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纳米技术在医学领域中的应用研究进展

来源:  作者:谢克亮 赵长安 [字体: ]

【关键词】  纳米

 纳米技术(nanotechnology)是指在0.1~100nm空间尺度上操纵原子和分子,对材料进行加工,制造具有特定功能的产品或对物质及其结构进行 研究 的一门综合性的高新技术学科。20世纪80年代开始的纳米技术在90年代获得了突破性进展,其与医学的结合形成了新兴边缘学科―――纳米医疗,即在分子水平上利用分子工具和已掌握的关于人体的知识,从事的疾病诊断、医学、预防、保健和改善健康状况等。在认识生命的分子基础上,人们可以设计制造大量的具有奇特功效的纳米装置,它们能够发挥类似于组织和器官的功能;它可以达人体的各处甚至出入细胞,在人体的微观世界里完成畸变的基因修复、扼杀初发的癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒、探测机体内化学或生物化学成分的变化、适时地释放药物和人体所需的微量物质、及时改善人的健康状况等特殊使命。纳米技术在医学领域中的普遍 应用 将使21世纪的医学产生一个质的飞跃。

1 纳米生物医学材料的应用

由于纳米材料结构上的特殊性,赋予纳米材料独特的小尺寸效应和表面/界面效应,使其在性能上与微米材料具有显著性差异,表现出诸多优异的性能和全新的功能 [1] 。在医学领域中,纳米材料最引人注目的成功应用是作为药物载体和制作人体材料如人工肾脏、人工关节等。生物兼容物质的开发是纳米材料在医学领域的重要应用方面,树型聚合物就是提供此类功能的良好材料。 目前 ,纳米生物医学材料的探索应用如下。

1.1 纳米人工红细胞 [2,3] 我们知道,脑细胞缺氧6~10min即出现坏死,内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。纳米人工红细胞的原理是用一个可以双向旋转涡轴的选通栅门来控制氧气从小球中释放,通过调节涡轴旋转的速度和方向,使小球内的氧气根据人体需氧的多少以一定的速率释放到外部血液中,同时使供氧装置在富氧处具有吸收和需氧处具有释放氧气的功能;同理,它还必须能在适当的地方吸收和释放二氧化碳。Robert FrEitas初步设计的人工微米红细胞是一个金刚石的氧气容器,内部有1000个大气压,泵动力来自血清葡萄糖,它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的233倍,并具有生物炭活性。它可以应用于贫血症的局部 治疗 、人工呼吸、肺功能丧失和 体育 运动需要的额外耗氧等。

1.2 纳米人工线粒体 [4] 当细胞中的线粒体部分失去功能的时候,再来增加氧供给水平,并不一定能使组织有效地恢复,这时就需要直接释放ATP同时伴随着有选择地释放和吸收其他的一些代谢产物,后者是迅速恢复组织功能的有效手段。人工线粒体装置,如同前面的供氧装置一样,只不过在这里释放的是ATP而不是氧。

1.3 纳米人工眼球 [5] 科普作品四川大学研制的纳米人工眼球可以像真眼睛一样同步移动,通过电脉冲刺激大脑神经,“看”到精彩世界。纳米眼球外壳主要是由纳米晶体制成的活性复合材料制作,里面放置微型摄像机与集成电脑芯片,通过这两个部件将影像信号转化成电脉冲来刺激大脑的枕叶神经,实现可视功能。

1.4 纳米人工鼻 纳米人工鼻实际上是一种气体探测器,与燃气监视器道理相同,可同时监测多种气体。英国伯明翰大学正在研制“纳米鼻”来预报致哮喘病发作的环境因素,一旦空气中含有易引发哮喘病的气体如臭氧、一氧化碳及氮的氧化物时,其显示器就发出信号。

1.5 其它纳米生物医学材料 [6] 模拟骨骼结构的纳米物质,主要成分为与聚乙烯混合压缩后的羟基磷灰石网,物理特性符合理想的骨骼替代物。通过优化纳米管制备制动器,将使人工肌肉得到实现。有报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂,金属陶瓷等复合纳米材料则能更大地改变材料的力学性质,在医学上可能用来制造人工器官。碳纳米管比钻石还耐用,其弹性如同人发,在1cm 2 上可植100亿根,且敏感度很强,大大超过人们的耳蜗纤毛;高敏感度的碳纳米材料人工耳蜗,可用于监听水中游动的微生物节奏,监测水质。在血液循环中流动的纳米听诊器,可监测特殊细胞功能失调,使癌症等疾病得到早期诊断。

2 纳米技术在临床诊断与检测中的应用 [7~10] 

2.1 光学相干层析技术(Optical Coherence Tomography,OCT) 和CT、MRI相比,OCT能以2000次/s完成生物体内活细胞的动态成像,动态观察体内单个活细胞的病理变化,而不会像X线、CT和MRI那样破坏活细胞。该技术的出现将使疾病初发即被扼杀。

2.2 纳米激光单原子分子探测技术 该技术具有高超的灵敏性,它可在含有10 19 个原子/分子的1cm 3 气态物质中,在单个原子/分子层次上准确获取其中1个。据此,医生可以通过检测人的唾液、血液、粪便和呼出气体,及时发现人体中只有亿万分之一的各种疾病或带病游离分子,并用于肿瘤细胞的诊断与治疗。

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