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1、纳米医学前景,张卫,公共课6 纳米与医疗,1,纳米医学前景张卫公共课6 纳米与医疗1,环境中对健康威胁,SARS禽流感猪流感三聚氰胺农药污染重金属污染,公共课6 纳米与医疗,2,环境中对健康威胁SARS公共课6 纳米与医疗2,纳米技术在医药中的应用,预防与保健纳米诊断纳米治疗纳米药物纳米治疗器械纳米人工器官,公共课6 纳米与医疗,3,纳米技术在医药中的应用预防与保健公共课6 纳米与医疗3,预防：健康的第一步,最廉价，最简单的第一步预防重于治疗社会化的系统急需自动化，详细化，无干扰化,公共课6 纳米与医疗,4,预防：健康的第一步最廉价，最简单的第一步公共课6 纳米与医疗,社会性的保健系统,网络病
2、历本按地区性，年龄性，性别的疾病统计传染病地图急病自动呼叫小区健康检查按小时的终身血压脉搏记录，疾病预测,公共课6 纳米与医疗,5,社会性的保健系统网络病历本公共课6 纳米与医疗5,体内实时健康监测,芯片一般多用于电子计算机或机器人的设计，但科学家正研发以纳米技术为基础的芯片作为界面来进行生物检测。纳米生物芯片是一门融会分子生物学、化学、医 学、计算机、自动化等多学科交叉的产物。利用一颗米粒大小的纳米芯片，附着或植入人体皮肤表层，通过纳米机电技术进行人体呼吸、心跳、血液等感应及检测功 能，甚至还可以通过无线传输等系统整合，将病人的监测资料传输至远端的手机或电脑资料平台上，一旦病人心跳不正常或血
3、液出现异常而有危险时，便可以提早诊 断并提出预警。,公共课6 纳米与医疗,6,体内实时健康监测芯片一般多用于电子计算机或机器人的设计，但科,纳米生物芯片,用途检测放在身上的实时监测芯片血液检查，体液检查使用唾液检测代替血液其他检测（ABC核生化检测）工程及试验DNA测序，基因修改,公共课6 纳米与医疗,7,纳米生物芯片用途公共课6 纳米与医疗7,优点,用量小，损伤小（以唾液代替血液）自动化，快速方便便宜可同时作多项检测结论：可大规模普及,公共课6 纳米与医疗,8,优点用量小，损伤小（以唾液代替血液）公共课6 纳米与医疗8,诊断：治疗的前提,无损诊断望闻问切超声波，磁共振，X射线验血验尿羊水切片
4、手术切开,公共课6 纳米与医疗,9,诊断：治疗的前提无损诊断公共课6 纳米与医疗9,疾病诊疗,以糖尿病患者为例，进行血糖检查需经常扎针，而抽血更是许多病患必做的检验项目。装置了纳米芯片后，即可发挥检测、无线网路传输、医疗监控等功能，患者安 坐家中便能让医生在远端进行诊断，提供合适的居家照顾。此外，纳米芯片亦能针对心脏病的发病危险指标解读病人的生理反应，直接撷取检测标的并进行分析。这 种纳米芯片的研制目前仍在试验阶段，有望在不久的将来应用在临床检测上。亦有科学家研制可对血液行病毒检测的纳米芯片，几分钟即可获得检验结果。此外，通过纳米放大技术的可视化基因诊断芯片，将为肝炎临床诊断提供崭新的方法。,
5、公共课6 纳米与医疗,10,疾病诊疗以糖尿病患者为例，进行血糖检查需经常扎针，而抽血更是,微量探测的技术,1：特异性结合DNA互补抗体结合化学结合（独特的代谢产物）2:富集3：显示（信号放大）沉淀变色荧光,公共课6 纳米与医疗,11,微量探测的技术1：特异性结合公共课6 纳米与医疗11,纳米诊断技术,使用纳米诊断技术只需通过血液中的DNA或蛋白质检测，便能诊断出很多早期疾病；如应用分子雷达光学相干层析术(optical coherence tomography，OCT)这种先进的纳米成像技术，每秒钟能完成生物体内活细胞的动态成像2 000次，以此来观察活细胞的动态。在发现单个细胞病变的同时不伤
6、及正常细胞，其分辨率可达1微米级，精密度较计算机X射线断层成像(CT)或核磁共振高 上千倍；而运用超顺磁性氧化铁纳米粒子脂质体，则可以诊断直径3毫米以下的肝肿瘤。利用纳米级荧光微粒接上抗体，就能进行免疫学的间接凝集试验。如只需0.5克金便可制备10 000毫升纳米金溶胶，研制成的金溶胶妊娠试剂，可验孕10 000人次，其诊断快速而可靠。,公共课6 纳米与医疗,12,纳米诊断技术 使用纳米诊断技术只需通过血液中的DNA或蛋白质,研究组在2008年3月11日于纳米科技在线报导了他们的新发现（一个金/硅基于异质结构纳米棒技术的沙门氏菌探测传感器）研究组中来自乔治亚大学传染病系的Ralph A.Tri
7、pp博士通过双折射薄膜界面的方法而构造一个硅/金的异质结构的纳米棒列阵薄膜，并整合上抗沙门氏菌的抗体与组织染色分子发挥作用。由于硅质纳米棒的高纵横比，使得附着于硅纳米棒上的染色分子对所探测捕获沙门氏菌具有更强的荧光着色性。左 图：用异质结构的附着抗体的纳米棒，处理的沙门氏菌显现出荧光的图片。强烈的绿斑，表示观察到阳性。右图：同样的位置，在白光下也可观察到微粒及其集合 体。微粒有两种外观，比如灰色，浓密的拉伸装微粒和蓝色，薄长的微粒。Park解释，传统的微生物技术-诸如ISO6579标准-需要5天时间才可以得到食物中病原菌的阳性结果,公共课6 纳米与医疗,13,研究组在2008年3月11日于纳米
8、科技在线报导了他们的新发现,公共课6 纳米与医疗,14,公共课6 纳米与医疗14,纳米膜过滤诊断,纳米技术还有助诊断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕8个星期时，血液中开始出现少量胎儿细胞。利用具有纳米级大小孔洞的半透膜或特殊的合成纳米管等，可把胎 儿细胞分离出来进行诊断，以判断胎儿是否有遗传缺陷，比往常采用的羊水诊断技术更简便安全。目前美国已将此项技术应用于临床诊断中。其他应用：用来分离病毒（克服聚集成团的问题）用来分离不同的细胞（正常和癌细胞）,公共课6 纳米与医疗,15,纳米膜过滤诊断纳米技术还有助诊断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕,公共课6 纳米与医疗,16,公共课6 纳米与医疗16,细胞内观
9、察，流体观察,使用纳米探针，可以看到比光学显微镜分辨率高一千倍的细胞内图像特点：直接成像，不做复杂的光学系统,公共课6 纳米与医疗,17,细胞内观察，流体观察使用纳米探针，可以看到比光学显微镜分辨率,糖尿病,中国正研制对糖尿病人呼气中的丙酮气体特别敏感的“纳米鼻”，只要呼气中含有百万分之一的丙酮，便会立刻发出警报，为糖尿病的早期诊断和大面积普 查带来了希望。纳米智能葡萄糖检测系统亦正在研制中，它能够植入皮下，监测血糖水平，在必要时释放出胰岛素，使病人体内的血糖和胰岛素含量维持正常 状态。,公共课6 纳米与医疗,18,糖尿病中国正研制对糖尿病人呼气中的丙酮气体特别敏感的,遗传工程及试验,由于纳米
10、技术可在微小尺度里重新排列遗传密码，纳米基因芯片结合纳米科技和基因工程技术，小小的纳米基因芯片能容纳上百万个人类基因片段，可用来开发新 药、改进疾病诊断和治疗方法。若研制成功，人类可以利用纳米基因芯片查出自己遗传密码中的错误，并迅速利用纳米技术进行修正，使各种遗传性疾病或缺陷得以 改善。,公共课6 纳米与医疗,19,遗传工程及试验由于纳米技术可在微小尺度里重新排列遗传密码，纳,纳米治疗,药物手术植入材料,公共课6 纳米与医疗,20,纳米治疗药物公共课6 纳米与医疗20,纳米药物,在药学方面，将常规治疗药物纳米化，可大大增加药物颗粒的表面积，使之与组织的接触面积增大，从而提高药效，并能减少用量及
11、降低副作用。另外，纳米化药物容易透过血管和组织屏障，易被巨噬细胞吞噬，故亦能增强药物的靶向性。近年美国发明了携带纳米药物的芯片，把它放入人体，可在外部加以导向，使药物集中到患处，提高药物疗效。,公共课6 纳米与医疗,21,纳米药物 在药学方面，将常规治疗药物纳米化，可大大增加药物颗,给药方式,若将不易被人体吸收或难溶性的药物制成纳米粉粒或悬浮液，可使其变得容易吸收，提高了药物的利用度。若把纳米药物制成膏药贴在患处，则有可能通过 皮肤直接吸收而无需注射。以纤维结构比较特殊的西洋参来说，其有效成分不易为人体充分吸收，经过纳米技术的超细粉末加工后，就有助解决吸收问题。通过纳米 技术改造传统制剂加工工
12、艺，可提高中药的疗效。如以纳米技术开发的雷公藤新剂型，有助解决其毒性问题。,公共课6 纳米与医疗,22,给药方式若将不易被人体吸收或难溶性的药物制成纳米粉粒或悬浮,优点,定向给药缓释给药脑血屏障穿透方式：脂质体 磷脂膜药物包覆毫微针头皮肤贴,公共课6 纳米与医疗,23,优点定向给药公共课6 纳米与医疗23,公共课6 纳米与医疗,24,公共课6 纳米与医疗24,纳米给药方式,增加药物的吸收 NP高度分散、表面积大，具有特殊的表面性能增加药物在吸收部位的接触时间和接触面积加之NP对药物具有明显的保护作用(多肽)控制药物的释放 可以使药物具有不同的释药速度。（缓释）磁性引导，温度引导（癌症），抗体引
13、导，酸碱度，光敏,公共课6 纳米与医疗,25,纳米给药方式增加药物的吸收公共课6 纳米与医疗25,改变药物的体内分布特征 靶向于吞噬细胞丰富的肝脏、脾脏、肺和淋巴组织等特别小NP还可以进入骨髓组织。NP经抗体介导、配体介导或磁场介导等，可主动靶向靶组织。改变药物的膜转动机制 NP可以增加药物对生物膜的透过性，如增加药物对血脑屏障和细胞膜的同透性等，有利于药物对一些特殊部位的治疗。,公共课6 纳米与医疗,26,改变药物的体内分布特征 公共课6 纳米与医疗26,纳米医疗器件,众所周知，每个人都是从一个受精卵来到这个世界，以30亿对碱基作为生命的蓝本，决定着细胞乃至生命的基础。细胞、基因组、蛋白质组
14、、细菌、病毒 等均属纳米级尺寸，它们全活在一个超微世界里。事实上，人体就如同一所微型工厂，要对其深入了解并进行改造，若能利用与其相当大小的器件，定能取得更好的 效果。科学家们设想纳米医疗器件和药物可以畅游于人体各处，甚至进出细胞，在体内完成特定的监视、控制、防御、治疗和修复使命。例如运用纳米传感器进入体 内监测生物或化学变化，适时释放所需药物和养分；或捕捉入侵的细菌和病毒并把它们消灭，杀灭癌细胞、修复畸变的基因等。,公共课6 纳米与医疗,27,纳米医疗器件众所周知，每个人都是从一个受精卵来到这,医用纳米机械或纳米微型机器人可潜入人体的血管和器官，进行检查和治疗，使原来需要进行大型切开的手术成为
15、 微型切开或非手术方式，并使手术局部化。纳米医用机器甚至可以进入毛细血管以及器官的细胞内，进行治疗和处理。这类机器可以将对人体的伤害减小到最低程 度。含有纳米计算机的、可人机对话的、有自身复杂能力的纳米机器人一旦制成，能在一秒钟内完成数十亿个操作动作。如果数量足够多，就可以在几秒或几分钟内 完成现今需几天或几个月甚至几年、几十年才能完成的工作。和细胞一样，作业中坏了的微型机械可以随时被更换或修理。微型机械发展的顶峰，或许是可以自己增殖繁衍的纳米机器人。别以为以上设想不可思议。纳米科学家们相信这种愿望能够实现。,公共课6 纳米与医疗,28,医用纳米机械或纳米微型机器人可潜入人体的血管和器官，进行
16、检查,想象图：清除血管脂肪沉积,公共课6 纳米与医疗,29,想象图：清除血管脂肪沉积公共课6 纳米与医疗29,纳米医用材料,纳米骨材料具有很好的生物兼容性和重塑性，把它植入体内填充各类型的骨缺损，其网状结构可生长出很多新生的骨细胞，所有充填的纳米骨材料最后会降 解消失，骨缺损部能完全被新生骨取代。应用纳米技术还可以制出只有几毫米的“人造手”，植入病人体内，医生在体外控制操作，进行精细的手术，此研究仍在模 型阶段。前景：纳米制备的心脏瓣膜，眼角膜，肝脏，肾脏,公共课6 纳米与医疗,30,纳米医用材料纳米骨材料具有很好的生物兼容性和重塑性，,生物中的纳米复合结构,公共课6 纳米与医疗,31,生物中
17、的纳米复合结构公共课6 纳米与医疗31,生物惰性材料和生物活性材料,1）生物活性材料 是指生物环境中，材料通过细胞活性能部分或全部被溶解或吸收，并与骨置而形成牢固结合的生物材料。羟基磷灰石 甲壳素2）生物惰性材料 是指化学性能稳定，生物相容性好的生物材料。即把该生物材料 植如人体内不会对机体产生毒副作用，机体也不会对材料有排斥反应即材料不会被组织吞噬，又不被排斥出体外，最后被人体组织包围起来。纳米Al2O3和ZrO2等即是生物惰性材料。纳米Al2O3由于生物相容性好、耐磨损、强度高，韧性比常规材料高等特性，可用来制作人工关节、人工骨、人工齿根等。纳米ZrO2也可以制作人工关节、人工齿根等。,公
18、共课6 纳米与医疗,32,生物惰性材料和生物活性材料1）生物活性材料 是指生物环境中，,在治疗上的应用举例,科学界与医学界正合力研究应用纳米技术诊治人类三大重症：恶性肿瘤心血管疾病糖尿病并已初见成效,公共课6 纳米与医疗,33,在治疗上的应用举例科学界与医学界正合力研究应用纳米技,恶性肿瘤,把磁性纳米粒子结合抗癌药物注入人体内作靶向治疗，将大大提高肿瘤的药物治疗效果。科学家用金纳米材料开发出一种内含药物的纳米球，外面有二氧化 硅涂层，注射入人体后可发放“近红外线”，从而识别癌细胞，并把光转化为热量直接杀死癌细胞，却不会对健康组织造成损害。另有体外实验证明，二氧化钛纳米粒子容易积聚和依附在细胞膜
19、上，并能轻易通过吞噬进入细胞质，藉着光线照射，可激发二氧化钛纳米粒子杀灭人体结肠癌细 胞。最近德国将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入患鼠肿瘤部位，使癌细胞完全被磁场封闭，通过可变磁场将铁氧体纳米粒子加热到4547来杀死癌细胞。由于周围的正常组织中不存在磁性微粒，故丝毫不受伤害。,公共课6 纳米与医疗,34,恶性肿瘤把磁性纳米粒子结合抗癌药物注入人体内作靶向治,还有一种超微颗粒乳剂载体，极易 和游散于人体内的癌细胞融合，若用它来包裹抗癌药物，可望制成克癌“导弹”。亦有科学 家用磁性纳米颗粒成功分离了动物的癌细胞和正常细胞，并已在治疗人骨髓癌的临床实验中初见成效。此外，用纳米药物来
20、阻断血管“饿死”癌细胞的研究亦在进行 中。使用和金纳米粒子结合的DNA制作的反转义药物,公共课6 纳米与医疗,35,还有一种超微颗粒乳剂载体，极易 和游散于人体内的癌细胞融合，,心血管疾病,医学界所广泛使用的人工心脏瓣膜，目前是由钛金属与不锈钢合金所构成，但在移植入人体后仍有损坏的可能性。结晶纳米氧化锆是一种具有高度抗生物损 耗的可能替代材料。另一方面，美国现在已能制备出包含几百、几千个原子的颗粒，长度只有几十个纳米，表面活性却很大。若能让颗粒在血管中自由移动，将会像 一个巡航导弹，能自动寻找沉积于静脉血管壁上的胆固醇，然后逐一分解；也可以清除心脏动脉中的脂肪沉积物，疏通脑血管中的血栓。使用纳米粒子修复心脏Dr.Richard T.Lee,哈佛医学院，使用纳米纤维控制心脏修复细胞在人体的分布,公共课6 纳米与医疗,36,心血管疾病医学界所广泛使用的人工心脏瓣膜，目前是由,健康用途,简单的清洁水源使用纳米技术便宜的制造清洁水源,公共课6 纳米与医疗,37,健康用途简单的清洁水源公共课6 纳米与医疗37,是药三分毒：纳米的健康威胁,纳米粒子的健康危害矽肺可轻易穿透血管屏障，通过呼吸，食物等在体内沉积生物活性诱发病变排斥反应过敏反应,公共课6 纳米与医疗,38,是药三分毒：纳米的健康威胁纳米粒子的健康危害公共课6 纳米与,
