生物纳米技术课程习总纲.docx
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生物纳米技术课程习总纲
第一章绪论
1.Nanoscienceisnotphysics,chemistry,engineeringorbiology.Itisallofthem.
2.纳米技术概念：
纳米尺寸物质的制造与使用技术，是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100nm范围内材料的性质和应用。
3.纳米科学和技术是指研究和应用纳米尺寸物质，并且能够应用到其他所有的科学领域，包括化学、生物、物理、材料和工程学等。
——美国国家纳米技术计划
4.“There’sPlentyofRoomattheBottom”.1959年，费曼演讲中对一些原子尺寸操作的应用预测……然而当时并没有开启纳米世界的大门。
1981年，扫描隧道显微镜的发明打开纳米技术的大门。
5.
扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope,STM），是一种利用量子力学的隧道效应的非光学显微镜。
它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成隧穿电流，同时，物体表面的高低会影响隧穿电流的大小，针尖随着物体表面的高低上下移动以维持稳定的电流，依此来观测物体表面的形貌。
6.
原子力显微镜（AtomicForceMicroscope,AFM），是一种利用原子、分子间的相互作用力来观察物体表象微观形貌的显微镜。
将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，对应原子间距离的恒定，达到测量的目的。
7.由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。
这对于探索纳米生命物质非常重要。
第二章生命系统中的纳米分子、纳米结构、纳米组件及纳米组装
1.一般认为，纳米尺寸的四大效应：
小尺寸效应，表面效应，宏观量子隧道效应，量子尺寸效应。
2.蛋白质的组装：
胶原：
α-肽链→原胶原分子→胶原纤维；毛发：
α-角蛋白形成；肌动蛋白：
G-actin→F-actin；微管：
α-tubulin+β-tubulin.
3.核酸的组装:
DNA分子的双螺旋结构组装。
脂分子的组装:
自组装成脂质体、胶束等。
多糖的组装:
透明质酸（hyaluronicacid，玻尿酸）、树干.
4.环肽纳米管：
可在细胞膜上形成特定通道。
ATP合成酶用作旋转马达：
潜在用途，纳米机器人。
5.基于DNA的一些纳米技术应用：
利用DNA互补的性质；利用DNA分子骨架的负电性进行的纳米组装；利用DNA的B-Z异构互变。
6.利用DNA互补的性质，进行DNA的二维、三维自组装，形成各种结构，基于这些结构，其他生物分子及纳米颗粒可与DNA发生反应，便能进行相关的检测。
用于蛋白和配体之间互作、纳米颗粒的排列组装、单链DNA热振荡开关等。
（如下图分子马达的运动可通过荧光信号来直接进行监测，如用于溶液中酸性、碱性条件变化是的检测）
7.利用DNA分子骨架的负电性进行的纳米组装；利用DNA的B-Z异构互变
8.
9.纳米仿生材料/生物：
仿生壁虎；荷叶防水仿生。
10.纳米材料进入人体的途径包括呼吸系统消化道、皮肤以及口服方式等。
11.纳米生物技术是国际生物技术领域的前沿和热点问题，在医药卫生领域有着广泛的应用和明确的产业化前景，特别是纳米药物载体、磁性纳米材料、纳米生物传感器和成像技术以及微型智能化医疗器械等，将在疾病的诊断、治疗和卫生保健方面发挥重要作用。
12.纳米生物技术的弊端：
纳米材料具有潜在的生物毒性。
特别是空气中的纳米颗粒，能对人体健康产生潜在的威胁。
纳米材料在水体中也容易对水生生物产生毒害作用。
环境中的纳米材料可通过多种途径进入人体并可能影响人体的健康。
因此，发展纳米材料的同时，要充分研究纳米材料的生物学毒性，以便更好地利用纳米技术带来的利益。
第三章纳米载药系统
1.纳米载药系统：
以各种纳米颗粒为载体，将药物分子分散在载体之中或表面，从而制成的药物纳米分散体系。
2.在临床治疗中，传统的给药方式如片剂、胶囊、针剂等，存在几大弊端：
1）给药后血药浓度起伏较大，使用时间有限，给患者造成极大不便；2）药物的副作用较大；3）药物的利用率低；4）难以针对病灶进行靶向治疗。
3.药物制剂的发展目标：
建立药物控释系统，导向病患部位，通过一系列的物理、化学及生物控制，将药物以最佳剂量和时间释放出来，达到定时、定位、定量发挥药物疗效，从而提高药物利用率，减少副作用。
（缓释性、靶向性、提高生物利用率、提高药物稳定性、生物安全性，减少副作用等）。
4.
药物释放机制：
1、微粒表面药物的脱离；2、内部药物的扩散；3、微粒本身溶蚀分解引起的药物释放；4、扩散与分解同时进行。
5.纳米药物载体设计需要考虑的因素：
载体对药物的运载能力；载体在体内的归宿；载体的急性或慢性毒性；载体的物理化学稳定性；载体的生产成本。
6.纳米药物载体研究的重点：
材料的筛选和组合（获得适宜的释药速度）；表面进行修饰（提高靶向能力和改变靶向部位）；制备工艺优化（适于生产及增加载药量）；体内过程的动力学规律。
7.纳米药物的吸收方式：
1、口服吸收（胃肠道释放—胃肠道黏膜吸收或直接胃肠道发挥作用—进入血液循环释放药物）；2、静脉注射吸收；3、透皮给药吸收；4、黏膜给药吸收（鼻黏膜、口腔黏膜、眼黏膜等）；5、肺部给药吸收。
8.单核巨噬细胞系统（网状内皮系统）：
单核细胞及由单核细胞演变而来的具有吞噬功能的巨噬细胞，称为单核吞噬细胞系统。
单核吞噬细胞系统在体内分布广，细胞数量多，主要分布于疏松结缔组织、肝、脾、淋巴结、骨髓、脑、肺以及腹膜等处。
9.提升单核吞噬细胞系统（网状内皮系统）清除能力的蛋白：
调理素（opsonin）——能增强吞噬细胞吞噬功能的蛋白质；高密度脂蛋白（HDL）——专门在体内结合多余血脂，清除血液垃圾，HDL能破坏脂质体结构，促进单核吞噬细胞系统的吞噬能力。
10.单核吞噬细胞系统清除能力克服的方法：
空白载体饱和法；使用抑制剂法；短暂诱导死亡法；物理靶向法；免疫修饰法等。
11.毛细血管的类型：
连续毛细血管，有孔毛细血管，窦状毛细血管。
纳米载体的尺寸必须足够小，以保证进入血液循环后，不会因为简单的排阻作用而被清除。
12.纳米药物载体的靶向性：
被动靶向和主动靶向。
13.被动靶向剂：
自然靶向制剂，这是载药微粒由于正常的生理过程而产生的选择性聚集的体内分布特征。
主动靶向剂：
凡能将治疗药物专一性地导向所需发挥作用的部位（靶区），而对非靶组织没有或几乎没有相互作用的制剂统称为靶向制剂。
14.纳米药物载体的原料：
天然可降解高分子材料——胶原、白蛋白、壳聚糖、海藻糖、环糊精；合成可降解高分子材料——聚乳酸、乳酸-羟基乙酸共聚物、聚氰基丙烯酸烷脂、聚维酮、聚乙二醇等；两亲化合物类材料——磷脂、嵌段共聚物。
15.纳米药物控释系统类型：
……
16.1、聚合物纳米载药系统：
将药物溶解、夹嵌包裹或吸附于聚合材料上制成胶体固态纳米颗粒。
17.2、脂质纳米系统：
18.2.1、固体脂类纳米颗粒：
以固态的天然或合成的脂质为载体，将药物包裹于类脂核中制成的固态纳米分散体系；
19.2.2、纳米脂质体：
以磷脂为载体包裹药物的纳米分散体系。
20.2.3、药质体：
将药物与脂质化合物共价结合后，分散与水中所形成的一种胶体分散体系。
21.3、微乳载液系统：
由水、油、表面活性剂和助表面活性剂等按适当的比例混合，自发形成的各向同性、透明、热力学稳定的分散体系。
22.4、纳米悬液：
直接将药物加工成纳米级颗粒。
23.聚合物纳米粒的修饰：
1）聚乙二醇、聚氧乙烯、环糊精、壳聚糖等亲水性物质进行修饰，避免被单核巨噬细胞系统吞噬。
2）表面引物抗体或配体，赋予纳米粒靶向性。
等等等……………………
第五章磁性微粒在生命医学领域中的应用
1.常用的磁性材料有三类：
一类是单体，如单纯的铁、钴、镍等；另一类是合金，如铁镍合金、铁铝合金等；还有一类是氧化物，如氧化钴、四氧化三铁等。
用的最多的是Fe3O4，因为它粒子直径小、灵敏度高、毒性低、性能稳定、原材料易得。
2.Fe3O4一般对人体不产生毒副作用，整个疗程所用的载体含铁量不超过贫血病人的常规补铁总量，除部分被人体利用外，其余的磁性粒子能通过皮肤、胆汁、肾脏等安全排出体外。
3.纳米粒子的超顺磁性：
当磁性纳米粒子的粒径小于其超顺磁临界尺寸时，纳米粒子进入超顺磁状态，无矫顽力和剩磁。
4.超顺磁材料的磁性很容易随周围的磁场变化而变化，即使在较弱的磁场中亦能够产生相对较强的磁性。
当外磁场消失后，磁性便很快消失。
5.
6.磁导向给药系统（原理）：
磁性载药微球作为药物载体被注射到体内，在外部施加一定场强的磁场，能够诱导磁性载体微球移向病变区，然后药物以受控的方式（酶的活性或者生理条件的改变，如pH、渗透压、浓度和温度等）缓慢定位释放，集中在靶区发挥作用。
7.MNPs修饰的目的：
增强颗粒的稳定性；引入功能基团。
8.磁性纳米颗粒的类型：
1）核壳层结构：
核为磁性材料，壳为有机表面改性剂（有机小分子、有机高分子）或无机材料（金、SiO2等）；2）磁性纳米囊或微囊：
一般粒径在0.5-10μm药物与磁性颗粒包埋在纳米囊或微囊内。
9.磁性纳米颗粒的表面修饰：
有机小分子修饰（小分子表面活性剂：
脂肪酸和N-酰基氨基酸等。
普通有机小分子：
氨基酸、肽衍生物、柠檬酸等。
）；有机高分子修饰（天然高分子：
主要是多糖（葡聚糖、淀粉、明胶、壳聚糖、阿拉伯胶等）和蛋白质。
人工高分子：
水溶性或两亲性的高分子聚合物，如聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙内酯等）；无机材料修饰（金和SiO2等）。
10.磁性多功能载药微球（MFMNPs）：
磁性纳米粒可以与荧光探针、生物靶向分子或抗肿瘤药物等相结合实现磁性纳米粒的多功能化。
具备多功能的MFMNPs是磁性纳米粒子是发展方向。
11.磁性纳米材料进入细胞的方式
12.磁性纳米颗粒在肿瘤治疗中的应用研究：
1）肿瘤的热疗；2）肿瘤的栓塞治疗；3）肿瘤的基因治疗；4）肿瘤的化疗；5）肿瘤的放射免疫治疗。
13.磁性材料肿瘤热疗原理：
磁性纳米药物在磁场的引导下，可靶向病变部位，同时在交变磁场的作用下，磁滞后效应而产生热量将富有磁粒的肿瘤部位加热，这样可选择性地杀死癌细胞而不伤害正常细胞。
14.肿瘤的栓塞治疗原理：
采用微纳米磁性颗粒做栓塞剂，在磁场引导下靶向进入病灶部位并滞留于末梢血管床并引起栓塞效应。
15.肿瘤的基因治疗原理：
核酸可逆地结合到磁性纳米载体上，通过高能磁场导向于肿瘤（靶）区域，在靶区释放核酸进行基因治疗。
16.肿瘤的化疗原理：
负载化疗药物的磁性纳米载体在外加磁场的作用下，定向运输到肿瘤部位，再把药物释放出来。
17.肿瘤的放射免疫治疗原理：
负载放射性核素的磁性纳米载体在外加磁场的作用下，定向运输到肿瘤部位，对肿瘤实施照射治疗。
18.进行基因治疗时，常用阳离子的PEI（聚乙烯亚胺）来携带核酸，同时为避免PEI的细胞毒性，可利用PEG（聚乙二醇）偶联PEI来降低毒性。
19.高能态核必须通过适当的途径将获得的能量释放到周围环境中去，这种通过非辐射的能量迁移形式，使高能态核跃迁回低能态核的过程称为弛豫过程。
20.弛豫过程也可以分为两类：
纵向弛豫（T1）和横向弛豫（T2）。
21.纵向弛豫：
自旋－晶格弛豫，反映处于高能态的核通过电磁波的形式将自身能量传递到周围的晶格所需要的时间。
。
22.横向弛豫：
自旋--自旋弛豫，反应横向磁化衰减、丧失的过程，即横向磁化所维持的时间。
23.T1值越大，成像越亮，而T2值越大，成像越暗。
用于MRI的磁性纳米材料，T1型显影剂主要降低T1值，而T2型显影剂升高T2值，从而成像变暗。
24.磁性微粒在生物分离检测及酶固定。
原理及方法：
将免疫磁性微球与含有靶物质（欲分离物质）的复杂混合物共同培养，则免疫磁性微球可以通过抗原抗体反应选择性地与靶物质结合，当此混合物通过一个磁场装置时，与免疫磁性微球结合地靶物质就会被磁场滞留，从而与其他复杂物质分离开来。
第六章纳米生物传感原理及应用
1.生物传感器是基于生物分子识别原理所设计制作的检测器件。
它能选择性、连续可逆感受并传递、处理生物化学信息的系统装置。
2.检测的对象：
生物组分，包括核酸、蛋白质、酶、糖类、各种生物活性小分子、细胞、组织等。
3.生物传感器的组成：
1、分子识别元件（感受器），主要功能是进行生物化学分子的识别；换能器，主要功能是将感受器收到的生物化学信息转换成易检测的物理化学信号（光、电、磁、热和浓度等）；检测器，对物理化学信号进行检测、记录处理和显示结果。
4.生物传感器的特点：
可重复使用、专一性强、响应速度快、准确度高、操作简单、连续使用成本低等。
5.生物传感器中的换能器：
电化学型信号传感器、热敏型信号传感器、光纤光学型信号传感器、场效应晶体管、压电晶体型信号转换器、表面等离子体共振型信号转换器。
6.纳米生物传感技术是指采用纳米技术的生物传感，旨在通过生物技术来改善和提高传感器的性能，使其满足更广泛的应用需求。
纳米材料在生物传感器领域引入的主要作用：
加快电子传递；催化反应；固定生物大分子；标记生物大分子；反应控制开关；作为反应物
7.纳米生物探针（nanobioprobe）其主要功能是捕捉和识别生物靶分子。
包括分子信标、纳米金、量子点等.
8.分子信标（Molecularbeacon）包括经典的分子信标及新型分子信标（双重荧光共振能量转移分子信标、单荧光基团分子信标、锁定分子信标LNA、无茎分子信标、肽核酸分子信标、荧光波长转移型分子信标）
9.经典分子信标，由环部分、茎部分及荧光基团/猝灭基团对共3部分构成。
环：
可与靶标序列特异识别及结合；茎：
稳定性结构，可控制荧光信号的开启及关闭；荧光基团/猝灭基团对：
两者空间距离的变化而出现荧光信号的产生及猝灭。
10.常用荧光基团：
香豆素、ENDAS、荧光黄、四甲基罗丹明、德克萨斯红等。
常用猝灭基团：
二甲基氨基偶氮苯甲酰（DABCYL）
11.双重荧光共振能量转移分子信标：
存在两种分子信标，通过两种分子信标的互作才能实现检测。
12.单荧光基团分子信标：
单荧光基团分子信标将荧光基团直接连接到环状区的尿嘧啶（U）碱基的C5上，利用荧光基团与尿嘧啶之间发生的荧光共振能力转移，将其猝灭。
当信号分子与目的分子特异结合时，荧光增强。
13.锁定分子信标LNA是将核苷酸中的核糖的2’-O和4’-C用一个-CH2-连接起来，形成一个核糖双环结构。
LNA的特点：
高稳定性（温度、酶）、高选择性、高灵敏度（抗干扰强）
14.无茎分子信标：
特点：
去除结构性的茎部分，保留识别的环装部分；利用纳米金表面进行荧光猝灭。
15.肽核酸PNA是以中兴酰胺键为骨架的脱氧核糖核酸类似物，能够与DNA和RNA特异结合。
16.荧光波长转移型分子信标。
特点：
分子信标的一末端连接荧光收集基团和荧光发射基团。
优点是能够产生大的光谱位移（吸收光波与辐射光波），提高检测灵敏度。
17.分子信标的应用：
核酸检测、蛋白检测、固定化分子信标。
18.分子信标用于体外核酸检测（TanMan）、体内核酸检测（锁定分子信标、肽核酸分子信标）、多色分子信标对多个靶核苷酸同时进行定量检测。
19.分子信标用于核酸连接酶和核酸内切酶活性的检测、核酸结合蛋白的检测。
20.纳米金（胶体金），指金的微小颗粒，其直径在1～100nm。
具有高电子密度、介电特性和催化作用，能与多种生物大分子结合，且不影响其生物活性。
21.纳米金在生物检测中的经典应用：
电镜检测（利用了免疫金的高电子密度特性来增强显色反应，可准确定位抗原位置。
）；光镜检测（纳米金探针结合银增强可获得实现高灵敏度的检测）；肉眼检测（利用了免疫反应的夹心层法，是一种结合了免疫纳米金标记技术和色谱分离技术的快速诊断技术）。
22.量子点（quantumdot，QD）是由有限数目的原子组成，三个维度尺寸均在纳米数量级。
量子点一般为球形或类球形，是由半导体材料（通常由IIB～ⅥA或IIIA～VA元素组成,（如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe、InP、InAs等））制成的、稳定直径在2～20nm的纳米粒子。
23.量子点的应用：
量子点进行蛋白质检测、量子点进行DNA检测、量子点进行活体细胞的成像、量子点进行活体动物的成像、量子点药物的开发等。
24.量子点的毒性：
量子点的重金属的毒性，以及由量子点的激发态电子转移给氧分子所形成的活性氧产生的毒性。
第七章纳米技术在基因转移操作中的应用
1.基因转移的方法：
物理、化学、生物方法。
2.物理方法：
基因枪法，显微注射法，电击法。
3.化学方法：
PEG介导法、脂质体介导转化法、磷酸钙介导法。
4.生物方法：
农杆菌介导的基因转移，病毒介导的基因转移，精子介导的基因转移。
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