供稿|王海成，鄧玲，閆智然，魏鑫 / WANG Hai-cheng, DENG Ling, YAN Zhi-ran, WEI Xin

納米（nano）是一個長度單位(nm)，即十億分之一米，1 nm只有幾個原子那么大。

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1～100 nm）或由納米粒子作為基本單元構(gòu)成的材料，它包括二維的薄膜材料、一維的納米線（管、帶）及零維的納米顆粒。

納米技術(shù)，是指在0.1～100 nm空間尺度內(nèi)，研究原子、分子的運動規(guī)律和特性，操縱原子和分子對材料進行加工，制造特定功能產(chǎn)品的高新技術(shù)。

納米科技是一個涉及化學(xué)、物理、材料科學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等眾多學(xué)科的交叉領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)。近年來，隨著納米科技的發(fā)展，其對疾病的診斷和治療等生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展有著重大的推動作用。據(jù)估測，納米科技在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用全球市場在2015年有望達到700～1600億美元。由此，納米技術(shù)和分子生物學(xué)相結(jié)合發(fā)展出一個新的研究領(lǐng)域—納米醫(yī)學(xué)，包括靶向治癌、蛋白質(zhì)提純、藥物傳輸和醫(yī)學(xué)影像等[1-6]。

然而，納米物質(zhì)是人類所發(fā)明的嗎？答案是否定的。事實上，納米材料在自然界中早已經(jīng)存在。動物的牙齒，骨骼，海底的藻類、天上的隕石都是納米材料構(gòu)成的。荷葉“出淤泥而不染”，這其中就隱藏著納米技術(shù)知識。在荷葉的表面，水汽會自動聚集成水珠，將葉面上的塵埃清洗干凈，這就是著名的荷葉效應(yīng)。原來，荷葉表面有著非常復(fù)雜的納米超微結(jié)構(gòu)，在荷葉的表面布滿了一個挨著一個的小“山包”，小“山包”之間的凹陷部分可有效的吸附游離空氣，從而使荷葉的表面形成一層薄薄的空氣層，正是由于這層薄薄的空氣，將塵埃隔絕開來，這就是納米技術(shù)現(xiàn)象。在自然界, 植物通過葉片把光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的光合作用就是納米工廠的典型例子。生物體內(nèi)也存在著納米顆粒，最新的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂的腹部存在著磁性納米粒子，這種磁性的納米粒子具有類似指南針的功能，蜜蜂利用這種納米粒子來確定其周圍的環(huán)境，利用在磁性納米粒子中存儲的圖像來辨明方向。同時科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)海龜也是依靠自己頭部的納米磁性顆粒進行導(dǎo)航來完成幾萬公里的遷徒的。人們還發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶以及水中生活的趨磁細菌等生物體之所以具有回歸本領(lǐng)，也是因為它們體內(nèi)存在的超微粒磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)航下能辨別方向。對人類來說, 應(yīng)用生物學(xué)來實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)上納米及控制和操縱僅僅才是開始。

納米技術(shù)在診斷技術(shù)方面的應(yīng)用

診斷是臨床工作第一個重要的環(huán)節(jié)，是治療的前提和依據(jù)。

新型的納米影像學(xué)診斷工具—光學(xué)相干層析術(shù)(OCT)

OCT被科學(xué)家譽為“分子雷達”，其分辨率可達1個微納米級，較CT和MRT(磁共振)的精密度高上千倍，能夠每秒2000次完成生物體內(nèi)活細胞的動態(tài)成像，觀察活細胞的動態(tài)，發(fā)現(xiàn)單十細胞病變.且不會像X線、CT、MRT那樣殺死活細胞。OCT分析如圖1所示。

圖1 納米光學(xué)相干層析術(shù)結(jié)構(gòu)分析。

納米技術(shù)用于分析和檢測

納米技術(shù)可以對生物體進行分析與檢測，目前已有多種光學(xué)手段應(yīng)用于骨強度測量、眼球直徑測量；也有類似的光介導(dǎo)的方法測量體溫和血壓。納米激光可用于腫痛細胞的診斷。20世紀80年代末，國外開始研究納米超順磁性氧化鐵造影劑，納米顆粒形貌如圖2所示。中國醫(yī)科大學(xué)第二臨床學(xué)院陳麗英教授等進行的超順磁性氧化鐵超微顆粒研究，通過動物實驗證明，可發(fā)現(xiàn)直徑3 mm以下的肝腫瘤。這對早期診斷肝癌十分有利，大大提高了肝癌早期診斷的敏感性。

圖2 氧化鐵納米顆粒（7～8 nm）

激光單原子分子探測術(shù)

此術(shù)可在古有1000億個原子或分子的1cm3氣態(tài)物質(zhì)中，在單個原子分子層次上準確獲取其中一個，可見具有超高靈敏性。通過人的唾液、血液、糞便以及呼出的氣體，及時發(fā)現(xiàn)人體中億萬分之一的各種致病或帶病游離分子(或標志物)。

微小探針技術(shù)

微小探針植入人體后，可根據(jù)不同的診斷和監(jiān)測目的，定位于體內(nèi)的不同部位，也可隨血液在體內(nèi)運行，隨時將體內(nèi)的各種生物信息反饋到體外記錄裝置。

納米技術(shù)在治療技術(shù)方面的應(yīng)用

納米機器人

納米機器人是納米機械裝置與生物系統(tǒng)的有機結(jié)合，由納米傳感器、納米處理器與納米執(zhí)行器等組成。納米傳感器探測疾病的性質(zhì)和位置，納米處理器考慮采取什么措施來治療，納米執(zhí)行器依照預(yù)設(shè)程序治療疾病。這種納米機器人的尺寸比人體紅血球小、它可以自由地進出細胞壁、能周游于人體微觀世界而不被免疫系統(tǒng)排斥（如圖3所示）；能夠?qū)Ρ换瘜W(xué)或輻射引起損傷的細胞進行修復(fù)，殺死細胞內(nèi)的病菌；裝上特殊的手術(shù)刀，就可以完成醫(yī)生較難完成的微型手術(shù)，如殺死或切除病變組織，做微型整容手術(shù)，切除視網(wǎng)膜上的瘢痕組織，加強血管壁的結(jié)構(gòu)，修復(fù)關(guān)節(jié)，縫合血管、神經(jīng)，直接進入心臟進行電擊起搏，直接進入被污染的組織中清除污染物等。還可以修復(fù)DNA中有害的基因片段?；蚴挂鸢┌Y的DNA突變發(fā)生逆轉(zhuǎn)而延長人的壽命或使人返老還童。納米機器人通過修復(fù)大腦和其他臟器的凍傷而使低溫貯藏的人復(fù)活。

微管腔的清道夫（納米醫(yī)生）

圖3 納米機器人在人體細胞內(nèi)進行工作

納米機器人是包含納米計算機可以進行人機對話的高智能的裝置，而微管腔納米清道夫則只能做些粗活。利用納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)等成果，制造成的毫微型機器人，其體積遠遠小于紅細胞的體積。向病人血管中注射若干這種毫微型機器人，他就可以進入血液循環(huán)中, 用其類似機械功能，以清除血管內(nèi)血栓及動脈血管壁上的斑塊、改進血流、 以防止心、腦梗塞。它們還可按照事先編制好的程序，探測它們所碰到的任何物體，對正常組織細胞置之不理，而遇到病菌會將其“嚼碎”，破壞成腎臟能排泄的廢物。還可用于膽道與泌尿系統(tǒng)粉碎結(jié)石，以治療膽道及泌尿系結(jié)石癥。

藥物輸送器（定點給藥、生物導(dǎo)彈）

傳統(tǒng)的用藥方式有靜脈、肌肉、口服給藥等。這些方法往往是局部病變，全身給藥，真正到達病變局部的藥物數(shù)量有限，大量藥物被其他部位吸收，并可能對正常組織產(chǎn)生一定的毒副反應(yīng)。利用納米技術(shù)制成的藥物輸送器(包括傳感器、儲藥囊和微型壓力泵) 將可以很輕易地運輸?shù)较惹安荒艿竭_的身體部位，釋放相應(yīng)劑量藥物殺死病原體，清除病灶，如圖4所示。這樣可以節(jié)省藥物，又可防止全身性用藥后產(chǎn)生的不良反應(yīng)。利用微型機器人探入體內(nèi)做到定點給藥.將是21世紀納米治療內(nèi)科疾病的特點。例如對糖尿病患者，藥物輸送器可不斷探測其血液中血糖水平，當高于正常水平時，就釋放藥囊中的胰島素，以維持正常的血糖水平。

腫瘤細胞的治療

圖4 納米Au粒子表面修飾藥物

某些納米材料可殺死癌細胞，武漢理工大學(xué)李世譜教授1993年發(fā)現(xiàn)羧基磷灰石的納米材料是殺死癌細胞的有效武器，委托北京醫(yī)科大學(xué)等權(quán)戚機構(gòu)做的細胞生物試驗表明：納米粒子可以殺死人的肺癌、肝癌、食管高等多種癌細胞。李教授認為納米材料要具備殺死癌細胞、不傷害正常細胞的奇特功效。必須具備2個條件：一是納米粒子具備一定的尺度，在20～100 nm之間。二是納米粒子要呈“均勻”分布，才具藥效。

圖5 納米材料可用于腫瘤細胞的靶向治療

納米技術(shù)在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域方面的應(yīng)用

納米抗菌藥

納米Ag+、Zno、TiO2等粒子因其內(nèi)部有特殊的結(jié)構(gòu)而帶有不飽和的負電荷, 因而具有強烈的陽離子交換能力，對病菌、細菌有很強的吸附固定作用，從而起到抗菌作用，是良好的納米抗菌材料。我國安信納米生物科技( 深圳) 有限公司開發(fā)生產(chǎn)的“廣譜速效納米抗菌顆?！敝睆街挥?5 nm的棕色納米抗菌微粒、對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等致病微生物均有強烈的抑制和殺滅作用，同時還具有廣譜、親水、環(huán)保無耐藥性和無毒等多重性能，是最理想的全天然殺菌材料。該產(chǎn)品開發(fā)成功，標志著我國納米材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用達到世界先進水平。

納米抗癌藥

如上所講的武漢理工大學(xué)李世普教授發(fā)現(xiàn)納米羥基磷灰石是對付癌細胞的有效武器, 并用于癌癥治療。這種納米粒子可以殺死人的肺癌、肝癌、食道癌等多種癌細胞, 而對正常細胞絲毫無損傷。

納米粒子

磁性納米粒子是一種納米尺度的金屬超微粒子，它不具備矯頑力，但呈現(xiàn)超順磁性：即對磁場有反應(yīng)、撤去磁場后、即散開。利用磁性納米粒子的超順磁性，可進行細胞及生物分子的分離與純化，并可進一步研制作為載體，為藥物及基因的靶向性治療提供可行性。例如，巷國柏林“沙里特”臨床醫(yī)院就已嘗試借助磁性納米微粒治療癌癥，研究人員將一些極其細小的氧化鐵納米微粒注入鼠類的腫瘤里，然后將其置于可變的磁場中 受磁場的影響，腫瘤里的氧化鐵納米微粒升溫到45～47℃，這一溫度足以燒毀癌細胞。由于腫瘤附近的機體組織中不存在磁性微粒，因此這些健康組織的溫度不會升高，也不會受到傷害。研究人員計劃下一步進行人體試驗。前面提到，中國醫(yī)科大學(xué)第二臨床學(xué)院已完成超順磁性氧化鐵超微顆粒脂質(zhì)體的研究課題，運用這項研究成果可以發(fā)現(xiàn)直徑3 mm以下的肝腫瘤。

納米中藥

納米技術(shù)因其小尺寸效應(yīng)及特殊的磁學(xué)性質(zhì), 對中草藥性能及其療效的研究, 可能帶來不可估量的前景。華中科技大學(xué)徐碧華教授提出了納米中藥的科學(xué)概念。納米中藥是指運用納米技術(shù)制造的粒徑小于100 nm的中藥有效成分、有效部位?！凹{米中藥”不僅可以提高藥物的生物利用度，有效降低中藥的毒副作用，增強臨床療效，而且更方便、更經(jīng)濟。如果將不易被人體吸收的藥物做成納米粉，則更容易被吸收。世界上首項將納米技術(shù)應(yīng)用于中草藥加工領(lǐng)域的納米級中藥膠囊生產(chǎn)技術(shù), 已在西方國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)誕生，并通過產(chǎn)品技術(shù)鑒定，其中甘草微膠囊微粒平均粒徑19 nm。納米技術(shù)和納米材料的應(yīng)用豐富了中藥的劑型，提高了中藥的臨場療效，有利于降低藥物的不良反應(yīng)，使中藥具有一定的緩釋性和組織靶向性，促進中藥生產(chǎn)走向工業(yè)化，標準化和規(guī)模化，加速了中藥向國際市場的進軍步伐，對中藥的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。

人造紅血球

圖6 納米材料用于研制新型藥物

我們知道，腦缺氧6～8 min即出現(xiàn)壞死，內(nèi)臟器官缺氧后也出現(xiàn)衰竭。人造紅血球不僅具有消除體內(nèi)壞因素的功能,而且還有增強人體功能的能力。當人的心臟因意外突然停止跳動時，醫(yī)生可以馬上將大量的人造紅血球注入人體,隨即提供生命賴以生存的氧,以維持整個機體的正常生理活動。

保健品

上海中醫(yī)研究所與濱?？h首烏制品有限公司的科研人員, 將納米技術(shù)引入首烏加工工藝中, 成功研制出一種沖泡簡便、營養(yǎng)豐富的多元素“速溶”首烏粉, 檢測表明是一種藥用價值較高的保健補品。除此之外，國內(nèi)還開發(fā)出超微粒靈芝孢子粉。

納米技術(shù)在人造器官方面的應(yīng)用

1994年，Bonfield已成功研制出模擬骨骼結(jié)構(gòu)的納米物質(zhì), 其主要成分為與聚乙烯混合壓縮后的羥基磷灰石網(wǎng)，物理特性符合理想的骨骼替代物其它可用于臨床的納米材料還有人工關(guān)節(jié)、美容植入假體及口腔正畸材料。基于納米材料特殊的性質(zhì)，可以容易的尋找人體各組織的替代物。德國馬克斯一普朗克協(xié)會下屬的固體研究所與美國等國家的科學(xué)家合作研究出以納米碳管為成分人造肌肉纖維，它的伸縮性和靈敏度超過了迄今為止的任何人造材料。2000 年四川大學(xué)李玉寶還研制出納米人工眼球。這只眼球不僅可以像真眼一樣同步移動，還可以通過電脈沖刺激大腦神經(jīng)，看到精彩世界。相信不久后的世界殘疾將遠離人類。

納米技術(shù)在人類美容和長壽方面的應(yīng)用

納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)美容和抗衰老中的應(yīng)用

正所謂愛美之心人皆有之，現(xiàn)如今，納米技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)美容和抗衰老領(lǐng)域的研究和應(yīng)用一直是倍受關(guān)注的熱門話題。有關(guān)納米美容化妝品和納米醫(yī)學(xué)美容技術(shù)應(yīng)用性研究的報道主要集中在納米技術(shù)在化妝品中的應(yīng)用上。包括在化妝品乳化技術(shù)中的應(yīng)用、在活性物質(zhì)添加技術(shù)中的應(yīng)用、作為防曬劑原料在防曬化妝品中的應(yīng)用、以及利用納米材料包裹運載美容化妝品中生物活性物等。

納米技術(shù)的大膽設(shè)想—納米技術(shù)令你長生不老

長壽這曾經(jīng)人類是不敢奢望的，可能有人會問，現(xiàn)在人類就敢奢望長壽嗎？我不敢做絕對的回答，但是目前，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人類對運用納米技術(shù)延長壽命開始有了新的期待。

美國人工智能專家雷·庫茲維爾曾勾畫的未來人類命運的藍圖中，最為閃光的論點就是人類基因可以實現(xiàn)“重新編程”，從而讓生命脫胎換骨，健康地活上幾百年。他設(shè)想在不久的將來可以在人類血液中植入一種“納米蟲”的機器人裝置，納米蟲”的大小近似人體血液細胞，它能夠從細胞及分子的層面讓人體變得更為健康，能進一步加快人類壽命增長的速度。

結(jié)束語

近年來, 隨著納米材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展, 納米材料的應(yīng)用開發(fā)日益引起人們的關(guān)注，納米材料在高靈敏度醫(yī)學(xué)診斷、高效治療等領(lǐng)域具有重要的研究價值和應(yīng)用潛力。納米材料與科技的發(fā)展，無疑對疾病檢測診斷、靶向治癌、藥物釋放等納米醫(yī)學(xué)的發(fā)展有著重大的推動作用，將為人類健康作出積極的貢獻。

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