的跨單位、跨地區(qū)、跨 國家的聯(lián)合研究已成為主要方式。甚至在細胞信號轉(zhuǎn)導這類經(jīng)典的“單干”領域，也出現(xiàn) 了由美國、加拿大和英國的52個實驗室組成的“信號轉(zhuǎn)導聯(lián)軍”（Alliance For Cellular Signaling），準備對G蛋白介導的和與其相關的細胞信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)進行系統(tǒng)和全面的研 究。目前，這些新的研究模式已

9、成為推動生物學快速發(fā)展的主動力。D、自20世紀70年代開始生物技術在多個產(chǎn)業(yè)領域內(nèi)得到快速應用一、納米生物醫(yī)學基礎（12）3、DNA技術與納米醫(yī)學1）DNA分子結(jié)構(gòu)與復制過程DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)與觀察：1953年，采用XRD等技術，生物化學家James Watson 和 Francis Crick首次發(fā)現(xiàn)了DNA（脫氧核糖核酸）的雙螺旋結(jié)構(gòu)，1962年獲得諾貝爾獎。近年來，采用了STM和AFM直接觀察DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)。直徑為2納米，螺距為3.4納米，在納米技術的尺度范圍之內(nèi)一、納米生物醫(yī)學基礎（13）3、DNA技術與納米醫(yī)學1）DNA分子結(jié)構(gòu)與復制過程DNA分子的結(jié)構(gòu)模型與復制（P

10、.143 ，課堂自學）一、納米生物醫(yī)學基礎（15）3、DNA分子與納米醫(yī)學2）人類基因組計劃和應用計劃完成簡況2000年6月26日，美國總統(tǒng)克林頓和英國首相布萊爾宣布計劃完成。人類基因概況：共有3.3萬個左右基因，遠小于預測的10萬個左右的基因；比低等動物果蠅（1.36）僅多2萬個左右的基因。意義：改變了人類對自身及生命現(xiàn)象的若干認識。疾病與基因并非“一一對應”，“蛋白質(zhì)可能對生命特征起關鍵作用”計劃成果的應用（P.145-P.146，課堂自學）促進了“蛋白質(zhì)組學”的發(fā)展，2002年啟動了“人類蛋白質(zhì)組計劃”，用15年時間完成人類約30萬的蛋白質(zhì)機能的解析任務。帶動了相關基礎學科和產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)

11、展。一、納米生物醫(yī)學基礎（16）3、DNA分子與納米醫(yī)學3）納米醫(yī)學（P.146-P.150，課堂自學）A、納米醫(yī)學概念：借助納米科技開展疾病預防、診斷、治療以及康復等許多醫(yī)（藥）學研究和應用的學科。是運用納米科技的理論和方法，在傳統(tǒng)醫(yī)學和現(xiàn)代醫(yī)學的基礎上，開展醫(yī)學研究與實踐的新興邊緣學科。廣義地講，是指在分子水平上，疾病預防、診斷、治療、衛(wèi)生保健和改善人體健康狀況等的科學技術，都屬于納米醫(yī)學的范疇。B、納米醫(yī)學可能突破的領域和意義P.147-P.150二、納米生物醫(yī)用材料（1）1、納米生物醫(yī)用材料的特征2、納米生物醫(yī)用材料的分類3、輔助性納米醫(yī)用材料4、功能性納米醫(yī)用材料二、納米生物醫(yī)用材料

12、（2）1、納米生物醫(yī)用材料的特征1）生物相容性：材料能夠在生物體/人體中發(fā)揮其自身特性，并且與細胞、組織及生物體實現(xiàn)安全共存的性質(zhì)。包括以下方面：對人體無毒、無刺激、無致畸、致敏、致突變或者致癌作用；在體內(nèi)不被排斥、無炎癥、無慢性感染；不引起周圍組織產(chǎn)生局部或者全身性反應；不引起細胞的反應，如無溶血、凝血反應等2）化學穩(wěn)定性3）材料的生物活性二、納米生物醫(yī)用材料（3）醫(yī)療器材分類生物效應依與身體接觸性質(zhì)依接觸時間A:短期(24h)B:長期(24h30天)A:永久(30天)細胞毒性致敏性刺激性或皮內(nèi)反應全身性毒性(亞急性毒性)亞慢性毒性(亞急性毒性)基因毒性植入血液相容性分類接觸部位接觸體表之器

13、材 C C C 體外連通之器材非直接之血液路徑A B C 組織、骨頭、牙質(zhì)A B C 循環(huán)血液A B C 植入器材組織、骨頭A B C 血液A B C 二、納米生物醫(yī)用材料（4）2、納米生物醫(yī)用材料的分類1）功能性的分類方法：輔助性材料功能性材料2）材料屬性的分類方法：高分子材料有機分子材料無機金屬材料無機非金屬材料復合材料等3）材料用途的分類方法藥物載體材料植入性生物材料檢測檢驗材料等二、納米生物醫(yī)用材料（6）3、常用的輔助性納米生物醫(yī)用材料1）納米高分子材料：介入性診療：納米粒子比紅血球（6-9微米）要小得多，可以在血液中自由運動注入各種對人體無害的納米粒子，到達人體部位并進行病變檢查和治

14、療。應用舉例：載有抗增生藥物的乳酸共聚物納米粒子經(jīng)冠狀動脈給藥，可以有效地防止冠狀動脈狹窄2）微乳液：材料特性：油、水、表面活性劑構(gòu)成的透明液體，是一類含納米粒子的勻質(zhì)、熱力學和動力學穩(wěn)定的膠體分散體系應用領域：藥物緩慢釋放體系、生物工程上的細胞色素分離、生物酶催化有機合成等方面二、納米生物醫(yī)用材料（7）4、功能性納米生物醫(yī)用材料的分類1）細胞染色材料：作用原理：利用不同抗體對細胞或者組織的敏感程度和親和立的不同材料體系：納米粒子（納米金）與預先精制的抗體或者單克隆抗體結(jié)合，構(gòu)成多種納米粒子/抗體復合物。與細胞/組織結(jié)合形成組合物，在光照下呈現(xiàn)顏色特征，相當于給細胞/組織貼上了“顏色標簽”2）

15、細胞分離用納米材料：作用原理：病毒尺寸在80-100納米左右，細菌為數(shù)百納米，細胞則更大，利用納米復合粒子性能穩(wěn)定、不與膠體溶液反應且容易實現(xiàn)與細胞分離的特點。三、納米生物傳感器（1）1、概述2、納米技術在生物傳感器中的應用3、納米生物傳感器舉例三、納米生物傳感器（2）1、概論1）生物傳感器簡介：定義：由生物識別元件和一個移動的生物活性化合物（底物）連在一起，字適當?shù)臈l件下反應，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換器將反應過程或反應產(chǎn)物所產(chǎn)生的物理或化學信號轉(zhuǎn)化為電信號，最后由電子放大設備輸出。三、納米生物傳感器（3）1、概論2）生物傳感器特點：多學科交叉：由生物、化學、物理 、醫(yī)學、電子技術等多學科交叉的高新技術，技

16、術特點：選擇性好，靈敏度高、分析速度快，成本低、可實現(xiàn)復雜體系中的在線連續(xù)檢測應用領域：已經(jīng)在生物工程、醫(yī)療和臨床、環(huán)境檢測等領域獲得應用，前景十分廣闊。3）發(fā)展簡介：第一階段：固定了生物成分的非活性基質(zhì)膜（透析膜或反應膜）和電化學電極構(gòu)成第二階段：生物成分直接吸附或者共價結(jié)合到轉(zhuǎn)換器的表面，不需要非活性的基質(zhì)膜第三階段：生物成分直接固定在電子元件上，可以直接感知和放大界面物質(zhì)的變化，從而把生物識別和信號的轉(zhuǎn)換處理結(jié)合在一起。三、納米生物傳感器（4）2、納米技術在生物傳感器中的應用1）納米顆粒在生物傳感器中的應用：固定化酶引入納米顆粒后能夠增強酶的催化活性，提高電極的響應電流膠體金可用于生物分

17、子的標記，實現(xiàn)信號的放大，廣泛地應用TEM、SEM表征納米顆粒也可以用來定位腫瘤納米微管用于固定生物分子納米多孔硅：表面固定抗體或者DNA等敏感分子，通過檢測光干涉和折射率的變化，從而構(gòu)建了一種新型的免疫標記生物傳感器。2）分子自組裝膜在生物傳感器中的應用：自SAM作為貴金屬表面和氣-液之間的一種自組裝界面膜以來，SAM表現(xiàn)出非常優(yōu)良的識別特點，分為三種識別機制電化學傳感器：電活性的SAM作為電子通道。等離子體共振生物傳感器：檢測金屬表面覆蓋的單分子膜厚度的變化，可用于檢測大的生物分子石英晶體微天平：研究單分子層信息、酶的固定、小分子有機物的選擇性響應等。三、納米生物傳感器（5）3、納米生物傳

18、感器舉例1）光纖納米生物傳感器：A、作用原理：分子識別元件與底物（被檢測物）特異結(jié)合后，能產(chǎn)生可以輸出的特征光學信號（熒光，顏色變化等）B、特點：檢測靈敏度高、抗干擾性強C、傳感器分類：a)：光纖納米熒光生物傳感器利用一些蛋白質(zhì)類生物物質(zhì)自身可以發(fā)熒光，獲得將那些本身不能發(fā)熒光的生物物質(zhì)，通過標記或者修飾使其發(fā)熒光根據(jù)上述原理，設計出可將感受的生物物質(zhì)的量轉(zhuǎn)換成輸出信號的熒光生物傳感器。b)：光纖納米免疫傳感器將光學技術應用與免疫法，利用抗原抗體特異性結(jié)合的特性，將感受到的抗原量或者抗體量轉(zhuǎn)換成光學輸出信號的傳感器。集中了傳統(tǒng)的免疫測試法與光學、生物傳感的技術優(yōu)點，具有很高的特異性、敏感性和穩(wěn)

19、定性。三、納米生物傳感器（6）3、納米生物傳感器舉例1）光纖納米生物傳感器：C、傳感器分類：c)：無轉(zhuǎn)換器的細胞內(nèi)生物傳感器將能固定與微小載體上的納米敏感材料注入細胞內(nèi)，與待測生物標志物結(jié)合時發(fā)出熒光，并在細胞外精密測光的一類新型傳感器。d)：分子信標生物傳感器將一短的核苷酸序列端點標記可發(fā)熒光的試劑，當此結(jié)構(gòu)與配對的短核苷酸序列結(jié)合時，能量轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生特征光學信號。DNA光纖生物傳感器：通過光纖檢測雜交分子中探針標記物經(jīng)過生化反應產(chǎn)生的特征光學信號，確定雜交分子的基因量。特點：信號選擇性強，易于排除雜交過程中非特異性吸附的干擾，測定準確；比采用放射性同位素標記要安全，可靠。不足：發(fā)光信號較弱，

20、檢測靈敏度不高，需要進一步提高。三、納米生物傳感器（7）3、納米生物傳感器舉例2）DNA生物傳感器：A、作用原理：在換能器上固化一條單鏈DNA，通過DNA分子雜交，對另一條含有互補堿基序列的DNA進行識別，結(jié)合成雙鏈DNA，通過聲、光、電不同信號的轉(zhuǎn)換，對目的基因進行檢測。B、特點：簡易、快速、價廉等特點。廣泛應用于基因序列分子、基因突變、基因檢測和診斷；DNA與藥物、蛋白質(zhì)分子間的相互作用。C、傳感器分類：a)：電化學DNA生物傳感器利用單鏈DNA作為敏感元件，通過共價鍵合或化學吸附固定在固體電極表面，加上識別雜交信息的電活性指示劑（稱為雜交指示劑），共同構(gòu)成的檢測特定基因的一種裝置。三、納

21、米生物傳感器（8）3、納米生物傳感器舉例2）DNA生物傳感器：C、傳感器分類：b)：光學DNA生物傳感器利用石英光纖為傳感基體，由固定有已知的核苷酸序列的單鏈DNA探針的電極（探頭）和換能器組成的一類傳感器。檢測步驟：光纖表面的功能化，通過化學反應使光纖表面適合于連接敏感膜材料；載體膜與DNA探針的固定；DNA探針活化與平衡；雜交與檢測；敏感膜的再生：利用化學試劑或升高溫度，使光纖表面已雜交的雙鏈DNA分子變性解旋，恢復為單鏈重新使用。c)：壓電DNA生物傳感器基于石英晶體的壓電效應，在石英晶體表面鍍金膜，并選擇性吸附DNA，通過雜交后石英晶體的頻率變化測定雜交量。四、納米藥物載體（1）1、納

22、米藥物載體概述2、納米藥物載體舉例四、納米藥物載體與給藥系統(tǒng)（2）1、納米藥物載體概述1）納米藥物載體的性質(zhì)：A)：尺寸和存在形態(tài)粒徑在10-1000納米的固態(tài)膠體顆粒，包括納米粒子、納米膠囊、納米膠束、納米乳劑等B)：材料種類和表面特性一般用天然或者人工合成的高分子材料納米粒子表面的親水性與親脂性是影響納米粒子與調(diào)理蛋白質(zhì)吸附結(jié)合力的大小的重要參數(shù)。一般地：增加親水性可以延長納米粒子在體內(nèi)的循環(huán)時間。C)：納米藥物載體的屬性：具有較高的載藥量，如大于30%具有較高的包封率，如大于80%載體材料可生物降解、基本沒有毒性具有較長的體內(nèi)循環(huán)時間具有適宜的制備技術和提純技術，適當?shù)念w粒形狀和大小四、納米藥物載體與給藥系統(tǒng)（3）1、納米藥物載體概述2）納米藥物載體的種類：A)：生物大分子物質(zhì)如，免疫球蛋白、去唾液糖蛋白、白蛋白、纖維原、葡萄糖等B)：細胞類如，紅細胞等各類細胞，細胞囊泡等C)：合成非生物降解大分子物質(zhì)如，纖維素、半透膜膠囊、凝