生物医学纳米技术

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1、生物医学纳米生物医学纳米技术技术张宇张宇生物科学与医学工程学院生物科学与医学工程学院第四讲：生物医学纳米技术第四讲：生物医学纳米技术生物医学纳米技术生物医学纳米技术BTITComputer(H/W,S/W)SemiconductorMEMSTelecommunicationInternetAudio/Visual displayGenomicsMolecular BiologyCell TechnologyTissue EngineeringNano-materialNano-structureNano-processingNano-machine BioinformaticsBiosenso

2、rBiochipsBioelectronicsBiocomputerNano-computerNano-motorNano-sensorNano-BiosensorNano-BiologyNano-MedicinePOCTotal AnalysisTechnology二十一世纪的三大关键技术二十一世纪的三大关键技术丰富多彩的纳米材料丰富多彩的纳米材料纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1-1-100nm100nm）或由它们作为基本单元构成的材料）或由它们作为基本单元构成的材料核壳结构磁性荧光纳米棒Fe3O4TiO2AuAuAu

3、Fe3O4Fe2O3/SiO2Fe2O3/CdTe/AlgCdTe QDsFe3O4/PLANano-Bio-Tech Group物理学家物理学家-光刻技术光刻技术化学家化学家-自组装自组装bpyCdSbpySCd/22纳米加工与制纳米加工与制备备紫外灯激发下不同尺寸量子点显示出不同的颜色（从蓝到红），发光波长分别位紫外灯激发下不同尺寸量子点显示出不同的颜色（从蓝到红），发光波长分别位于于443,473,481,500,518,543,565,587,610,和和655 nm。Current Opinion in Biotechnology 2002,13:4046CdSe半导体量子半导体量子

4、点荧光点荧光不同尺寸和形状的银纳米粒子具有不同的光学性质不同尺寸和形状的银纳米粒子具有不同的光学性质Fe3O4磁性纳米颗粒磁性纳米颗粒Fe3O4的晶体结构尖晶石结构 Fe3+A Fe3+,Fe2+B O4 4 B生物相容性生物相容性纳米生物医学纳米生物医学关注生命关注生命纳米生物医学纳米生物医学/技术：技术：一方面，是利用纳米技术（包括纳米材料）研究生命体的特征，发现新的生命现象和规律，为人类健康和疾病诊断与治疗提供新的理论和方法；另一方面，模拟生命体精细的调节机制，通过仿生研究制备新型纳米材料和建立新的纳米技术。纳米技术与生物学、医学的交叉与融合。纳米技术与生物学、医学的交叉与融合。同时，纳

5、米生物学、纳米医学又是纳米科学与技术的重要研究领域。同时，纳米生物学、纳米医学又是纳米科学与技术的重要研究领域。生生物物技技术术纳纳米米技技术术纳米生物技术肿瘤：能否象慢性病一样治疗？肿瘤：能否象慢性病一样治疗？靶向靶向 “A Vision Not a Dream!”by using nanotechnology,A v.Eschenbach,NCI早期诊断和靶向治疗早期诊断和靶向治疗破坏肿瘤生长破坏肿瘤生长隐形-超小-长循环-靶向Angew.Chem.Int.Ed.2004,43,6042 6108表面：表面：Nano-Bio Bridge-Targeting/Sensing Functio

6、n纳米探针纳米探针=纳米颗粒纳米颗粒+靶向分子靶向分子信号组件信号组件+识别组件识别组件1999 年美国哈佛大学Weissleder 等人提出分子影像学的概念,即应用影像学方法,对活体状态下体内分子的生物化学过程进行定性和定量研究。美国分子影像学会(The Society for Molecular Imaging)：分子影像是利用影像学的手段来无创伤地研究活体条件下生物细胞内的正常或病理状态下的分子过程.。分子影像学分子影像学 第194 次香山科学会议“分子影像学”研讨会于2002 年10 月30 日至11 月1 日在杭州召开。分子影像学是医学影像技术和分子生物学相互交叉渗透而产生的新学科。

7、分子影像技术是利用现有的医学影像技术(主要是PET、MRI 和光学CT)对人体内部特定的分子进行无损伤的实时成像。目前,分子影像常用的探测方法有核探测方法、核磁共振方法和光学方法等。要实现分子成像技术最关键的是分子探针、信号放大和灵敏度探测仪器。分子影像技术是向人体输入一种分子(分子探针)与细胞内分子(靶分子)进行标记成像。由于分子探针的浓度只有纳克或皮克量级,因而体内成像信号放大和高灵敏度成像仪器的研制是分子影像技术发展的关键。单分子行为的直接、实时、动态观察单分子行为的直接、实时、动态观察荧光标记技术荧光标记技术激光共聚焦扫描显微镜实时观察量子点标记的表皮生长因子（EGF）与其受体的结合（

8、标尺为5微米）。量子点沿细胞伪足运动Nature Biotech.2004,22(2):198-203抗体引导靶向诊断肿瘤抗体引导靶向诊断肿瘤Fig.3 Schematic of the principle of active targeting3.靶向纳米颗粒靶向纳米颗粒Particulate Drug纳米药物载体+药物药物本身纳米化：纳米中药、维甲酸纳米颗粒纳米颗粒本身成为药物：肿瘤热疗用磁性纳米颗粒、金纳米颗粒、富勒烯纳米颗粒u紫杉醇白蛋白纳米粒紫杉醇白蛋白纳米粒u阿霉素脂质体阿霉素脂质体上市药物上市药物临床应用临床应用FDA批准药物批准药物磁靶向药物治疗肿瘤磁靶向药物治疗肿瘤Fig.2

9、 Schematic of the principle of magnetic drug targeting2.对照组紫杉醇紫杉醇+磁性纳米粒紫杉醇+磁性纳米粒+磁场可控磁性药物载体可控磁性药物载体时空可控给药技术时空可控给药技术1min24hrs72hrs144hrs磁感应肿瘤热疗磁感应肿瘤热疗 小鼠肝肿瘤动物模型治疗实验小鼠肝肿瘤动物模型治疗实验磁性纳米颗磁性纳米颗粒作为药物粒作为药物磁介导热疗的治疗方式磁介导热疗的治疗方式磁介导热疗的治疗方式(a)动脉栓塞热疗，(b)直接注射热疗，(c)细胞内热疗超选择介入栓塞碘油磁液经肝动脉栓塞磁致热疗治疗肝癌的实验碘油磁液经肝动脉栓塞磁致热疗治疗肝癌

10、的实验研究研究经动脉栓塞热疗（Arterial Embolization Hyperthermia AEH）通过超选择介入导管技术将含有纳米级磁性热种子的拴塞剂选择性灌注入肿瘤新生血管并栓塞，结合交变磁场磁致热疗，将有望解决深部肿瘤靶向性级温度分布问题。使用大型交变磁场进行兔子动脉栓塞磁致热疗试验光纤测温病理结果病理结果热疗两周后肿瘤大片坏死明显，邻近正常肝组织结构清晰，形态正常。（HE，40）正常组织（400）坏死组织（400）磁性纳米颗粒磁性纳米颗粒-临床肿瘤热疗临床肿瘤热疗FeFe3 3O O4 4RR Qiao,CH Yang and MY Gao J.Mater.Chem.,2009

11、,19,62746293磁性纳米颗粒磁性纳米颗粒-临床临床MRI造影造影FeFe3 3O O4 4磁性靶向载药脂质体磁性靶向载药脂质体多功能诊治策略多功能诊治策略靶向诊疗一体化靶向诊疗一体化多数生物医学应用多数生物医学应用基于电磁场基于电磁场-纳米颗粒纳米颗粒-生物体之间的相互作用生物体之间的相互作用非生命的物质与生命的物质在电磁场中的相互作用非生命的物质与生命的物质在电磁场中的相互作用疾病诊治的新原理、疾病诊治的新原理、新方法、新技术新方法、新技术纳米生物纳米生物电磁学电磁学Nano-Bio-eMagcs黑箱黑箱激光诱导金纳米壳细胞热疗激光诱导金纳米壳细胞热疗Technology in Ca

12、ncer Research&Treatment，2004，3（1）：）：33-40金纳米壳金纳米壳Nanoplatforms-靶向诊断与治疗NCI光动力学疗法光动力学疗法 Nano X-ray Technology二氧化铪(HfO)是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料，具有抗放射性并高效产生光电子。150年前，微米成为新的精度标准，并成为工年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会使用微米技业革命的技术基础，最早和最好学会使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的技术将属于那些明智接受纳米作为新样，未来的技术将属于那些明智接受纳米作为新标准，并首先学习和使用它的国家。标准，并首先学习和使用它的国家。H.Rohrer,1993世上本没有路，走的人多了，便变成了路。世上本没有路，走的人多了，便变成了路。鲁迅鲁迅谢谢同学们的参与！谢谢同学们的参与！