奈米生物材料研究進展

生物材料又稱生物工藝學或生物技術。應用生物學和工程學的原理，對生物材料、生物所特有的功能，定向地組建成具有特定性狀的生物新品種的綜合性的科學技術。生物工程學是70年代初，在分子生物學、細胞生物學等的基礎上發展起來的，包括基因工程、細胞工程、酶工程、發酵工程等，他們互相聯絡，其中以基因工程為基礎。只有通過基因工程對生物進行改造，才有可能按人類的願望生產出更多更好的生物產品。而基因工程的成果也只有通過發酵等工程才有可能轉化為產品，而今天，就讓我帶領你走進微小，但不失奇妙的奈米生物材料。 奈米，其實是長度單位，原稱毫微米，就是10億分之一米，即100萬分之一毫米。如同釐米、分米和米一樣，是長度的度量單位。相當於4倍原子大小，比單個細菌的長度還要小。舉個例子來說，假設一根頭髮的直徑是0.05毫米，把它徑向平均剖成5萬根，每根的厚度大約就是一奈米。也就是說，一奈米大約就是0.000001毫米.奈米科學與技術，有時簡稱為奈米技術，是研究結構尺寸在1至100奈米範圍內材料的性質和應用。奈米技術的發展帶動了與奈米相關的很多新興學科。有奈米醫學、奈米化學、奈米電子學、奈米材料學、奈米生物學等。

全世界的科學家都知道奈米技術對科技發展的重要性，所以世界各國都不惜重金髮展奈米技術，力圖搶佔奈米科技領域的戰略高地。我國於1991年召開奈米科技發展戰略研討會，制定了發展戰略對策。十多年來，我國奈米材料和奈米結構研究取得了引人注目的成就。目前，我國在奈米材料學領域取得的成就高過世界上任何一個國家，充分證明了我國在奈米技術領域佔有舉足輕重的地位。 在過去幾年中,生物奈米材料的理論與實驗研究已成為人們關注的焦點,特別是核酸與蛋白質的生化、生物物理、生物力學、熱力學與電磁學特徵及其智慧複合材料已成為生命科學與材料科學的交叉前沿。目前,奈米生物晶片材料、仿生材料、奈米馬達、奈米複合材料、介面生物材料、奈米感測器與藥物傳遞系統等方面已取得很大進展。

1. 奈米生物晶片材料

奈米生物晶片材料是一個正在發展的技術，它首先利用生物智慧全數字癲癇定位儀查出致癇病灶，並進行精確定位，運用生物晶片技術進行植入病灶頂部，運用生物晶片調節神經興奮及異常發作的微小電流，晶片植入後(就是出現發作人體也感應不到，因為電流被晶片吸收，就不會出現電流刺激神經和腦細胞，各種肢體抽搐等異常症狀即刻消失)。而治療系統中另一項需同時進行的血液磁化技術，它是依據生物物理學、生物磁學、生物光學、生物化學的原理，將磁、光、氧有機結合形成磁共振作用，以血液為媒介調節機體代謝實現對機體的治療，它能感應和影響人體電流分佈、電荷微粒的運動、膜系統的通透性和生物高分子的磁矩取向等，清除大腦異常電流，穩定神經細胞膜，提高神經細胞興奮閾，抑制大腦神經元高頻放電和衝動的傳播。在腦部形成穩定的生物磁場，使異常放電的神經元電位趨於平衡，調整神經網路電失衡。對神經細胞功能失調有整合作用,對缺氧破損的神經細胞有修復作用,可以增進神經細胞的重新生長,針對性的修復受損的神經細胞，從而產生鎮靜、解痙作用，激發神經自身保護功能，促使神經功能恢復。據悉，國際最新癲癇治療高科技專案微奈米生物晶片技術已經取得解放軍軍部、國家權威醫療衛生部門認可和臨床驗證，並被允許臨床推廣。

2．奈米仿生材料

仿生材料是指模仿生物的各種特點或特性而研製開發的材料。通常把仿照生命系統的執行模式和生物材料的結構規律而設計製造的人工材料稱為仿生材料。而奈米技術在仿生材料上的應用，則使得材料的物理、化學特性發生重大變化，效能得到顯著提高。核酸與蛋白質是執行生命功能的重要奈米成分，是最好的天然生物奈米材料。這些成分相互作用編織了一個複雜的完美的生物世界。 近年來，在人造複眼結構上也有了突破性的進展。Jeong 等通過軟刻蝕法，合成了結構近似的人造複眼，其具有近乎完整的複眼構造，其包括完整的微透鏡、錐體、光通道和檢測器，很好地模擬了複眼的功能，這種人造複眼結構的成功，將對今後微儲存、照相領域帶來不可忽視的影響。

在對荷葉結構的模仿上，江雷研究小組利用鐳射刻蝕的方法制備了相似陣列的超疏水碳奈米管薄膜。Barthlott 研究小組利用雙組分矽及熔融的聚醚對荷葉植物表面進行結構複製也得到了超疏水錶面薄膜。這些結構與荷葉類似，都具有很強的疏水效能。隨著研究的深入，已經可以通過各種方法制備超疏水材料，如等離子體處理、氣相沉積等。進一步地，將固體表面的特殊浸潤性結合起來，可以設計超雙親、超雙疏、親疏條件切換等特殊材料，這些材料在物理、化學、智慧控制等方面有著巨大的潛力。

水黽能自由的在水面行走、滑動。這種迷人的特性一直吸引著人們。已經知道，水黽的這種特性與其腿部的微納結構所產生的疏水性是分不開的。Bush 研究小組模擬製造了一隻機器水黽，其身軀由易拉罐的金屬皮製成，前後兩對腿為疏水性的不鏽鋼絲，中間的一對腳則由一條彈力帶和滑輪構成。同水黽一樣，此機器水黽也能依靠腿的彎曲產生的曲率來支撐其身體，也能自由的漂浮在水面上。如果將這種超疏水性材料應用到船體上，則可以明顯減小船底的吃水深度，如能大規模應用，必將對航運事業產生不可估量的影響。

壁虎等是靠腳上無數微小的剛毛與物體之間產生的範德華力來黏附的。範德華力本身是一種非常弱的分子間力，由於其過於微弱，長期以來並不引人注意。直到Full 小組研究發現，壁虎能夠在牆壁等上面自由行走，靠的確實是每根剛毛累積起來的範德華力，雖然每根剛毛產生的範德華力非常微小，幾十萬根剛毛的總體產生的力就十分可觀了。

對這種黏附力的模仿，Geim等用電子束刻蝕和氧等離子體處理，報道合成了類似壁虎腳上剛毛的聚醯亞胺陣列絨毛，這是一種非黏性黏合劑，依靠的正是範德華力。這種材料有很多潛在的用途，將有可能使人在牆壁上自然行走，成為真正的“蜘蛛”。

3.奈米馬達

生物奈米馬達，又稱生物馬達分子、分子馬達或奈米機器，是由生物大分子構成並將化學能轉化為機械能的奈米系統。天然的分子馬達，如：驅動蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物體內的胞質運輸、DNA複製、細胞分裂、肌肉收縮等生命活動起著重要作用。它是馬達家族的革命，標誌著人類由製造物理馬達到製造生物馬達的理想成為現實。奈米馬達這種聚合物分子含有數對氮原子，氮原子兩側各有一個苯環，環與環之間的氮“橋”扭結在一起。分子的往復伸縮形變就是馬達的運轉。

4,. 奈米複合材料

奈米複合材料是以樹脂、橡膠、陶瓷和金屬等基體為連續相，以奈米尺寸的金屬、半導體、剛性粒子和其他無機粒子、纖維、奈米碳管等改性為分散相，通過適當的製備方法將改性劑均勻性地分散於基體材料中，形成一相含有奈米尺寸材料的複合體系，這一體系材料稱之為奈米複合材料。

複合材料由於其優良的綜合性能，特別是其效能的可設計性被廣泛應用於航空航天、國防、交通、體育等領域，奈米複合材料則是其中最具吸引力的部分，近年來發展很快，世界發達國家新材料發展的戰略都把奈米複合材料的發展放到重要的位置。該研究方向主要包括奈米聚合物基複合材料、奈米碳管功能複合材料、奈米鎢銅複合材料。

在奈米聚合物基複合材料方面，主要採用同向雙螺桿擠出方法分散奈米粉體，分散水平達到奈米級，得到了效能符合設計要求的奈米複合材料。我們製備的奈米蒙脫土/PA6複合材料中，奈米蒙脫土的層間距為1.96nm，處於國內同類材料的領先水平（中國科學院為1.5~1.7nm），蒙脫土複合到尼龍基體中後完全剝離成為厚度1~1.5nm的奈米微粒，其複合材料的耐溫效能、阻隔效能、抗吸水效能均非常優秀，此材料已經實現了產業化；正在開發的奈米TiO2/聚丙烯複合材料具有優良的抗菌效果，奈米TiO2粉體在聚丙烯中分散達到60nm以下，此項技術正在申報發明專利。

5. 介面生物材料

很多奈米材料,如奈米粒子、奈米管、核酸、奈米肽等具有巨大的臨床應用潛力。奈米材料在臨床應用的一個主要問題是這些材料能否被機體免疫系統接受。生物相容性意指控制與生物組織相接觸的材料行為的一系列複雜的理化與生物學反應過程。利用奈米技術，科研人員還研製出一種超雙親性介面物質（即同時具有超親水性和超親油性的表面）材料，用這種材料整理過的玻璃表面及建築材料表面具有自清潔及防霧等效果。

仿生智慧介面材料是指具有感知環境(包括內環境和外環境)刺激,對之進行分析、處理、判斷,並採取一定的措施進行適度響應的一類新型複合材料。

生物材料作為醫用植入材料始於18世紀初。1808年初成功製成了鑲牙陶齒。1892年Dreesman發表了第1篇關於利用熟石膏填充骨缺損的報告。1963年Smith報告發展了一種陶瓷骨替代材料，這是一種由48％多孔鋁酸鹽陶瓷和環氧樹脂組成的陶瓷，它與骨組織的物理效能很相匹配。進入80年代以後，複合型生物材料的研究掀起了一個高潮，隨著研究的深化和應用廣泛化，為獲得長期滿意的生物效應，對生物材料的要求越來越高

6. 奈米感測器與藥物傳遞系統

當今奈米技術的發展，不僅為感測器提供了良好的敏感材料，例如奈米粒子、奈米管、奈米線、奈米薄膜等，而且為感測器製作提供了許多新穎的構思和方法，例如奈米技術中的關鍵技術STM，研究物件向奈米尺度過渡的MEMS技術等。

與傳統的感測器相比，奈米感測器尺寸減小、精度提高等效能大大改善，更重要的`是利用奈米技術製作感測器，是站在原子尺度上，從而極大地豐富了感測器的理論，推動了感測器的製作水平，拓寬了感測器的應用領域奈米感測器主要包括以下三大類：1.奈米生物和化學感測器2.奈米氣敏感測器3.其他型別的奈米感測器（流量、壓力和溫度等）

奈米感測器的主要應用領域包括醫療保健、軍事、工業控制和機器人、網路和通訊以及環境監測等。隨著相關技術的成熟，奈米感測器在國防安檢方面的強大優勢逐漸顯現。相信在不久的將來，奈米感測器將用於新一代的軍服和裝置，並將用來檢測炭疽和其他的危險氣體等。

7. 藥物傳遞系統

藥物傳輸系統(Drug Delivery Systems,DDS)係指人們在防治疾病的過程中所採用的各種治療藥物的不同給藥形式，在60年代以前的藥劑學中稱為劑型。如注射劑、片劑、膠囊劑、貼片、氣霧劑等。隨著科學的進步，劑型的發展已遠遠超越其原有的內涵，需要用藥物傳輸系統或給藥器(Device)這類術語加以表述，即原由藥物與輔料製成的各種劑型已滿足不了臨床治療的需要，有的將藥物製成輸注系統供用，有的則採用鈦合金製成給藥器植入體內應用，使臨床用藥更理想化。為克服普通製劑的有效血濃維持時間短的缺陷，出現了長效注射劑，口服長效給藥系統或緩/控釋製劑、經皮給藥系統等一系列新的製劑。由於緩/控釋製劑的特點，它的市場前景看好。緩釋製劑通常是指口服給藥後能在機體內緩慢釋放藥物，使達有效血濃，並能維持相當長時間的製劑。控釋製劑係指釋藥速度僅受給藥系統本身的控制，而不受外界條件，如pH、酶、離子、胃腸蠕動等因素的影響，是按設計好的程式控制釋藥的製劑，如零級釋藥的滲透泵，脈衝釋藥的微丸，結腸定位釋藥的片劑或膠囊以及自動調節釋藥的胰島素給藥器等等。亦有些文獻對緩釋、控釋製劑不加嚴格區分，統稱為緩/控釋製劑.

日本電氣公司的專利，公開了一種圖形排列碳奈米材料結構，可用於藥物傳輸。具體方法是：將碳奈米材料嫁接在多環芳香族分子上，固定在一個襯底表面和具有單層石墨結構的陽離子上，形成特定的圖形排列。

瑞士FIRMENICH & CIE的專利，公開了一種基於無機奈米粒子的藥物傳輸系統，這種奈米尺寸傳輸系統包括一種無機奈米粒子半族與至少一種有機前體香料或前體藥物半族形成共價鍵。

美國朗訊科技公司的專利，公開了一種可植入的藥物傳輸支架，包括一種具有內表面和外表面的管狀成分，特徵在於：至少一個表面是疏水的，至少一個表面區域包括微結構或奈米結構陣列，所說的陣列使這個區域具有動力學控制疏水性。

美國休斯頓大學的專利，公開了一種奈米結構，可應用為藥物傳輸系統，這種奈米結構有三種具體形式：奈米粒子核和奈米殼、奈米粒子核和奈米棒、奈米粒子核和奈米殼和奈米棒。奈米粒子殼具有一種導電材料，奈米殼或奈米棒具有另一種導電材料，這兩種導電材料可以是相同的也可是不同的。

伴隨著生物技術、材料科學、微電子技術、光電子技術、電子計算機等的發展和實際應用領域的迫切需要，生物奈米材料的研製與應用會不斷髮展，發展前景誘人。我相信在不久的未來，我們會生活在奈米的世界裡，奈米一定會慢慢走進我們的世界，造福我們的世界。