［医学］纳米医药1-绪论

纳米医药1-绪论参考书目 《纳米医药》，徐辉碧主编，清华大学出版社，2004年 《纳米技术与应用》，顾宁、付德刚、张海黔主编，人民邮电出版社，2002年 《纳米生物医药材料》，李玉宝主编，化学工业出版社，2004年自然界中的纳米现象 蛋白质、DNA、RNA、原子、病毒，都在纳米尺寸.40x40nmscan 禽流感病毒 莲花荷叶出污泥而不染:“荷叶效应” 观音土——天然的纳米材料 徽墨 蜜蜂体内、海龟头部存在磁性纳米粒子——罗盘作用 人体和兽类的牙齿是由纳米颗粒构成的 第一讲绪论 何谓纳米??纳米材料??纳米技术? 为什么要了解纳米?? 学什么??怎么学??纳米——Nanometer 纳米（nm），又称毫微米，如同厘米、分米和米一样，是长度的度量单位 1nm=10-9m，也就是1毫米(mm)的百万分之一 1nm相当于 4倍原子大小 头发直径（0.05-0.15mm）的十万分之一空间尺度的划分 宏观(Macroscopic) 微观(Microscopic) 妙观(Picosopic) 介观(Mesoscopic)或纳米观(Nanoscopic):1~100nm 宇观(Cosmoscopic)当代科学技术有认识上的盲区或人类知识大厦上存在着裂缝。裂缝的一边是以原子、分子为主体的微观世界，另一边是人类活动的宏观世界。两个世界之间不是直接而简单的联结，存在一个过渡区--纳米世界。纳米的两个含意 空间尺度的单位 思考问题的方式纳米材料 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。 对于金属与无机物，通常将粒径在1-100nm范围内的颗粒称为纳米粒。 铜纳米线“巢”(铝阳极氧化膜)聚乙炔高分子聚合物5μm苯乙烯-丁二烯聚合物2μmC242H486400nm 对于有机物与聚合物，习惯上将粒径小于1000nm的颗粒称为纳米粒。 纳米材料处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。纳米技术 纳米技术 ------“在原子和分子水平上操纵物质” 使其重新排列组合，形成新的具有纳米尺度的物质或者结构，研究其特性，并由此制造具有新功能的器件、材料以及其它各个方面应用的科学与技术。 真正的纳米技术需具备如下条件： 材料的纳米尺度 新的物性和功能这些是纳米技术么? 纳米冰箱＼洗衣机 纳米涂料小鸭纳米洗衣机美菱纳米冰箱星冠纳米哑光内墙漆 纳米鞋垫 纳米水、纳米油、纳米服装．．．为何要了解纳米？ 特异性质 纳米技术研究的重大意义特异性质 当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。其本质是因为它具有表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应。纳米材料的特异性质光学结构磁学力学化学。。。生物学热学表面效应小尺寸效应量子尺寸效应表面效应 球状颗粒的表面积与直径的平方成正比，体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。表面积:S球＝4πR2体积：V球=（4/3）πR3比表面积＝S球/V球＝3/R 随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。 例如当粒径为10nm时，表面原子数为完整晶粒原子数的20%，而当粒径为1nm时，其表面原子百分数增大到99%。这时的表面效应将不容忽略。 颗粒粒径（nm） 单个颗粒所包含原子数（个） 表面原子数所占比例（%） 10 30000 20 5 4000 40 2 250 80 1 30 99表面效应表面效应 表面效应就是指纳米晶粒表面原子数目与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。表面原子数目增多表面能增加表面原子配位不足熔点下降、相变临界点变化和烧结能力增强（纳米金属粒子室温下空气中可燃）增强粒子的活性（强催化能力）。。。。。。量子尺寸效应 各种元素的原子具有特定的光谱线，由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的。 对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。 导体－－半导体\绝缘体；绝缘体－－导体 小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。 对超微颗粒而言，尺寸变小，会产生一系列新奇的性质。 特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。 由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l%，大约几微米的厚度就能完全消光。可见光颜色的本质？光吸收特性 防晒化妆品 抗紫外纤维织布 抗紫外玻璃 作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。 红外隐身技术等ZnO纳米粒与普通ZnO的紫外－可见光吸收曲线特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。 例如：金属熔点 块状金属的熔点固定 低熔点的金属？ 高熔点的金属？ 超微金属熔点的变化 Themeltingpointdecreasesdramaticallyastheparticlesizegetsbelow5nm 超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。 超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。 日本川崎制铁公司采用0.1～1微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。应用纳米粒的磁学特性 趋磁细菌(magnetotacticbacteria,MTB).趋磁细菌在不同氧分的条件下的分布情况趋磁细菌的用途 在信息存储中的应用：磁小体具有超微性（纳米级）、均匀性和无毒性，可生产品位高的磁性生物材料，国外已开始了高清晰、高保真的大容量超高密度磁记录材料的开发。 在传感技术中的应用：日本研究人员已成功地将磁小体用于新型生物传感器的研究开发中。将抗体固定在磁小体微粒上，可定性或定量地检测多种蛋白抗原。 在医疗卫生上的应用：作为酶、药物或核酸（DNA、RNA）的载体：把药物或抗体等固定在磁小体上，在外磁场的作用下，变成“运载火箭”直接轰击靶区-病灶，从而提高对癌细胞等的杀伤力。 制备磁化细胞：日本学者Matsunaga等成功地将羊红细胞与趋磁细菌的细胞利用原生质体融合技术，获得具有磁敏感性的融合子-磁性红细胞，在磁场的作用下，磁性红细胞仍保持原来形态。 趋磁细菌还可望用于废水处理、发酵工业、人体内废物“透析”，加工含铁食品和饮料等领域，因此具有巨大的不可估量的应用价值和市场开发前景。磁学特性 矫顽力 永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度。 纳米粒的矫顽力变化 小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80安／米，而当颗粒尺寸减小到20纳米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6纳米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。 应用 利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。 利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。 磁性液体在生物医学方面的应用。一是将药物混在磁性液体中制成乳剂注入到血管中。在外加磁场的作用下将该乳剂移送到病灶部位进行治疗。二是用磁性液体做胃肠的X射线造影时的造影剂，然后在外加磁场的作用下进行胃肠检查。特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈 脆性，然而由纳米超微颗 粒压制成的纳米陶瓷材料 却具有良好的韧性。 因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。 美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。 研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。 发动机 电脑风扇 润滑动轴承 液体燃料喷嘴、坩埚、大功率高频模具 半导体元器件 中国科学院金属物理研究所研究员卢柯等人在世界上首次直接观察到晶粒尺寸为30纳米的铜在室温下能延伸了50多倍，这种超塑延展性对传统的金属材料变形机制提出了挑战，也必将对金属材料的精细加工、微机械的制造工艺产生重大影响。特殊的化学特性 很高的化学活性 脾气暴躁、易燃易爆的纳米金属颗粒 很高的催化活性 多孔ZnS纳米颗粒的电镜照片及光催化实验照片特殊的生物效应 纳米颗粒进入生命体后，所产生的化学活性和生物活性是否与现在的微米物质不同？ 比细胞小几个量级的纳米颗粒进入人体后，将与生命体发生什么样的相互作用？ 在体内的吸收、分布、代谢和降解情况 它们对生命过程会带来什么影响？ 正面的影响？负面的影响？ 在生理盐水溶液中尺寸小于100nm的磁性纳米颗粒，仅仅微克量级进入小鼠血管就能很快导致凝血现象以致堵塞血管，导致小鼠死亡。 一般的微米Cu粉，被认为是无毒的。但研究发现，纳米Cu粉对小鼠的脾、肾、胃均能造成严重伤害，而相同剂量的微米Cu却没有损害。 纳米ZnO与通常的微米ZnO的生物毒性，几乎没有差别。体内分布 d<50nm时，纳米药物能透过肝脏内皮或者通过淋巴到达脾或者骨髓，也能到达肿瘤组织； 50nm<d<100nm时，能进入肝实质细胞； 100nm<d<200nm时，能被网状内皮系统的巨噬细胞从血液中清除，最终到达肝脏枯否细胞的溶酶体中； d为7-12µm时，可被肺机械性滤阻而摄取； d>12µm时，可阻滞于毛细血管床，到达肝或肾荷瘤器官中。纳米粒的结构特征 层状结构 核/壳结构 中空结构 介孔结构多层结构的纳米粒形成过程示意图FeAu核壳结构介孔结构三次工业革命21世纪科技三剑客2005年十大科学事件1.纳米新技术　　在以分子为测量单位的纳米技术世界，工程人员今年研制出多个一流的微型设备。数个研究小组分别制造出世界上最小的轿车、最小的摩托车、最小的机器人、最小的冰箱和最小的钢笔。科学家希望，这些肉眼看不到的微型机器将来某一天被用来向细胞“运输”药物，或许还能用于消灭癌症及治疗其它疾病。纳米技术在未来还可以广泛应用于科技领域。在一个令人难以置信的技术突破中，研究人员首次将微生物和机器结合起来，制造出能感知湿度的“镀金细菌”。黑洞诞生修复人类火星上有生命迹象发现超级地球长生不老之术全球变暖趋势不改深度撞击小行星破译黑猩猩的DNA密码卡特里娜飓风学什么？ 纳米的概念及性质 纳米科技的发展历程 如何制备及检测纳米粒子？ 纳米材料与药物研究－－几个研究实例 纳米材料的应用 ．．．怎么学 教学和讲座 课堂调研及讨论为何选修“纳米医药”这门课? 1、好奇，想了解一下；2、导师要求 3、随便选的；4、课题需要 5、其它原因（请给出）在这门课所介绍的内容中，你感兴趣的有哪几项?今天的课程，你印象深刻的是哪一点? 考查 纳米粒的载药量和包封率L为载药率，Wd,Wn分别为纳米粒中药物质量和纳米粒质量EE为包封率，Mn,Mt分别为纳米药物载体中药物量和体系中药物总量