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1、Carbon Materials in Medical Field,主讲内容：Part one:碳纳米管类医用纳米材料 Part two:石墨烯类医用纳米材料 Part three:其他类医用纳米材料,Part one:碳纳米管类医用材料-概要,Definition of Nanotube:碳纳米管是由碳元素构成的一种具有中空管状结构，直径在几纳米至几十纳米之间（一纳米等于一百万分之一毫米），长度可达数微米（一微米等于一千分之一毫米）的新型碳纳米材料它是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳纤维中发现的,Chemical Structure
2、 of Nanotube:它是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取SP2杂化，相互之间以碳-碳键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭电子云,Part one:碳纳米管类医用材料-应用,Application one:药物载体系统碳纳米管可简单地看作是由碳原子组成的石墨烯片层卷成的中空管体,其直径在纳米尺度范围内。它在养料、药品供给系统方面有很大的应用潜力。高强度碳纳米管可在养料、药品供给系统与细胞之间形成圆筒形的渠道，输送肽、蛋白质、质粒 DNA 或寡核苷酸等物质。Venkatesan 等的研究表明碳纳米
3、管可显著增强促红细胞生成素在大鼠小肠内的吸收率。这可望在将来解决口服促红细胞生成素吸收率低的问题,Part one:碳纳米管类医用材料-应用,Application two:生物传感器生物传感器的工作原理是将酶促反应过程中的化学、光学和热转换成电信号,罗济文等研究了单壁碳纳米管修饰玻碳电极对 L-半胱氨酸氧化的催化作用。L-半胱氨酸在单壁碳纳米管修饰玻碳电极上可产生不可逆的氧化峰。峰电位大大低于其在裸玻碳电极上的电位。该修饰电极可用于药物中 L-半胱氨酸的测定及其他领域,唐婷等利用化学偶联法将末端修饰氨基的寡聚核苷酸固定在表面修饰有羧基化碳纳米管(CNTs-COOH)的金电极表面，制备新型核酸
4、探针，可以特异性结合目标单链寡聚核苷酸。应用碳纳米管特有的纳米结构对检测结果的放大作用，提高了传感器的检测限和灵敏度,另外有研究表明碳纳米管具有明显的促进生物分子的电子传递作用,Singh 等用经化学修饰的水溶性的功能性碳纳米管作为 DNA 质粒载体在哺乳动物细胞中成功表达了目的基因。并且通过透射电镜，琼脂糖凝胶电泳等方法对经不同基团修饰的碳纳米管与 DNA 结合形成的复合体进行了检测。结果显示 3 种阳离子碳纳米管都可在不同程度上对 DNA 进行浓缩，碳纳米管的表面积与电荷浓度都达到了临界值。这说明功能性碳纳米管确实与 DNA 载体形成了某种物理化学性的结合,Part one:碳纳米管类医用
5、材料-应用,Application three:促进骨组织修复生长,羟基磷灰石与占人体硬组织70%左右的无机质成分极为相似,具有优良的生物活性和生物相容性,是目前国际上公认的硬组织植入材料。但是,纯的羟基磷灰石的力学性能较差,不能用作承重植入体。而碳纳米管具有相当高的强度和韧性,还具有优异的电学、磁学、吸波等性能,是一种公认的超强一维增强材料。将其与羟基磷灰石复合,有望在保持其生物相容性的同时,较大幅度的提高其力学性能,甚至使其产生磁性或吸波性,从而制成一种功能活性生物材料,Part one:碳纳米管类医用材料-应用,孙康宁等对碳纳米管/羟基磷灰石复合材料的制备工艺进行研究,结果显示加入碳纳米
6、管后的碳纳米管/羟基磷灰石复合材料的弯曲强度与断裂韧性明显提高且以超声分散工艺所得复合粉体最佳。,Price 等和 Elias 等的研究还表明碳纳米纤维能促进成骨细胞的分裂、增殖。因此可以设想用碳纳米纤维促进成骨细胞的吸附与生长。他们希望将此种材料用于牙种植体表面的修饰，以提高其组织相容性。研究者还指出碳纳米管较碳纳米纤维具有更优良的机械性能，但造价更高一些,Application three:促进骨组织修复生长,另外，基于碳纳米管优越的表面、体积比，Webster 等尝试用多壁碳纳米管与聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥复合成生物复合骨修复材料。实验证明，应用不同多壁碳纳米管与聚甲基丙烯酸甲酯配比浓度(
7、多壁碳纳米管质量比 2%10%)制备的碳纳米管复合材料，能在不同程度上增强原有材料的静态和动态机械性能。而且随多壁碳纳米管浓度的增高，复合材料的机械抗疲劳及抗拉力参数总体呈上升趋势,Part one:碳纳米管类医用材料-应用,Application four:促进神经再生,减少神经组织瘢痕产生,美国的研究人员开发出了一种自组装液体，注射到体内即可凝固，形成一种类似于“脚手架”的结构，能向细胞发出有序的生物学信号，引导组织重建。这种“纳米脚手架”可以引导神经祖细胞选择性分化为神经细胞，这一成果有望产生新的治疗中枢系统瘫痪的方法,Webster 等报道碳纳米纤维不仅可刺激神经元的轴突再生，也可以减
8、少瘢痕组织的产生。研究者将碳纳米纤维与聚氟乙烯的混合物压缩成平板，用来培养与瘢痕产生有关的星细胞，发现随着碳纳米管含量的增加，聚氟乙烯含量的减少，星细胞的黏附也呈减少趋势,Mattson 等也证明碳纳米管具有同样的促神经再生和减少神经组织瘢痕产生的作用。现在常用的脑探针是用硅制成的，但是，这种探针有一个主要的缺点，就是易引起大脑组织瘢痕的产生。如果能够利用碳纳米管的这种抑制星细胞聚集的作用来制造新的探针，相信会取得好的效果,Part one:碳纳米管类医用材料-应用,碳纳米管应用前景：由碳纳米管制成的微型纳米钳，就有望成为科学家和医生装配纳米机械和进行微型手术的新工具。将纳米碳管用于极微细毛细
9、血管的医治或代替破损的毛细血管，可使当前不能修复的毛细血管得到修复碳纳米管具有优良的伸缩性，而且较低电压就可产生较大的机械拉伸，而且随外加电压的变化长度会发生规律性的伸展收缩。利用这种特性，制成人造肌肉纤维，不仅可用于人类肌纤维的移植和修复，还有望将来作为未来机器人的运动构件。在牙医学方面，将碳纳管和宝石或金刚石制成复合材料，碳纳米管可以使复合材料得到加固，这样可得到强度、色泽和生物相容性俱佳的釉质材料。或者利用碳纳米管制备新型的牙用种植体材料,Part two:石墨烯类医用材料-概要,Definition of Graphene:石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六
10、角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，它是于2004年，英国曼彻斯特大学物理学家者Geim和Novoselov，成功地在实验中用机械剥离法从石墨中成功制备,石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/mK，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/Vs，而电阻率只约10-6 cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料固其电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳
11、能电池。,Part one:石墨烯类医用材料-应用,Application one:基于氧化石墨烯的纳米载药体系,2008年Dai Hongjie课题组首次报道了利用PEG(聚乙二醇)修饰的氧化石墨烯作为难溶性含芳香结构的抗癌药物载体。他们首先将石墨氧化，获得了尺寸小于50 nm的纳米氧化石墨烯(nanoscale grapheneoxide，NGO)，再将生物相容的PEG接枝到NGO上(如图所示)。这种石墨烯材料在生理条件下包括在血清中具有良好的生物相容性和稳定性。然后通过-堆垛等物理作用将抗癌药物SN38(喜树碱衍生物)吸附在PEG化的NGO表面，形成石墨烯一药物复合物,研究发现，NGO-
12、SN38复合物有良好的水溶性，表明其作为药物载体可以用于难溶性药物的增溶，且复合物中SN38仍高度保持活性。体外实验发现，NGO-SN38可以有效地杀伤结肠肿瘤细胞HCT-116，其杀伤效果是CPT-11(依立替康，FDA通过用于治疗结肠癌的SN38药物前体)的近1 000倍。更重要的是，NGO-PEG作为药物载体没有明显的细胞毒性，具有良好的生物安全性,Part one:石墨烯类医用材料-应用,Application two:石墨烯用于生物检测,氧化石墨烯对DNA/基因/蛋白的选择性检测,Tang等首先研究了DNA和功能化石墨烯之间的相互作用。他们发现，将ssDNA固定在功能化的石墨烯上可有
13、效地避免酶的剪切，而且对靶序列的特异性识别效果显著增强，可识别出1个错配的位点。当带有荧光染料FAM的ssDNA固定在石墨烯上时，由于石墨烯和染料之间的电子转移使得荧光淬灭。但是，当有靶DNA序列存在时，探针从石墨烯上脱离下来，荧光恢复(如后图所示)。虽然单碱基错配的DNA序列存在时，荧光也会有微弱的恢复，但是在浓度为200 nM时，完全互补DNA链的荧光强度是单碱基错配DNA链的2.1倍以上，比传统的线性DNA探针的特异性有显著提高。,Part two:石墨烯类医用材料-应用,Application three:氧化石墨烯用于生物成像,Peng等通过用PEG连接荧光染料与NGO来进行细胞内成
14、像。其中PEG分子起到一个桥梁作用，可以防止NGO导致染料的荧光淬灭，有效地提高NGO的生物相容性以及稳定性，以及增强细胞对材料的吸收。研究结果表明，荧光素-PEG-NGO(Fluo-G)结构展现了优良的pH调节的荧光特性,另一方面，Dai等研究组除了发现NGO可作为良好的药物载体之外，还探讨了NGO在生物成像方面的应用。他们通过PEG化学修饰NGO，使其在生物条件下具有良好的稳定性和相容性，并通过密度梯度离心，得到在缓冲液和血清中无凝结的尺寸分离的PEG化的NGO片层结构。这些NGO在可见光到红外光区可以受激发射荧光。NGO的这种固有的自发荧光可以用于低背景的近红外光活细胞成像。在近红外光区
15、NIR，NGO-PEG可以用来进行细胞自发荧光成像。将PEG与B细胞单克隆抗体(anti-CD20，Rituxan)共轭结合的方法制备得到NGO-PEG-anti-CD20可以特异性地结合目的细胞Raji B-细胞淋巴瘤(表达CD20)，增加了靶向性，即达到靶向成像的作用,Part two:石墨烯类医用材料-应用,Application four:石墨烯在肿瘤治疗方面的应用,刘庄课题组第一次研究了使用PEG包被荧光标签的纳米石墨烯片(nanographene sheets，NGS)在体内的作用。在活体内异种皮肤肿瘤移植荧光成像中NGS表现出了高肿瘤细胞摄取率相比于碳纳米管，PEG化的NGS展现
16、了一些有趣的体内表征现象，包括高效率肿瘤被动靶向识别以及在材料网状内皮组织中相对较低残留。之后利用体内光热疗法中NGS在NIR光区的高光吸收，在静脉注射NGS并在肿瘤移植部位用低强度NIR激光照射后得到了极为高效的肿瘤消除,此外，在毒性研究中，PEG化NGS注射小鼠后组织学、血液化学和全血分析结果表明没有产生明显的副作用。尽管对这种新型碳纳米材料在体内表现还需要更多的认知以及长期的毒性研究，但是使用碳纳米材料有效地用于通过静脉处理的体内光热疗法，提供了石墨烯在诸如肿瘤治疗的生物医学领域应用的更大潜力,Part two:石墨烯类医用材料-应用,石墨烯生物安全性,Lu等对NGO的细胞毒性进行了研究
17、。实验发现，当NGO浓度达到100 mgL-1时，细胞的相对存活率仍接近100，说明NGO细胞毒性较低。研究发现，叶酸修饰的NGO在浓度高达100 g.ml-1仍没有明显的细胞毒性Peng等研究了用于作为荧光探针进行细胞成像的氧化石墨烯复合材料的生物安全性，结果表明该复合材料未表现出严重的细胞毒性，浓度为40g.ml-1时仅使细胞新陈代谢活性略有下降。他们还发现，这种中度的细胞毒作用是可以逆转的，其代谢活性可以恢复,Part three:其他类医用材料,炭/炭复合材料创伤、骨病变等因素造成骨缺损是威胁着人类健康的严重问题，人工骨材料在生物材料中占有重要地位。炭/炭复合材料不仅具有复合材料优良的
18、力学性能，而且也具有炭材料的特殊性能，如：强度和刚度高，耐腐蚀，尺寸稳定性高，优异的化学惰性，断裂韧性，热稳定性，耐核辐射，耐疲劳，抗热震，低热膨胀系数以及良好的生物相容性等。同时采用炭/炭复合材料作为骨替代与骨修复材料，可以避免由于力学性能不相容而引起的关节磨损和软组织损伤，其在人工骨骼领域具有较好的应用前景,Part three:其他类医用材料,石墨及热解碳目前石墨材料已经成功用于心脏瓣膜，已能制造重量不到 1 克的心脏瓣膜，所生产的心脏瓣膜具有足够的强度、抗磨性、热导性、电导性和抗血栓性，传递脉冲可达 20年，安全性和有效性得到了医学界的公认。为克服现有石墨基心脏瓣膜易碎裂、分层、剥离、
19、产生飞片的缺陷，陈如坤用全热解炭材料制作新型人造心脏瓣膜，并对材料和瓣膜作理化性能和生物学测试，结果表明该瓣抗血栓形成性能优良，且耐久性好，血流动力学性能、生物相容性优良,Part three:其他类医用材料,碳纤维碳纤维具有低密度、高比模量、比强度、高导电性、高比表面积以及良好的生物相容性等特点，在生物医学领域中有广泛的应用前景。碳纤维可使人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱在强度、硬度和韧性等多方面的性能显著提高，此外，利用活性炭材料的高效吸附特性，还可以将它用于血液的净化，清除某些特定的病毒和成份此外，碳纤维布的吸湿性能有效的防止了毒素、细菌和微生物等渗入淋巴和血液，大大缩短治愈时间。碳纤维网具有强度高、组织相容性好、不易老化等优点，还能诱发产生高质量的新生组织并沿纤维束生长，碳纤维网常常用于腹壁缺损的修补,小结,现代科技的发展日新月异，炭材料所展示出的优异性能预示着它在生物医学工程领域所具有的广泛和诱人的应用前景。尽管研究者已对炭材料的制备、结构与性能进行了大量的研究，但在基础理论及应用开发等方面还有大量的工作尚待进行。如纳米炭材料的生物安全性、纳米碳管的纯化、炭/炭复合材料的低成本制备等，需要我们积极在炭材料的临床医学、材料学、化学上进行广泛深入研究和探索,此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！,
