張陽德--納米生物技術學概述.ppt

1、納米生物技術學概述,國家衛(wèi)生部肝膽腸外科研究中心主任 國家衛(wèi)生部納米生物技術重點實驗室主任 中國醫(yī)師協會內鏡醫(yī)師分會主席 中南大學生物醫(yī)學工程研究院院長 中南大學湘雅醫(yī)院外科主任 國家十一五“863計劃專家委員會納米生物技術專家,張陽德,概 念,納米是尺寸或大小的度量單位：千米（103 ）米厘米毫米微米納米（ 10-9） 4倍原子大小 萬分之一頭發(fā)粗細 納米科學技術是研究在千萬分之一米(10-7)到十億分之一米(10-9米)內，原子、分子和其它類型物質運動和變化的學問；同時在這一尺度范圍內對原子、分子進行操縱和加工。,納米生物技術,為研究工作方便，有人把尺寸0.11m視為亞微米體系，尺寸110

2、0nm劃分納米體系。 我國科學家在 石墨表面“寫”出“中國”和中科院的英文縮寫“CAS”。字的尺寸為 200nm200nm。按照這個尺寸，可以在大頭針針尖一樣的面積上記錄下一部紅樓夢的全部內容。,納米生物技術,納米技術在生物醫(yī)學、藥學、人類健康等領域有重大應用。納米生物醫(yī)用材料將解決臨床對高性能組織修復、器官替換和診療的迫切需求，在人類康復工程中發(fā)揮重要作用。預期在未來30年內，與醫(yī)學和健康領域相關的納米技術的研究將影響產值達4800億美元的生物醫(yī)藥制造業(yè)。納米生物醫(yī)用材料和醫(yī)藥技術研究既有現實的迫切需求，又有廣闊的應用前景和巨大的社會效益。,納米生物技術,國內外現狀,納米生物技術是目前國際生

3、物技術領域的前沿和熱點問題，在醫(yī)藥和現代農業(yè)領域有著廣泛的應用和明確的產業(yè)化前景。 美、日、德等先進國家均已將納米生物技術作為21世紀的科研優(yōu)先項目予以重點發(fā)展，一場新的國際納米生物技術科技競爭已經開始。醫(yī)藥和農業(yè)領域納米生物技術的研究尚處于起步階段，但近幾年在醫(yī)藥領域的研究已取得一定的進展。,納米生物技術,總預算為505.21億歐元的歐盟第七研發(fā)框架計劃（2007-2013）將“納米科學、納米技術、材料和新制造技術”列為十大主題研究領域合作計劃之一。,納米生物技術,2003年美國科學年會的報告,納米醫(yī)學技術已 經被列入美國的優(yōu)先科研計劃?，F任總統(tǒng)布什 2003年12月簽署的21世紀納米技術研

4、究開發(fā)法 案,自2005財年開始的4年內，聯邦政府將投入 約37億美元用于支持納米技術研發(fā)工作。 美國的優(yōu)先研究領域包括： 生物材料（材料-組織介面，生物相容性材料） 儀器（生物傳感器，研究工具） 治療（藥物和基因載體），已有一種納米藥物載體通過了FDA批準并應用于臨床。,納米生物技術,2005年，全世界投入用于納米技術研究和開發(fā)的資金便已超過50億美元。 據報道，迄今為止全美國至少已有60種以上的藥物新制劑以及90種左右的醫(yī)療器械、診斷試劑等新產品使用了納米材料。,國際上納米生物技術的研究范圍涉及納米生物材料、藥物和轉基因納米載體、納米生物相容性人工器官、納米生物傳感器和成像技術、利用掃描探

5、針顯微鏡分析蛋白質和DNA的結構與功能等重要領域，以疾病的早期診斷和提高療效為目標。,納米生物技術,納米生物技術的研究進展,多肽納米管作為抗菌劑，可在細菌細胞膜上穿孔，導致細菌死亡。,納米生物技術,納米粒用作除污劑給士兵消毒,納米生物技術,基因和藥物納米載體,納米藥物載體（納米微粒藥物輸送）技術是納米生物技術的重要發(fā)展方向之一, 將給惡性腫瘤、糖尿病和老年性癡呆等疾病的治療帶來變革。 利用納米技術能夠把新型基因材料輸送到已經存在的DNA里，而不會引起任何免疫反應。 按目前的認識，有半數以上的新藥存在溶解和吸收的問題，納米晶體技術可將藥物顆粒轉變成穩(wěn)定的納米粒子，同時提高溶解性，以提高難溶性藥物

6、的藥效率。,納米生物技術,非生物材料藥物載體，不會誘發(fā)病人的免疫反應，作為藥物的納米載體，攜帶藥物分子進入人體的血液循環(huán)，使藥物在無免疫排斥的條件下發(fā)揮治病的效果，這種技術用于糖尿病和癌癥治療前景廣泛。同時，這些賦形劑在胃腸道中起表面活性劑的作用，也提高了納米藥物顆粒的溶解率。一旦不溶性藥物轉變成穩(wěn)定的納米顆粒，就適合于口服或者注射了。,納米生物技術,生物芯片技術,生物芯片是不同于半導體電子芯片的另一類芯片。半導體電子芯片是集成具有特定電子學功能的微單元，所形成的電子集成電路；而生物芯片則是在很小幾何尺度的表面積上，裝配一種或集成多種生物活性，僅用微量生理或生物采樣，即可以同時檢測和研究不同的

7、生物細胞、生物分子和DNA的特性，以及它們之間的相互作用，獲得生命微觀活動的規(guī)律。,納米生物技術,近兩年，采用微制作技術，制成了微米量級的機械手，能夠在細胞溶液中捕捉到單個細胞，進行細胞結構，功能和通訊等特性研究。美國哈佛大學的研究人員發(fā)展了微電子工業(yè)普遍使用的光刻技術在生物學領域的應用，并研制出效果更好的軟光刻方法。以此，制出了可以捕捉和固定單個細胞的生物芯片，通過調節(jié)細胞間距等，研究細胞分泌和胞間通訊。此類細胞芯片還可以作細胞分類和純化，利用芯片表面微單元的幾何尺寸和表面改性，即可達到選擇和固定細胞，及細胞面密度控制。,納米生物技術,納米管或納米線,多元納米傳感芯片,納米復合免疫磁性微珠,

8、納米復合免疫磁性微珠是當代疾?。ㄓ绕浒┌Y）早期診斷的最重要的技術之一。實驗室利用有機-無機納米復合技術研制了系列疾病診斷試劑盒。,納米生物技術,診斷原理 每種疾病在血液中都存在與之對應的特征活性蛋白，因此疾病早期診斷決定于疾病特征蛋白的確定。診斷過程由三大技術組成： 免疫反應技術 抗原和抗體的反應，具有高度的特異性，從而保證了分析的精確性。 磁性微珠技術 磁性微珠即是反應場所，又是反應物分離的工具。首先在磁性微珠表面與抗體發(fā)生化學鍵耦聯，使之成為與某種疾病特征蛋白實現抗原抗體反應的載體。然后在磁場作用下將反應物分離出來。 示蹤分析技術 為精確定量分析必須對待測活性蛋白的抗體進行示蹤劑的標記，以

9、便將待測物轉變?yōu)榭蓽y的信號(如放射信號、顏色信號、光信號)，從而對待測物進行精確分析。,納米生物技術,關鍵技術 (1) 磁性微珠的制備技術 納米級Fe3O4粉末表面改性處理后，與有機高分子單體復合， 經聚合形成微珠。 微珠表層經化學修飾處理，并接種具有活性的化學基團,納米生物技術,(2) 磁性微珠表面與抗體（抗原）聯結技術, 通過化學交聯或化學吸附，將抗體（Antibody)或抗原（Antigen) 聯結在微珠表面。,(3) 抗體或抗原與示蹤劑的標記技術,納米生物技術,(4) 在磁性微珠載體上進行免疫反應,納米生物技術,（5） 免疫反應產物的示蹤和定量分析, 通過對反應產物比色或在一定時間內（

10、一般為5 秒）測定發(fā)出光光子強度，測定待測物質濃度。,納米生物技術,美國東北大學發(fā)明了一種新的DNA檢測技術，是利用DNA-金納米顆粒的選擇性以及目標DNA序列的連接，導致納米顆粒在電極之間排列，從而通過電子信號來表示對不同DNA序列的響應。這種檢測比以往的低聚核苷酸檢測在靈敏度上提高了10倍，在選擇性上則更高出了許多。并采用低聚核苷酸和Raman-活化染料為標記的金納米顆粒探頭專門檢測DNA和RNA。這種表面增強Raman散射技術有飛摩爾探測極限，并且能在一種溶液中同時探測多種成分，將來有可能替代以分子熒光為基礎的生物探測技術。,目前已開發(fā)30多種檢測疾病的試劑盒，其中包括7 種癌細胞的早期

11、診斷 AFP 甲胎蛋白（肝癌早期普查） CEA 癌胚抗原 FERRITIN 鐵蛋白 PSA 前列腺特異性抗原 CA199 乳腺癌 CA125 胃癌 CA153 腸癌,納米生物技術,磁性微珠的其它應用 細胞分離 基因分離,納米生物技術,醫(yī)用植入體和人工器官 200-300種 幾乎每一品種都可使用納米技術予以改造，并將產生眾多的新品種,美國幾種醫(yī)用植入體的市場情況,納米生物技術,美國部分生物材料年耗量（件/年） （美國企業(yè)約有200-300個品種）,納米生物技術,我國幾種生物材料的市場需求統(tǒng)計 （我國企業(yè)僅有約50余種制品）,納米生物技術,功能和壽命不能滿足臨床要求,常規(guī)生物醫(yī)學材料的問題,納米生

12、物技術,醫(yī)療技術的發(fā)展: 通 用個體化 大創(chuàng)傷微創(chuàng)傷 圍繞人體的微細組成與結構，及其生物與功能特性開展納米生物材料與檢測技術研究,納米生物技術,分子馬達,分子馬達是由生物大分子構成，利用化學能進行機械做功的納米系統(tǒng)。 美國康納爾大學的科學家利用ATP酶作為分子馬達，研制出了一種可以進入人體細胞的納米機電設備-納米直升機。該設備共包括三個組件，兩個金屬推進器和一個附屬于與金屬推進器相連的金屬桿的生物分子組件。其中的生物分子組件將人體的生物燃料ATP轉化為機械能量，使得金屬推進器的運轉速率達到每秒8圈。這種技術仍處于研制初期，它的控制和如何應用仍是未知數。將來有可能完成在人體細胞內發(fā)放藥物等醫(yī)療任

13、務。,納米生物技術,美國杜克大學研究人員利用自行組裝的分子作為分子建筑材料，建造了支撐蛋白質的納米級腳手架和金屬線，其直徑只有數十億分之一米。這是在納米級合成方面取得的重要成就，可能由此開發(fā)可編程的分子級傳感器或電路。 以色列和美國的研究人員在制造分子馬達的聯合研究方面獲得新進展。他們通過光或者電的驅動，可以使分子按照控制模式圍繞一個軸旋轉，并且能夠停止或者暫停。這一成果將使納米級的分子機械能夠在一些較大機械無法應用的場合，例如一些外科手術中大顯身手。,一種探測單個活細胞的納米傳感器，當插入活細胞時，可探知會導致腫瘤的早期DNA損傷。Tuan Vo-Dinh認為此高選擇和高靈敏的納米傳感器，可

14、用于探測很多細胞化學物質，監(jiān)控活細胞的蛋白質和其它所感興趣的生化物質。,納米傳感器,納米生物技術,此傳感器還可以探測基因表達和靶細胞的蛋白生成，用于篩選微量藥物，以確定哪種藥物能夠最有效地阻止細胞內。隨著納米技術的進步，納米機器人可在血液系統(tǒng)中自由運動，評定單個細胞的健康狀況，在體內出現幾個癌細胞時即可發(fā)現。,納米生物技術,化學、物理學、生物學和計算機科學等多學科聯合，在納米級操作分子來調控生命系統(tǒng)： 基因測序和基因表達檢測等繁瑣的勞動，通過應用納米技術制造的表面裝置和系統(tǒng)，工作效率將得到顯著提高。 納米技術應用于新藥的制造和作為藥物載體，將極大地增加藥物的治療效果，一些以前不能應用于人體的化

15、合物將成為新的藥物。,納米生物技術,納米探針等新分析工具的研發(fā)成功，將進一步促進探明細胞的化學和機械特征，測定單個分子的特性。 通過調節(jié)材料的納米結構，可獲得生物相容性和可高度控制、耐用的人體內植入物。 人工無機物和有機物納米級材料能進入細胞，發(fā)揮診斷作用。 分子工程生產的可降解化學制劑可促進植物生長和抵抗病蟲害。 作為基因和藥物的載體進入動物。,納米生物技術,世界專利現狀分析,納米生物技術,我國納米材料研究始于80年代末，“八五”期間，“納米材料科學”列入國家攀登項目。國家自然科學基金委員會、中國科學院、國家教委分別組織了8項重大、重點項目，國家“863”、“973”新材料專題也對納米材料有

16、關高科技創(chuàng)新的課題進行立項研究。,國內研究狀況,納米生物技術,在過去的十年間，國家通過研究計劃對納米領域資助的總經費大約相當于700萬美元，社會資金對納米材料產業(yè)化亦有一定投入。但與發(fā)達國家相比投入經費相差很大。,納米生物技術,2000年11月在國家科技部主持下成立了國家納米科技協調與指導委員會。 隨后，國家科技部、國家計委、教育部、國家自然科學基金委員會和中國科學院五部委聯合對我國納米科技的發(fā)展現狀、優(yōu)勢領域和存在的問題、發(fā)展戰(zhàn)略和布局等問題進行了研討。,頒布的國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(20062020年)也將納米研究列入“重大科學研究計劃”，成為未來15年我國引領未來發(fā)展、實現重點

17、跨越的4個重中之重的領域之一，而其中納米生物學和納米醫(yī)藥研究占有很大比例。,中國通過“國家攻關計劃”、“863計劃”、“973計劃”的實施，納米材料和研發(fā)水平獲得很大發(fā)展，技術的一大批技術含量高、極具成長性、擁有自主知識產權的科研成果相繼問世，并引起了國際上的關注。,納米生物技術,國內納米各個領域的專利所占比例,納米生物技術,中國納米科技論文論文數量位居世界前列， 論文排在美之后位居世界第二。,納米生物技術,國家863計劃概況,國家863計劃,即高技術研究發(fā)展計劃 1986年3月，鄧小平同志根據四位科學家的建議，為了迎接全球新技術革命和高技術競爭的戰(zhàn)爭，加快我國高技術及其產業(yè)的發(fā)展，親自批準啟

18、動了我國高技術研究發(fā)展計劃，即863計劃。,納米生物技術,國家“十五”863計劃已開設了生物工程技術主題下的“納米生物技術專題”、在新材料領域重大專項內設立了納米生物技術重大課題，國家“十五”攻關也設立了納米中藥等項目，在惡性腫瘤治療用納米磁性材料與相關應用技術、納米粒子靶向診斷與治療技術、藥物及治療基因納米粒制劑、納米制劑的生物合成、納米中藥制劑等方面也開展了研究。,“十一五”863計劃的發(fā)展戰(zhàn)略,承接國際產業(yè)轉移，廣泛利用華人資源和海外投資、海外市場，參與重大前沿技術和標準研發(fā)，引進、消化、吸收國外先進技術。 提高自主創(chuàng)新、提升核心競爭力、建立相對獨立技術體系、形成關鍵產業(yè)領域自主技術標準

19、體系。 搶占戰(zhàn)略高技術制高點，突破重大產業(yè)發(fā)展、重大科技轉化瓶頸性約束。 整合發(fā)展資源、培育高技術中小創(chuàng)新企業(yè)。,納米生物技術,“十一五”科技計劃突出四個方面：,從國家目標出發(fā)，樹立全局觀； 從國民經濟與社會發(fā)展、國家安全可持續(xù)發(fā)展對科技的重大需求入手，凝煉科技發(fā)展的重點； 充分發(fā)揚民主、鼓勵爭鳴； 充分利用已有的研究成果和寶貴經驗。,納米生物技術,“十一五”863計劃的工作重點,工作重點是在工作中突出產業(yè)化、信息化、國際化和自主創(chuàng)新。,納米生物技術,“十一五”863計劃 -納米研究,重點研究納米材料的可控制備、自組裝和功能化，納米材料的結構、優(yōu)異特性及調控機制，納加工與集成原理，概念性和原理

20、性納器件，納電子學，納米生物學和納米醫(yī)學，分子聚集體和生物的光、電、磁性性質及信息傳遞，單分子行為與操縱，分子機器的設計組裝與調控，納米尺度表征與度量學，納米材料和納米技術在能源、環(huán)境、信息、醫(yī)學等領域的應用。,納米生物技術,納米科學技術將滿足現代科學技術創(chuàng)新更小、更輕、更強、更快、性能更高、更廉價的趨勢，它對社會的沖擊將遠遠超過20世紀70年代的微電子和信息技術，它的發(fā)展將影響醫(yī)療衛(wèi)生的變革，孕育著巨大的商機。,納米生物技術,我們1990年開展了納米生物材料羥基磷灰石（HA）、磷酸鈣等研究，1994年起開展了磁性阿霉素納米藥物載體治療肝癌的前期研究,主要內容包括：納米藥物載體制備、載體在大鼠

21、體內的分布、磁靶向性、對大鼠移植性肝癌的治療效果等，已發(fā)表相關論文11篇。,納米生物技術,殼聚糖-碳納米載體是一種新型高效的基因載體，該載體系統(tǒng)對外源質粒DNA可提供完全的保護作用，使DNA結構保持完好，從而確保其在體內可能得以正常表達。（目前國內外研究的主要是碳納米管）,納米石墨碳粉的掃描電鏡照片,殼聚糖-碳納米粒的掃描電鏡照片,納米石墨碳粉的粒徑分析圖,殼聚糖-碳納米粒的粒徑分析圖,已制成一批納米顆粒，其中包括氧化鐵磁性納米顆粒、羥基磷灰石、碳酸鈣、磷酸鈣等無機納米顆粒和聚乳酸、聚丙乙交酯等有機納米粒。 已獲發(fā)明專利3項（1991年申報第1個納米生物材料工藝專利）。,衛(wèi)生部納米生物技術重點

22、實驗室采用國際上稱為“綠色化學”技術來合成納米生物活性材料。用于納米生物醫(yī)學材料合成的全部原料均為無毒并可被人體吸收的物質，包括反應溶劑。 仿人體膠原纖維結構的納米生物活性材料會更利于基因的攜帶、轉染，也更利于被生物體吸收。 同時攜帶基因的納米生物材料較之普通的納米生物材料會縮短修復時間，提高修復質量，增強骨組織功能，并能修復其他無基因材料所不能修復的損傷。,組織相容性骨材料,與美國伯克利高級生物材料公司聯合研制的可生物降解的骨修復材料已在中國和美國同時進行臨床試驗。,骨修復材料臨床試驗使用的簡要圖示,制備的納米顆粒,無機納米顆粒,有機納米顆粒,納米生物技術,納米顆粒,納米生物技術,聚乳化工藝

23、形成的磁性阿霉素納米粒的電鏡照片,納米生物技術,磁性阿霉素納米粒在磁場中的定向運動,納米生物技術,未加磁場情況下，經肝動脈注射磁性阿霉素納米粒30分鐘后，正常肝組織及血管中未發(fā)現納米粒的聚集,納米生物技術,施加磁場情況下，30分鐘后正常肝組織的血管及肝竇中大量的納米粒聚積,納米生物技術,未加磁場的腫瘤組織:腫瘤中可見少量分散的阿霉素納米粒存在,納米生物技術,加磁場的腫瘤組織:腫瘤周圍小動脈中可見大量納米粒聚積,納米生物技術,加磁場，經磁性阿霉素納米粒治療，60天后腫瘤組織被纖維組織和無結構的組織所代替，找不到癌細胞的存在,納米生物技術,納米載體轉染DNA 脂質體轉染DNA（200） 納米顆粒能

24、有效地將DNA轉移入細胞核內，其DNA轉移陽性細胞較相同條件下脂質體高6倍 。,納米生物技術,十五期間，在國家主席江澤民的倡導下，規(guī)劃了“國家納米科技發(fā)展綱要”，國家自然科學基金委、“九五”863計劃、“十五”863計劃從基礎研究和技術開發(fā)兩方面進行引導和資助，并從去年開始加大了資助力度，“十一五”863計劃在此基礎上設立了“高靶向緩釋納米醫(yī)藥制劑研發(fā)”、“納米生物材料研發(fā)”、“納米生物器件研發(fā) ” 三個重點研究項目。,納米生物技術,研究目標,發(fā)展靶向藥物緩釋和定位治療技術、疾病早期診斷和仿生組織修復材料與技術、生物制藥產業(yè)的納米化關鍵技術，以帶動傳統(tǒng)生物材料、醫(yī)療器械和制藥產業(yè)的技術進步，提

25、高我國生物醫(yī)藥產業(yè)的國際市場競爭力，促進相關研發(fā)中心、孵化器和基地建設。,納米生物技術,研究內容,1)靶向治療及藥物緩釋用納米材料與技術 2)治療病變和損傷組織的納米生物材料與 技術 3)納米生物傳感器技術和生物納米裝置 4)用于高效生物分離、疾?。ㄈ绨┌Y）早 期診斷的納米材料,納米生物技術,涉及的研究課題方向,用于組織和器官修復的納米材料 生物活性納米涂層、人工骨、骨板、骨釘、軟骨、牙冠、皮膚、肌肉、肌腱、心血管及介入支架、血液凈化（如納米C，血清消毒膜）、透析材料及透析膜、抗血栓、凝血及防鈣化涂層、防粘連材料、人工角膜、納米人工器官、美容整形修復體等,納米生物技術,涉及的研究課題方向,納米生物醫(yī)藥 生物導彈（藥物的器官及細胞靶向化）、納米磁性高分子微球、靶向治療納米載體藥物與制劑、可降解納米藥物控釋（如治療動脈和冠狀動脈再狹窄）及基因（DNA核苷酸）轉染（細胞）載體、細胞/基因/酶/生長因子的組織工程載體、降低眼內壓的納米眼藥水、疫苗（抗原）緩釋納米載體等,納米生物技術,涉及的研究課題方向,納米生物檢測與傳感器技術 生物感官系統(tǒng)、生物芯片、納米生化（細胞、心肌蛋白）分離基質與癌細胞、心臟病早期檢測與輔助治療、探測細胞內部生物化學反應、疾病早期診斷與防治、納米生物分子機械、微孔反應器、生物酶催化劑載體、胎兒細胞分離與遺傳缺陷