纳米技术在生物领域中的应用精.docx

纳米技术在生物领域中的应用精.docx

《纳米技术在生物领域中的应用精.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米技术在生物领域中的应用精.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

纳米技术在生物领域中的应用精

化学通报2002年第65卷w038

纳米技术在生物领域中的应用

洪元佳洪广言*牛春吉

（中国科学院长春应用化学研究所稀土化学与物理开放实验室长春130022）

摘要对纳米技术在生物及相关领域应用的纵深发展作以介绍

装系统生物芯片

关键词纳米生物应用模板自组ApplicationsofNanotechnologyinBiochemistry

HongYuanjia,HongGuangyan,NiuChunji

（KeyLaboratoryofRareEarthChemistryandPhysics,ChangchunInstituteofAppliedChemistry,Changchun130022）

AbstractDevelopmentsinnano-biologyandnano-chemistryhavebeenintroducedinthisarticle,

includingnano-devices,templateself-assemblysystem,tissueengineering,nano-probe,nanosensors,integratedsystemsnanotechnologiesandnano-technologiesfordrugdelivery.

KeywordsNano,Biology,Application纳米技术涉及面十分广泛

化学医学和材料等有关的领域对许多科技领域产生了巨大的影响可以认为生物世界是由纳米级单元构成例如

３０００ｎｍ

体内的RNA蛋白质复合体

寸比生物体内的大多数器官小相应地

细胞行为更好调控而且具有重要的应用价值近年已取得长足发展本文对纳米生物学及相关领域近期的新发展作以介绍

F1-ATPase（F1-三磷酸腺苷酶）是细胞中精巧

的之一

在能量循环中起关键作用初级能源）的大型嵌膜复合体

26岁现从事纳米材料研究９０００ｎｍ

蛋白质的尺寸为1生物纳米粒子的尺

即在纳米水平上有助于对

２０ｎｍ之间因此是一种用于合成ATP（

三磷酸腺苷作功吸收和传导等的

2001-12-31修回

化学通报2002年第65卷w038

Boyer[3]曾提出F1-ATPase分子模型

马达

Noji[5]突破常规

并通过在膜的F0部分作为巨型探针以提供旋转马达负载

然后将整个分子固定于Ni-NTA（Ni氨三乙酸配合物）涂敷的玻璃基底上

他们直观观察到F1-ATPase分子的单个旋转F1-ATPase系缚的肌动朊细丝才能旋转

并符合X射线晶体结构预测的方向

说明尺寸只有10nm的F1-ATPase酶是一种新的马达蛋白

而且

链霉抗生素蛋白

Ni-NTA盖玻片

图1F1-ATPase蛋白分子马达

Fig.1ExperimentalsystemfortheobservationoftherotationofthegsubunitinF1-ATPase

自然界中有一些细菌可以靠摆动其鞭毛而运动是一个由蛋白质构成的转子有ATP酶的活性

制造出了一种分子马达

把金属镍制成的螺旋桨嫁接到三磷酸腺苷酶分子中轴上

浸于ATP溶液后达只在显微镜下才能被观察到

但另5个则转动起来

达到750nm

它的中心

每个蛋白质分子都具带动鞭毛摆动

这种马

ÑÐ

¾¿ÈËÔ±¹Û²ìµ½Ò»¸ö³¾°£Á£×ÓÏȱ»ÐýתµÄÂÝÐý½°ÎüÈëºÍ˦³öµÄÇé¾°[8]

±ÈÈ罫»¯ÁÆÒ©ÎïÖ±½ÓÔËË͵½Ö×ÁöÒÔ¼õÉÙ

¶ÔÕý³£Ï¸°ûµÄËðÉËÑùÖ»Òª¹â´æÔÚ

¸üÉîÈëµÄÑо¿½«ÔÊÐí¿Æѧ¼ÒÃÇÀûÓ÷Ö×ÓˮƽÉϵÄÑо¿½á¹û

´´Ôì

ϵͳºÍÈ«ÐÂÄÉÃ×»ú

еÆ÷¼þ

ÀýÈç¿É̽²âÓꦻ¯Ñ§Îï

ÕâÖÖ´«¸ÐÆ÷ÄÚµÄÂí´ï¾Í´ò¿ª·§ÃÅÊͷųö¿É¼ûµÄÎïÖÊʾ¾¯

Õâ

±ÃºÍ´«¸ÐÆ÷×é³É¼¯³ÉÆ÷¼þ

ÖʵÄÄÉÃ×´«¸ÐÆ÷

化学通报2002年第65卷w038

利用小型和浓度图

纳米机械还可以利用DNA基本元件碱基的配对机制研究人员设计出三条DNA链A的另一半与C的一半结合开合的镊子镊子合上配对的部分结合子反复开合这种镊子的

[10]

同时绘制出它的分布

燃料

A

枢钮

nm长

D仍留出一部分未配对的碱基

即能使镊子重新张开

镊子保持

这样就构成了一个可以的状态

使

使它与链D上碱基未

可使镊

故将DNA称为

利用碱基配对机制

使它分别与B和C上碱基未配对的部分结合

Á£×ÓµÄ×éװͨ³£ºÜÄÑÓó£¹æµÄÎï

Àí»ò»¯Ñ§·½·¨À´Íê³É

Óë×é×°Ä£°å¼äµÄʶ±ð×÷ÓÃÒÔ´ø¶¯Á£×ÓµÄ×é×°ÓйÌÌåĤ

Óлú·Ö×Ó

ºóÁ½Õß¾ÙÀý˵Ã÷ÈçÏÂ

Éú³¤

Ä£°å·¨ÊÇÀûÓÃÄÉÃ×Á£×Ó

Ä¿Ç°ÒÑÓ¦ÓõÄÄ£°å

这些

分离效率

合成的纳米结构材料有许多特殊的性质储存特性和从

运输行为

胶体中释放的动力学特性等[12,13]

ÀýÈç

ÉúÎïÌåÀûÓÃ

½ºÔ-µ°°×

´Ó¶øÐγÉÓ²×éÖ¯

核

类似分子马达的生物组

有

利用生物分子作为模板合成无机纳米粒子

酸可以根据双螺旋结构进行自组装装可用作输运作用等

可能实现不同纳米粒子间的组装

形状和结构等

利用蛋白质作为模板合成CdS纳米粒子[15]

利用哺乳动物眼睛晶状体管蛋白作为模板合成纳米尺寸的CdS粒子

[17]

郭中满等[14]利用含有正硅酸乙酯

借助芦荟叶外表皮细胞壁模板生物矿化合成了针状纳米结构SiO2晶体

这些针状结构中含有高水平硅

而对照株叶片的扫描电镜切片上晶体数量极少

DNA分子或其片断也可用作纳米粒子组装的模板不是通过模板与纳米粒子的识别

对金纳米颗粒的组装

[19]

µÄÅäλ×÷Óý«µÍ¾ÛºËÜÕËá·Ö×Ó½áºÏµ½Á£×ÓÉÏ

ͨ¹ý½ðÁ£×ÓÓëÛÏ»ù

组装过程

或者将两份金纳米粒子分别包敷上含有互补碱基序列的低聚核苷

化学通报2002年第65卷w038酸则可得到二维或三维的金纳米粒子组装体系[21]ʹµÃ×é×°¹ý³Ì¾ßÓи߶ȵÄÑ¡ÔñÐÔÓÉÓÚ´ø¶¯×é×°µÄ¶¯Á¦Ô´ÓÚÄÉÃ×Á£

×ÓÍâ°ü·ó·Ö×ӵķÖ×Óʶ±ðÕâÔÚÖƱ¸ÌØÊâÐÔÖʺÍÒªÇóµÄÄÉÃ×Æ÷¼þµÈ·½Ãæ¾ßÓÐDZÔÚµÄÓ¦ÓüÛÖµ

δ¼ÓȾɫµÄϸ

°û×éÖ¯ÓÉÓڳĶȵÍ

ÄÉÃ×Á£×ӵijöÏÖΪÁ˽â¾öÕâ¸öÎÊÌâ

ÎÄÏ×[29]介绍了比

利时的Demey博士在乙醚的黄磷饱和溶液中

InAsInPCdSe

子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合）

ÉÏÁ˱êÇ©

ÔÚÏÔ΢¾µÏ³ÊÏÖ×Ô¼ºµÄÌØÕ÷ÑÕÉ«¸÷ÖÖ×éÖ¯ÈÝÒ×±»·Ö±æ归一化荧

光波长/nmCdSe,InP,InAsInP纳米晶尺寸寸3.0nm,3.5nm,4.6nm（从右至左）其粒径为30并由此制备了金纳米粒子-抗体的复合体（即将金的纳米粒¾ÍÏ൱ÓÚ¸ø¸÷ÖÖ×éÖ¯Ìù利用纳米粒子的小尺寸效应

合成了一系列不同粒径的CdSe等纳米粒子从图中可见向短波方向移动

标记4ＩｎＰ可以用于荧光生物然后用激光或紫外灯照射

化学通报2002年第65卷w038

观察到两种不同的颜色红光的3nm粒子位于细胞核中

从荧光分析表明

该半导体纳米粒子作为荧光生物标记

而发

在诊断和显影方面具有更广泛的应用前景

如细胞的癌前病变都伴随着被感染的细胞的化学变化

能够反映这种变化的技术在原理

上都可以作为一种疾病的早期诊断工具

生物传感器是基于生物分子

Ca

2+

K

+

ÆÏÌÑÌÇ

抗体等的专一性和灵敏性

利用传统因此可以

的电子器件进行信号检测和传输

葡萄糖氧化酶（GOD）

生物传感器是一种基于氧化还原的酶做生物传感器

以上的中国人很有实用意义

进行葡萄糖氧化酶（GOD）

的固定化研究

即明显地提高葡萄糖生物传感器的响应电流和稳定性

不仅如此

作用

例如

细菌视紫红质中

SiO2与金的纳米微粒在某些生物体系中能产生明显的生物效应

[32]

ÄÉÃ×Á£×ÓÄÜÌá¸ßÊÓÈ©±¡Ä¤µÄ¹âµçÁ÷¼°ÆäÎȶ¨ÐÔ

[33]

ÀýÈç½ð

这种吸附定向如螺吡喃

而且对一切受构型影响的反应也有影响

CeO2纳米

晶对细菌视紫红质-聚乙烯醇（bR-PVA）薄膜进行化学修饰

且晶粒尺寸越小对M态寿命的影响越大

它们在制备仿生信息与识别薄膜等类型的纳米生物传感器中具

有重要作用

和单独一种纳米颗粒相比力

有效地加速了酶的再生过程

某些种类的生物芯片的研究也正在向纳米量级发展

例如

抗体做夹子

膜蛋白做泵等等

长30µm的脂质管

这些利用分子来设计和装配类似仪器零件的研究

生物芯片技术另外一个重要并具有应用价值的发展方向是为新药的开发提供高通量乃至超高通量筛选的技术平台[35,37]

ÄÉÃ×¼¼ÊõÒ²³äÂúÏ£Íû

降低电子在电极和固定化酶间的迁移阻

人们利用

分子的自组装特性制作了一些结构

化学通报2002年第65卷w038

（1）进一步减小测试尺度在每个实验中允许研究更多基因

（3）探索这类系统在临床甚至作为体内实时传感器等方面的应用

药物颗粒的尺寸可由微米减小至纳米甚至更小尺寸

将有利于药物溶解于体内环境

6.1药物尺寸纳米化

技术进步加速了新药的发展

制备的成本将更低廉

可以提高其生物利用度

分散性和吸收性

剂”的新工艺

[41]

¸ßЧ͸ƤÊÍ·ÅÖƼÁµÈ

ÓÚÈÕ·þ¿ØÊÍƬ

¸É·ÛÎüÈë¼Á

¿ËùßòÖƼÁ

发挥药效

药物合成路线将革新

最近

°¢ÌÇ°ûÜÕ

ÀûÓÃÄÉÃ×¼¼Êõ¼Ó¹¤µÄ³¬Î¢Ò©ÎïÊÊÓÃ

ÉàÃæËÙÈÜƬÒÔ¼°Ö²ÈëʽÖƼÁºÍÖ¬ÖÊÌåµÈ¼ÁÐÍ

纳米药物制

¾ßÓйãÀ«·¢Õ¹Ç°¾°µÄÐÂÐ͸øҩϵͳ

Ìá¸ßÒ©ÎïµÄ

ÉúÎïÀûÓöȲ¢¼õÉÙ²»¹æÔòÎüÊÕ

与CA溶液制剂相比

CA的AUC和MTR均有显著提高

说明SLN是

一种具有广阔前景的缓释和靶向制剂的载体

SLN

载带抗肿瘤药物还可以定向将药物靶向于输送至癌组织同时降低耐药性的产生

如通过微型传感器控制对纳米尺寸药物运输

准确控制药物的释放剂量

纳米粒子已被用于向细胞输运药物和基因胞难以吸收）

的化合物结合

和其他小血管更为方便损伤组织

细胞内输运的得力工具

利用一定压力的氦气基因枪

因疗法中有广阔应用领域的一项技术

也是基

使金颗粒与基因（DNA或RNA）

结合后

可

不易被细胞内化（细

而不会象不溶粉末一样阻塞毛细血管

携带DNA片段的纳

纳米级粒子将使药物在人体内的传输有希望用于主动搜索并攻击癌细胞或修补

源生粒子

在人体中药物作用的效率和速度显著增加

米粒子可以被用于向靶细胞导入特定基因

靶配体和承载药纳米颗粒能将药物定位释放于体内的目标组织

如受体介质的

并将成为

化学通报2002年第65卷w038吸附于柱状尼龙子弹的前端光滑表面尼龙子弹受阻

基因能在生物体内进行表达复制而达到预期的目的[43]

Ö¯»òϸ°û¿ÉÒÔ×÷Ϊ»ùÒòµÄÔËÔØÌå使尼龙子弹高速射出

使×é

±í´ïЧÂʸߵÄÌص㳣½ò[7]采用经典的氧化还原法成功地将抗癌单克隆抗体

（Ab）ÖƱ¸³É¾ßÓÐÃâÒß»îÐÔµÄÈýÔª½áºÏÎﰢùËØÃâÒß´ÅÐÔºÁ΢Á£

德烈亚对普通磁疗法进行了重大技术改进,发在水中溶解后注入肿瘤部位肿瘤部位完全被磁场封闭肿瘤部位的温

¶øÁÙ½üµÄ½¡¿µ×é֯˿ºÁ²»ÊÜÓ°Ï쾫ȷµÄ¶¨Ïò´ÅÁÆ·¨²»»á¶Ô²¡È˲úÉú¸±×÷ÓÃ

Ö×ÁöÔÚ1.5h治疗逐步推广到治明了新的抗癌疗法

度可以达到

47Ñо¿Ð¡×éÀûÓÃеĴÅÁÆ·¨¶Ô»¼ÓÐÈéÏÙÖ×ÁöµÄʵÑéÊó×öÁËÊÔÑé后完全消失预期对人体的临床治疗将首先用于成胶质细胞瘤

疗其它肿瘤

图3包覆聚苯乙烯氧化铁纳米粒子分离小鼠骨髓液中癌细胞示意

Fig.3Schemeofseparatingcancercellinmousemarrowbynano-sizeFe2O3coatingpolystyrene

6.5杀菌光催化反应最理想的催化剂是半导体纳米粒子

在水净化和空气净化领域获得应用

下对大肠杆菌耐光腐蚀TiO2纳米微粒在光照条件且于80min后全部杀灭

化学通报2002年第65卷w038播超细粉末（直径为20nm以下

）

利用纳米粒子的小尺寸效应Éñ¾-À඾ÆøµÈËáÐÔÆøÌåµÄÎü¸½ÄÜÁ¦

10%）包覆Fe2O3（[Fe2O3]AP-CaO,[Fe2O3]CP-CaO）

后续处理更加简便的高活性吸附膏这些纳米级粉末和（固化形成）多孔小球的表面化学特性似环境修复等方面都颇具应用前景Koper小组[44~46]合成了具有大表面积和表面化学吸附特性增强的的系列无机氧化物及部分包覆物²ÉÓÃÆøÄý½º·¨ÖƱ¸µÄÄÉÃ×Á£×Ó（AP-CaO[Fe2O3]CP-CaO）使CaO对SO2

的吸附作用明显增强剂乎与特征纳米晶不同的多面体外形有关图4钙氧化物样品消除paraoxon的速率比

Fig.4Rateofdisappearanceofparaoxon（4.5µl）oncalciumoxidesamples（0.1g）综上所述纳米技术生物学的结合虽任重而道远

致谢相关商业领域的应用正待开发

建立在多学科交叉基础上的发展时期及在成文过程中的多次讨论和细致修改

化学通报2002年第65卷w038

[16]陈霞,靳健杨文胜等.高等学校化学学报,2000,21:

1115~1117.

[17]WangJY,UphausRA,AmeenuddinS.Thinsolidfilms,1994,242（1/2）:

127.

[18]ShentonW,DouglasT,YoungMetal.Adv.Materials,11:

253~256.

[19]李彦,施祖进,周锡煌等.化学进展,1999,2:

148~152.

[20]AlivisatosAP,JohnssonKP,PengXetal.,Nature,1996,382:

609~611.

[21]MirkinCA,LetsingerRL,MucicRCetal.Nature,1996,382:

607~609.

[22]HameroffS.J.Vac.Sci.andTech.A,1990,8:

687~691.

[23]SvobodaK,SchmidtCF,SchnasppBJetal.Nature,1993,365（6448）:

721~727.

[24]ShiHQ,TsaiWB,GarrisaMDetal.Nature,1999,398（6728）:

593~597.

[25]OddeDJ,RennMJ.Ann.Biomed.Eng.,1998,26:

S~141.

[26]RennMJ,PastelR,DowskiHJL.Phys.Rev.Lett.,1999,82:

1574~1577.

[27]BruchezMJ,MoronneM,GinPetal.Science,1998,281（5385）:

2013~2015.

[28]ChanWCW,NieSM,Science,1998,281（5385）:

2016~2018.

[29]张立德,牟季美.纳米材料和纳米结构.北京:

科学出版社,2000:

510.

[30]崔福斋.材料导报,1999,13（4）:

13~14.

[31]孟宪伟,唐芳琼,冉均国等.化学通报,2001,6:

365~368.

[32]SunYH,LiJR,LiBFetal.Langmuir,1997,13（22）:

5799~5801.

[33]江龙.无机化学学报,2000,16

（2）:

185~194.

[34]ChenXY,LiJR,LiXCetal.Bioch.Biophys.Res.Commun.,1998,245:

352~355.

[35]许俊泉,贺学忠,周玉祥.科学通报,1999,44（24）:

2600.

[36]NanotechnologyResearchDirections:

IWGNWorkshopReport（IWGN）,1999:

119.

[37]DebouckC,GoodfellowPN.NatureGenet.,1999,21:

48~50.

[38]BraxtonS,BedilionT.Biotechnol.,1998,9（6）:

643.

[39]王建新,张志容.中国药学杂志,2001,36

（2）:

73~76.

[40]陈克正,王丽平,刘兴斌.药学进展,2000,24（4）:

193~196.

[41]朱世斌,王玉琪.中国粉体技术,2000,6:

42~44.

[42]DavisSS.TrendsBiotechol.,1997,15（6）:

217~224.

[43]KleinTM,WolfED,WuRetal.Nature,327:

70~73.

[44]DeckerS,KlabundeKJ.J.Am.Chem.Soc.,1996,118:

12465~12466.

[45]KoperO,LucasE,KlabundeKJ.J.Appl.Toxicol,1999,19:

S59~S70.

[46]KoperO,KlabundeKJ.Chem.Mater,1997,9:

2481~2485.

[47]沈杭燕,张晋霞,阮秀秀等.浙江大学学报（理学版）,2001,28

（2）:

173~178.

[48]刘平,林华香,付贤智等.催化学报,1999,20（3）:

325~328.