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納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,成員：劉春亮，戴慧平，曾俊主講人：劉春亮,前言,納米醫(yī)學(xué)是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識，所從事的診斷、醫(yī)療、預(yù)防疾病、防止外傷、止痛、保健和改善健康狀況等科學(xué)技術(shù)。換句話講，人們將從分子水平上認(rèn)識自己，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結(jié)構(gòu)來防病治病，改善人類的整個生命系統(tǒng)。,我們都知道，目前的醫(yī)療技術(shù)尚無法達(dá)到分子修復(fù)的水平。而納米醫(yī)學(xué)則是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結(jié)構(gòu)來防病治病，改善人類的整個生命系統(tǒng)。例如：修復(fù)畸變的基因、扼殺剛剛萌芽的癌細(xì)胞、捕捉侵入人體的細(xì)菌和病毒等等，最終實(shí)現(xiàn)納米醫(yī)學(xué)，使人類擁有持續(xù)的健康。,一、在診斷方面的應(yīng)用,1、遺傳病診斷納米技術(shù)有助診斷胎兒是否有遺傳缺陷。婦女懷孕8個星期時，血液中開始出現(xiàn)少量胎兒細(xì)胞。利用具有納米級大小孔洞的半透膜或特殊的合成納米管等，可把胎兒細(xì)胞分離出來進(jìn)行診斷。不需要進(jìn)行羊水穿刺。目前美國已將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于臨床診斷中。,2、病理學(xué)診斷腫瘤診斷最可靠的手段是建立在組織細(xì)胞水平上的病理學(xué)方法，但存在著良惡性及細(xì)胞來源判斷不準(zhǔn)確的問題。利用原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope，AFM)可以在納米水平上揭示腫瘤細(xì)胞的形態(tài)特點(diǎn)。通過尋找特異性的異常納米級結(jié)構(gòu)改變，以解決腫瘤診斷的難題。,目前，已有多種原子力顯微鏡問世，AFM克服了STM(ScanningTunnelingMicroscope)只適用于具導(dǎo)電性樣品的不足之處。,,3、影像學(xué)診斷（1）納米粒子在影像學(xué)診斷中應(yīng)用將納米氧化鐵造影劑靜脈注射以后，氧化鐵顆粒被血液帶到身體的各部位，只是在肝臟和脾臟被網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞吸收。肝臟內(nèi)的網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞是由枯否細(xì)胞的巨噬細(xì)胞構(gòu)成，它可以吞噬氧化鐵顆粒；而惡性腫瘤細(xì)胞僅含有極少量的枯死細(xì)胞沒有大量吸收氧化鐵的作用。,納米氧化鐵造影劑就是利用正常細(xì)胞和惡性腫瘤細(xì)胞之間的這種功能差異別，顯示出其對這些病灶診斷的特異性——納米氧化鐵在正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞的數(shù)量不同，會造成信號強(qiáng)度的差別，這種差別在核磁共振圖像中，由于正常組織吸收納米氧化鐵表現(xiàn)為暗的低信號，而病灶不吸收納米氧化鐵表現(xiàn)為亮的高信號。這樣，病灶與正常組織在核磁共振圖像上會有較大的對比。,(2)光學(xué)相干層析術(shù)(OCT)一種新型的納米影像學(xué)診斷工具OCT的分辨率可達(dá)1個微米級，較CT和核磁共振的精密度高出上千倍。它能每秒2000次完成生物體內(nèi)活細(xì)胞的動態(tài)成像，觀察活細(xì)胞的動態(tài)，發(fā)現(xiàn)單個細(xì)胞病變，且不會像X光、CT、磁共振那樣殺死活細(xì)胞。,4.激光單原子分子探測術(shù)具有超高靈敏性激光單原子分子探測術(shù),可在含有1000億億(1019)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(zhǔn)確獲取其中一個。它可通過人的唾液、血液、糞便以及呼出的氣體,及時發(fā)現(xiàn)人體中哪怕只有億萬分之一的各種致病或帶病游離分子。,5.微小探針技術(shù)利用納米級微小探針技術(shù),可向人體內(nèi)植入傳感器，根據(jù)不同的診斷和監(jiān)測目的，可定位于體內(nèi)的不同部位，也可隨血液在體內(nèi)運(yùn)行，隨時將體內(nèi)的各種生物信息反饋于體外記錄裝置。,6.癌癥的早期診斷中國醫(yī)科大學(xué)第二臨床學(xué)院把納米級微粒應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究,完成了超順磁性氧化鐵超微顆粒脂質(zhì)體的研究。運(yùn)用這項(xiàng)研究成果,可以發(fā)現(xiàn)直徑3毫米以下的肝腫瘤。這對肝癌的早期診斷、早期治療有著十分重要的意義。,二、在治療方面的應(yīng)用,1、納米化增加藥物吸收度增大藥物的表面積促進(jìn)溶解。藥物大分子就能穿透組織間隙，也可以通過人體最小的毛細(xì)血管。而且分布面極廣。應(yīng)用于中藥制劑。藥物的物理活性、靶向性比普通中藥大大提高。,2、納米醫(yī)用材料納米氧化鎬；目前廣泛使用的人工心臟瓣膜，是由鈦金屬與不銹鋼合金所構(gòu)成，但在移植入人體后仍有損壞的可能性。結(jié)晶納米氧化鎬是一種具有高度抗生物損耗的替代材料。,納米銀粉：銀在納米狀態(tài)下的殺菌能力產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。只需用極少量的納米銀即可產(chǎn)生強(qiáng)力的殺菌作用。,納米骨材料：把它植入體內(nèi)填充各類型的骨缺損，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可生長出很多新生的骨細(xì)胞，所有填充的納米骨材料，最后會降解消失，骨缺損部能完全被新生骨取代。,具有納米級別的天然骨分級結(jié)構(gòu)和天然骨的多孔結(jié)構(gòu),智能藥物；美國正在設(shè)計(jì)一種納米"智能炸彈"，它可以識別出癌細(xì)胞的化學(xué)特征。這種"智能炸彈"很小，僅有20納米左右，能夠進(jìn)入并摧毀單個的癌細(xì)胞,人工紅血球,納米醫(yī)學(xué)不僅具有消除體內(nèi)壞因素的功能，而且還有增強(qiáng)人體功能的能力。我們知道，腦細(xì)胞缺氧6至10分鐘即出現(xiàn)壞死，內(nèi)臟器官缺氧后也會呈現(xiàn)衰竭。設(shè)想一種裝備超小型納米泵的人造紅血球，攜氧量是天然紅血球的200倍以上。當(dāng)人的心臟因意外，突然停止跳動的時候，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(jī)體的正常生理活動。它可以應(yīng)用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運(yùn)動需要的額外耗氧等。,隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，氣體分子與轉(zhuǎn)子上的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合再釋放到血漿中。,納米藥物輸運(yùn),納米微粒藥物輸送技術(shù)也是重要發(fā)展方向之一。目前，有半數(shù)以上的新藥存在溶解和吸收的問題。863計(jì)劃項(xiàng)目“納米藥物制劑的生物效應(yīng)研究”，當(dāng)藥物顆?？s小時，藥物與胃腸道液體的有效接觸面積將增加，藥物的溶解速率隨藥物顆粒尺度的縮小而提高。利用納米晶體技術(shù)將藥物顆粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米粒子，提高溶解性和難溶性藥物的藥效率。同時，納米藥物制劑的賦形劑在胃腸道中起表面活性劑的作用，也提高了納米藥物顆粒的溶解率。一旦，不溶性藥物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米顆粒，就適合于口服或者注射了。,捕獲病毒的納米陷阱,密西根大學(xué)的DonaldTomalia等已經(jīng)用樹形聚合物發(fā)展了能夠捕獲病毒的納米陷阱。體外實(shí)驗(yàn)表明納米陷阱能夠在流感病毒感染細(xì)胞之前就捕獲它們，同樣的方法期望用于捕獲類似愛滋病病毒等更復(fù)雜的病毒。此納米陷阱使用的是超小分子，此分子能夠在病毒進(jìn)入細(xì)胞致病前即與病毒結(jié)合，使病毒喪失致病的能力。通俗地講，人體細(xì)胞表面裝備著含硅鋁酸成分的"鎖"，只準(zhǔn)許持"鑰匙"者進(jìn)入。不幸的是，病毒竟然有硅鋁酸受體"鑰匙"。Tomalia的方法是把能夠與病毒結(jié)合的硅鋁酸位點(diǎn)覆蓋在陷阱細(xì)胞表面。當(dāng)病毒結(jié)合到陷阱細(xì)胞表面，就無法再感染人體細(xì)胞了。陷阱細(xì)胞由外殼、內(nèi)腔和核三部分組成。內(nèi)腔可充填藥物分子；將來有可能裝上化療藥物，直接送到腫瘤上。研究者希望發(fā)展針對各種致病病毒的特殊陷阱細(xì)胞和用于醫(yī)療的陷阱細(xì)胞庫。,識別血液異常的生物芯片,美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室做了一個雛形裝置，發(fā)揮芯片實(shí)驗(yàn)室的功能，它可以沿血流流動并跟蹤感染了愛滋病的細(xì)胞。血液細(xì)胞被導(dǎo)入一個發(fā)射激光的腔體表面，從而改變激光的形成。癌細(xì)胞會產(chǎn)生一種明亮的閃光；而健康細(xì)胞只發(fā)射一種標(biāo)準(zhǔn)波長的光，以此鑒別癌變。,三、納米制藥技術(shù),1、納米西藥納米晶體技術(shù)可將藥物顆粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米粒子，同時提高溶解性，以提高難溶性藥物的藥效率。加工中，不溶的藥物是被懸浮在含一般認(rèn)為安全的穩(wěn)定劑和賦形劑的懸浮液中。,（1）將不易被人體吸收的藥物（如雌二醇）或食品做成納米粉或懸浮液，就變得容易吸收，提高了藥物的生物利用度。（2）把納米藥物做成膏藥貼在患處，可通過皮膚直接吸收而無須注射。醫(yī)藥專家認(rèn)為，利用納米技術(shù)加工的細(xì)粒藥物還適用于口服控釋片、頰含片、干粉吸入劑、鼻噴霧劑、舌面速溶片以及植人式制劑和脂質(zhì)體等多種劑型。,最近，美國科研人員利用“納米藥物制劑”的新工藝，將水溶性不佳或難溶藥物的分子制成囊狀物或包在聚合物基質(zhì)中加工成納米顆粒，從而大大提高某些藥物的生物利用度。胰島素口服要解決胃內(nèi)酸降解、胃腸內(nèi)酶水解、穿透胃腸粘膜及肝臟首過作用四個問題。胰島素普通制劑直接口服后，吸收只有1％。而采用納米技術(shù)的胰島素口服給藥系統(tǒng)成功地解決了這一問題．,2、納米中藥科學(xué)證明，中藥的藥效取決于其所含有的有效活性成分，這樣的有效成分主要存在于細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間質(zhì)當(dāng)中，植物細(xì)胞的細(xì)胞壁和動物細(xì)胞的細(xì)胞膜成為這些有效成分的保護(hù)層。傳統(tǒng)的加工方法無法破碎掉這些保護(hù)層，致使中藥的藥效不能充分發(fā)揮，造成原料的浪費(fèi)。,納米生物技術(shù)為中藥的加工工藝提供了全新的技術(shù)思路和解決方案。其指導(dǎo)思想是：用一種特殊的物理制備技術(shù)，在常溫條件下，將鮮活的中藥原材料進(jìn)行納米級（或亞微米級）的超微破碎，一方面將藥材本身的細(xì)胞壁（膜）完全擊破，使得細(xì)胞中最為重要的核酸物質(zhì)和其它有效活性成分充分溢出；另一方面將有效成分的大分子物質(zhì)破碎成能被人體直接吸收的小分子顆粒懸浮在原生母液中，再采用特殊的保鮮方法將活性有效成分完好地保持在其本然的鮮活狀態(tài)。,該技術(shù)的應(yīng)用可使中藥加工呈現(xiàn)如下優(yōu)勢：提高吸收率降低毒副作用增強(qiáng)功效改善劑型品質(zhì),四、治療腫瘤,一、可治療癌癥的納米粒子武漢理工大學(xué)李世譜教授經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，某些納米材料可殺死癌細(xì)胞，有效抑制腫瘤生長，而對正常細(xì)胞組織絲毫無損。李世普教授成功研制出羥基磷灰石復(fù)合陶瓷。羥基磷灰石是骨骼中的一種成分，與人體有良好的相容性，研究發(fā)現(xiàn)，羥基磷灰石的,納米材料是對付癌細(xì)胞的有效武器。委托北京醫(yī)科大學(xué)等權(quán)威機(jī)構(gòu)做的細(xì)胞生物學(xué)試驗(yàn)表明，納米粒子可以殺死人的肺癌、肝癌、食道癌等多種腫瘤細(xì)胞。１９９８年進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)顯示，向老鼠體內(nèi)腫瘤注射羥基磷灰石納米粒子溶膠,７天后抑瘤率６６.１％，外觀上腫塊消失。,二、表面包復(fù)的磁性粒子在治療腫瘤上的應(yīng)用1.利用磁性納米粒子用于癌病的診斷和治療帶有磁性的納米Fe2O3微粒是發(fā)展這種技術(shù)的最重要的對象。例如10-50nm的納米Fe2O3磁性粒子表面包覆甲基丙烯酸，尺寸為200nm,這種超細(xì)粒子攜帶蛋白、抗體和藥物可以用于癌病的診斷和治療。這種局部治療效果好，副作用少，成為癌病的治療方向。,（1）靶向性治療癌癥將磁性納米顆粒與藥物結(jié)合,注入到人體內(nèi),在外磁場作用下,藥物向病變部位集中,從而達(dá)到定向治療的目的,將大大提高腫瘤的藥物治療效果。以張陽德教授為首的課題組，從1995年開展了“高性能磁性納米粒DNA阿霉素治療肝癌”課題的研究，他們將肝腫瘤移植到老鼠身上，,并將載帶抗腫瘤藥物阿霉素的納米微囊注射到老鼠體內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磁性阿霉素白蛋白納米粒聚集在老鼠癌變位置。7天后，大部分癌細(xì)胞被抑制，外觀上腫塊消失。此實(shí)驗(yàn)證明，納米微囊對癌細(xì)胞具有高度的靶向性，選擇性殺死癌細(xì)胞，且不損傷正常細(xì)胞，對移植性腫瘤療效好，在人體上應(yīng)能達(dá)到相應(yīng)的效果。,(2)原位“灼燒”或“爆炸”治療癌癥研究人員將極其細(xì)小的氧化鐵納米顆粒，注入患者的癌瘤里，然后將患者置于可變的磁場中，使患者癌瘤里的氧化鐵納米顆粒升溫到45～47攝氏度，這溫度足以燒毀癌瘤細(xì)胞，而周圍健康組織不會受到傷害。有科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種“聰明”的炸彈，它通過認(rèn)讀癌細(xì)胞的化學(xué)“簽字”，把癌細(xì)胞做為靶細(xì)胞，該炮彈小到約20納米，能進(jìn)入單個細(xì)胞并把它炸得片甲不留。,2.利用磁性納米粒子分離癌細(xì)胞例如采用約50nm的納米Fe2O3粒子，包覆聚苯乙烯后，成功用于小鼠骨髓液中癌細(xì)胞的分離。首先從羊身上取出抗小鼠Fc抗體（免疫球蛋白），然后與上述磁性粒子的包覆物相結(jié)合。將小鼠帶有正常細(xì)胞和癌細(xì)胞的骨髓液取出，加入小鼠雜種產(chǎn)生的抗神經(jīng)母細(xì)胞癌單克隆抗體，此抗體只與骨髓中的癌細(xì)胞結(jié)合。最后將帶抗體和包覆層的磁性粒子放入骨髓液中，它只與攜帶抗體的癌細(xì)胞相結(jié)合。,利用磁分離裝置很容易將細(xì)胞從骨髓中分離出來，分離率達(dá)99.9%以上。倫敦的兒科醫(yī)院、挪威工業(yè)大學(xué)和美國噴氣推進(jìn)研究所利用這種技術(shù)成功地進(jìn)行了人體骨髓液細(xì)胞的分離來治療癌病患者。,五、生物兼容物質(zhì),生物兼容物質(zhì)的開發(fā)，是納米材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的另一個重要應(yīng)用。因植入物的不兼容性會引起炎癥反應(yīng)或排斥反應(yīng)，而納米物質(zhì)所展現(xiàn)的非凡的物理特性正好能解決這一難題。1994年，英國Bonfield成功地合成了模擬骨骼亞結(jié)構(gòu)的納米物質(zhì)，該物質(zhì)可取代目前骨科常用的合金材料。它的主要成分是經(jīng)與聚乙烯混合壓,縮后的羥基磷灰石網(wǎng)（骨骼的主要成分），其物理特性正好符合理想的骨骼替代物的模數(shù)匹配（Modulusmatching，例如具有與骨骼相似的強(qiáng)度和密度指數(shù)），不易骨折，且與正常骨組織連接緊密，顯示了明顯的正畸應(yīng)用優(yōu)勢。其他可望應(yīng)用于臨床的納米物質(zhì)有人工關(guān)節(jié)面和關(guān)節(jié)腔、美容植入物、口腔正畸物等。,謝謝欣賞！,