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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(xié)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 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。  國內外現(xiàn)狀納米生物技術是目前國際生物技術領域的前沿和熱點問題，在醫(yī)藥和現(xiàn)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。 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。 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(xiàn)任總統(tǒng)布什 2003年12月簽署的《21世紀納米技術研究開發(fā)法案》，自2005財年開始的4年內，聯(lián)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。 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(jù)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。 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(shù)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，以提高難溶性藥物的藥效率。 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。 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。 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） 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）常規(guī)生物醫(yī)學材料的問題功能和壽命不能滿足臨床要求 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(shù)。將來有可能完成在人體細胞內發(fā)放藥物等醫(yī)療任務。 美國杜克大學研究人員利用自行組裝的ＤＮＡ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(shù)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(lián)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。 化學、物理學、生物學和計算機科學等多學科聯(lián)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合物將成為新的藥物。 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。 世界專利現(xiàn)狀分析 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(jù)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，親自批準啟動了我國高技術研究發(fā)展計劃，即863計劃。 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)。 “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。 “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。 “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。 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。 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） 組織相容性骨材料 衛(wèi)生部納米生物技術重點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。 制備的納米顆粒 聚乳化工藝形成的磁性阿霉素納米粒的電鏡照片磁性阿霉素納米粒在磁場中的定向運動 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(xiàn)納米粒的聚集施加磁場情況下，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 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。 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、疾病（如癌癥）早 期診斷的納米材料 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 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 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檢測、細菌/微生物過濾膜、納米葡萄糖酶電極、超微量生物分子免疫檢測用納米材料、核磁照影用納米材料、生物納米材料與器械檢測評價技術等 可光熱轉化的金屬復合顆粒癌癥治療示意圖 納米藥物載體 磁性/高分子微球靶向輸運與治療癌細胞早期診斷基因、蛋白等高效生物分離可降解納米高分子微球藥物緩釋與控釋微球的生物安全性評價 納米載體的生物醫(yī)學應用納米磁微球 －使細胞分離更簡單 －使癌癥診斷更靈敏分子生物學全新的工具磁性載體的制備口腔納米生物相容材料可注射根尖充填、牙槽肌增高制劑材料蓋髓劑 –粘合劑 –補牙材料納米生物活性涂層種植牙納米陶瓷牙冠心血管介入支架材料 增長率：≈50% 納米生物醫(yī)學傳感器 生物酶傳感器血液氧生物傳感器其他 納米技術是21世紀科技發(fā)展的制高點，是新工業(yè)革命的主導技術。21世紀前20年，是發(fā)展納米技術的關鍵時期，納米技術將成為第5次推動社會經濟各領域快速發(fā)展的主導技術。目前，納米技術已經成為全世界關注的技術，納電子代替微電子，納加工代替微加工，納米材料代替微米材料，納米生物技術代替微米尺度的生物技術，認識和發(fā)展這一技術，將在未來經濟競爭的格局中能占據(jù)有利地位。Y64紅軟基地