2022年纳米技术在生物领域中的应用 .pdf

纳米技术在生物领域中的应用摘要对纳米技术在生物及相关领域应用的纵深发展作以介绍其中包括纳米机械模板自组装系统纳米生物标记生物芯片纳米与药物等关键词纳米生物 应用最近美国商业周刊列出了21世纪可能取得重大突破的三个领域：一是生命科学和生物技术； 二是从外星球获取能源；三是纳米技术。 所谓纳米技术(Nanotechnology)是指在小于 100 nm 的量度范围内对物质和结构进行制造的技术，其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米技术在新世纪将推动信息技术、生物医学、环境科学、自动化技术及能源科学的发展，将极大的影响人类的生活，纳米技术涉及面十分广泛包括物理学化学生物医学和材料等有关的领域。纳米技术及其应用正在不断发展对许多科技领域产生了巨大的影响随着人们对生命领域的认识的不断深入可以认为生物世界是由纳米级单元构成并且生命生物学提供了一个新的研究领域即在纳米水平上对细胞和生命进一步认识相应地对生命本身细微结构认识的深入将使人们不断得到启迪有助于对细胞行为更好调控促进新兴研究领域的发展因此纳米与生物的结合不仅对探索生命本质具有重大科学意义而且具有重要的应用价值。 a 纳米生物学的研究对象有人把在纳米尺度( 水平 )上研究生命现象的生物学叫做纳米生物学。纳米结构通常指尺寸在 1 nm100 nm 范围的微小结构。1 纳米等于10-9m，即 1m的十亿分之一。我们知道，细胞具有微米 (10-6m) 量级的空间尺度，生物大分子具有纳米量级的空间尺度。在它们之间的层次是亚细胞结构，具有几十到几百纳米量级的空间尺度。显然在纳米水平上研究生命现象的纳米生物学， 它的研究对象就是亚细胞结构和生物大分子体系。由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多， 这就为生物学研究提供了一个新的研究途径即利用纳米微粒进行细胞分离、疾病诊断， 利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。1 纳米机械生命系统是由纳米尺度上分子的行为所控制的F1-ATPase(F1-三磷酸腺苷酶)是细胞中精巧的分子马达之一它位于线粒体内是一种用于合成ATP(三磷酸腺苷可以用于推动许多生物合成反应在能量循环中起关键作用还充作特殊生理活动作功分泌吸收和传导等的初级能源 )的大型嵌膜复合体Boyer1曾提出 F1-ATPase 分子模型 Walker 等2通过 F1-ATPase 分子的 X 射线晶体结构认为该酶是一个马达Noji3突破常规采用精密的方法并通过在膜的F0 部分即g 子单元的马达的旋转部分系缚一根荧光标记的肌动朊细丝作为巨型探针以提供旋转马达负载并方便观察然后将整个分子固定于Ni-NTA (Ni 氨三乙酸配合物)涂敷的玻璃基底上利用一台荧光显微镜观察肌动朊细丝的运动他们直观观察到F1-ATPase 分子的单个旋转见图 1 而且 Noji 观察到仅当有 Mg-ATP 存在时 F1-ATPase 系缚的肌动朊细丝才能旋转从而演示了该分子马达的功能并符合X 射线晶体结构预测的方向该实验为Boyer 旋转模型提供了直接有力的证据说明尺寸只有10nm 的F1-ATPase 酶是一种新的马达蛋白在结构上与肌球蛋白等类似,是由自然生物化学过程驱动的功能齐全的旋转马达自然界中有一些细菌可以靠摆动其鞭毛而运动鞭毛的根部就像一个微小的马达它的中心是一个由蛋白质构成名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 的转子转子周围是一个由六个蛋白质结构组成的环每个蛋白质分子都具有ATP 酶的活性通过将 ATP 分解成 ADP 而获得的能量就可以使转子旋转带动鞭毛摆动Montemagno 等4在活细胞内能源机制启发下制造出了一种分子马达这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础把金属镍制成的螺旋桨嫁接到三磷酸腺苷酶分子中轴上制造了400 个分子马达浸于ATP 溶液后其中395 个保持不动但另5 个则转动起来转速达到8 r/s 这种马达只在显微镜下才能被观察到其镍螺旋桨相对来说较长达到750nm 根据拍摄到的画面研究人员观察到一个尘埃粒子先被旋转的螺旋桨吸入和甩出的情景6 Montemagno 希望最终有一天能够利用这种装置将某些药品运送到体内的任何地方比如将化疗药物直接运送到肿瘤以减少对正常细胞的损伤该研究小组获得的另一项成果是把光合作用系统同生物马达组合到一起这样只要光存在就能完成相应的功能更深入的研究将允许科学家们利用分子水平上的研究结果将无机装置与自分子马达相结合创造杂交系统和全新纳米机械器件人们设想利用化学能的分子马达驱动的纳米机械与阀泵和传感器组成集成器件这类器件能对肌体内外的变化作出反应例如可探测有害化学物质的纳米传感器当被有害物质激活后这种传感器内的马达就打开阀门释放出可见的物质示警利用小型自给自足能量的器械可以探测并鉴别土壤中的油类或化学污染同时绘制出它的分布和浓度图或是根据探测的体内变化调控药物的施用7等纳米机械还可以利用DNA 基本元件碱基的配对机制做成采用DNA 为燃料的镊子研究人员设计出三条DNA 链A B 和C 利用碱基配对机制使A 的一半与 B 的一半结合 A 的另一半与 C 的一半结合在 A 连接 B 与C 的地方有一个活动枢钮这样就构成了一个可以开合的镊子而其每条臂只有nm 长一般情况下镊子保持开的状态利用另一条设计好的 DNA 链D 使它分别与 B 和C 上碱基未配对的部分结合就把B 和C 两臂拉到一起使镊子合上同时 D 仍留出一部分未配对的碱基再添加一条DNA 链E 使它与链 D 上碱基未配对的部分结合把D 拉离镊子即能使镊子重新张开重复添加链D 和链 E 的过程可使镊子反复开合由于这个镊子的开合需要在DNA 链D 和链 E 的作用下才能进行故将DNA 称为这种镊子的燃料8 2 纳米生物标记细胞染色是用光学显微镜和电子显微镜研究细胞组织的一项十分重要的技术未加染色的细胞组织由于衬度低很难用光学显微镜和电子显微镜进行观察为了解决这个问题已经发展了多种染色技术纳米粒子的出现为建立新的更加有效的染色技术提供了途径文献10介绍了比利时的 Demey 博士在乙醚的黄磷饱和溶液中用抗坏血酸或柠檬酸把金从HAuCl4 水溶液中还原成金纳米粒子其粒径为30 40 nm 并由此制备了金纳米粒子- 抗体的复合体 ( 即将金的纳米粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合) 这些复合体与细胞组织相结合就相当于给各种组织贴上了标签由于纳米粒子的光学特性在显微镜下呈现自己的特征颜色使得在光学显微镜和电子显微镜下衬度差别很大各种组织容易被分辨生物标记是广泛用于临床的可视化的技术之一利用纳米粒子的小尺寸效应美国California 的Bruchez 等经过 10 年的研究9,10 合成了一系列不同粒径的CdSe 等纳米粒子得到了其粒径对荧光波长 ( 或能带宽度 ) 的响应规律 ( 图 2) 从图中可见 CdSe InP InAs 等半导体纳米粒子的荧光峰值位置随纳米粒子粒径减小向短波方向移动并有十分明显的间隔可以用于荧光生物标记他们将不同粒径(5nm 和3nm)的样品注入 3T3 鼠纤维原细胞中然后用激光或紫外灯照射图2 表面包覆半导体纳米晶CdSe, InP, InAs 在不同尺寸时的发射光谱(粒径对波长的不同响应) CdSe 纳米晶尺寸 2.1nm, 2.4nm, 3.1nm, 3.6nm, 4.6 nm (从右至左 ) InP 纳米晶尺寸寸 3.0nm, 3.5nm, 4.6 nm (从右至左 ) InAs 纳米晶尺寸 2.8nm, 3.6nm, 4.6nm, 6.0 nm. Fig. 2. (A) Size- and material-dependent emission spectra of several surfactant-coated semiconductor nanocrystals in a variety of 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - sizes. The blue series represents different sizes of CdSe nanocrystals with diameters of 2.1, 2.4, 3.1, 3.6, and 4.6 nm (from right to left). The green series is of InP nanocrystals with diameters of 3.0, 3.5, and 4.6 nm. The red series is of InAs nanocrystalswith diameters of 2.8, 3.6, 4.6, and 6.0 nm. 波长 /nm 归一化荧光InAs InP CdSe 观察到两种不同的颜色即红色和绿色从荧光分析表明发绿光的5nm 颗粒位于纤维中而发红光的 3nm 粒子位于细胞核中他们认为该半导体纳米粒子作为荧光生物标记将优于染料在诊断和显影方面具有更广泛的应用前景3 纳米技术改进生物传感器所有疾病过程如细胞的癌前病变都伴随着被感染的细胞的化学变化而这些亚细胞和分子水平的变化一般早于细胞形态学方面的变化和肌体症状的出现能够反映这种变化的技术在原理上都可以作为一种疾病的早期诊断工具因此可以感知这种变化的生物传感器在癌变早期诊断中有可现应用前景生物传感器是基于生物分子如酶抗体等的专一性和灵敏性与特定离子 (Fe2+Ca2+ Na+ K+ Pb2+) 或有机分子 ( 尿素葡萄糖氨基酸甚至某些蛋白质) 相互作用12 利用传统的电子器件进行信号检测和传输纳米技术的引入能明显提高生物传感器的效用葡萄糖氧化酶 (GOD)生物传感器是一种基于氧化还原的酶其薄膜可以测定血糖因此可以做生物传感器这对糖尿病占5 以上的中国人很有实用意义孟宪伟等13把纳米微粒引人到葡萄糖酶电极中进行葡萄糖氧化酶(GOD)的固定化研究结果表明纳米粒子的加入可以显著提高GOD 酶电极响应灵敏度和使用寿命即明显地提高葡萄糖生物传感器的响应电流和稳定性而且颗粒愈细效果愈明显不仅如此纳米颗粒的吸附场还能引起颗粒的整齐排列这种吸附定向作用不单对 GOD 有作用而且对一切受构型影响的反应也有影响而这在生物体系中极为重要例如将纳米颗粒放到一些受分子构型变化影响的光致变色的体系中如螺吡喃视黄醛细菌视紫红质中能提高其稳定性和光电流SiO2 与金的纳米微粒在某些生物体系中能产生明显的生物效应14 有待进一步利用例如金纳米粒子能提高视醛薄膜的光电流及其稳定性15 能延长细菌视紫红质M 态的寿命 CeO2 纳米晶对细菌视紫红质- 聚乙烯醇 (bR-PVA) 薄膜进行化学修饰发现纳米晶可延长bR 光循环中的重要中间态M 态的寿命的且晶粒尺寸越小对M 态寿命的影响越大SiO2 与金纳米粒子能提高葡萄糖氧化酶的生物活性及稳定性16 它们在制备仿生信息与识别薄膜等类型的纳米生物传感器中具有重要作用二氧化硅和金或铂组成的复合纳米颗粒可以大幅度地提高葡萄糖生物传感器的电流响应和单独一种纳米颗粒相比更易于形成连续势场降低电子在电极和固定化酶间的迁移阻力提高电子迁移率有效地加速了酶的再生过程4 生物芯片与微加工技术朝纳米尺度发展一样某些种类的生物芯片的研究也正在向纳米量级发展研究人员发现一些天然分子的生物自组装能力完全可以用于制作纳米器件例如用胶原质做导线抗体做夹子 DNA 做存储器膜蛋白做泵等等虽然目前尚无成功的纳米芯片出现人们利用分子的自组装特性制作了一些结构如直径为0.5m 长30 m 的脂质管直径 0.7m 的圆形多肽纳米管和显微分子齿轮等这些利用分子来设计和装配类似仪器零件的研究为纳米芯片的开发打下了良好的基础生物芯片技术另外一个重要并具有应用价值的发展方向是为新药的开发提供高通量乃至超高通量筛选的技术平台17,19在生物芯片的下列领域纳米技术也充满希望名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - (1) 进一步减小测试尺度增加检测容量在每个实验中允许研究更多基因(2) 提高其灵敏度(3) 探索这类系统在临床甚至作为体内实时传感器等方面的应用5 纳米生物医药学从原理上来讲药物颗粒的尺寸可由微米减小至纳米甚至更小尺寸由于纳米粒子和生命细胞的尺寸相近将有利于药物溶解于体内环境增加其稳定性发挥药效纳米和药物的相关结合点如下20生物计算机的主要原材料之一是生物工程技术产生的蛋白质分子, 并以此作为生物蕊片。在这种蕊片中 , 信息以波的形式传播, 其运算速度要比当今最新一代计算机快10 倍至几万倍 , 能量消耗仅相当于普通计算机的10 亿分之一 , 存储信息的空间仅占百亿分之一。 由于蛋白质分子能够自我组合, 再生新的微型电路, 使得生物计算机具有生物体的一些特点科学家们预言, 实用的生物分子计算机将在今后的几年内面世, 21 世纪将是生物分子和量子计算机的时代, 对未来的世界将产生重大的影响。制造这类计算机离不开分子纳米技术。纳米技术在超导材料制备和药物合成及制剂领域可发挥重要作用。过去十年里 , 几个研究和开发小组从氨基酸基团出发已制成了新型的蛋白质, 并使它们折叠成新的形状。这种所谓的De novo( 从头 ) 蛋白质设计对于氨基酸的线性链如何形成三维分子给予更深的理解。它也能使所设计的蛋白质特别适合于药物或工业需要。具有纳米结构的催化剂性能十分优越, 用声化学合成法制备的铁- 钴基催化剂具有很好的脱氢催化活性。将纳米技术与微波、超声波催化技术相结合 21 , 可望制备出性能独特的新物质。纳米生物技术还可以利用菌类生产所需的生物制品。纳米技术还可用于超导等材料的制备。模板合成微细管中的酶固定技术 22 : 最近已表明覆盖细管倒转术可用具有酶生物感应的酶装载。配合使用电化学和化学模板合成法, 首先在多脂膜板表面喷一层厚的金, 多吡咯栓也沉淀在孔内。接着多吡咯细管在栓膜孔内聚合, 电化学聚合栓成为化学聚合的盖, 然后被膜通过其控制膜真空过滤溶解酶装载要求酶。溶解分子可通过多吡咯栓, 而较大的酶分子仍保留在被膜内。添加酶后 , 膜上表面应用 T orr Swal 环氧聚合树脂 , 固化后 , 将全部装置于二氯甲烷中使膜溶解。传导电子显微术已表明这些被膜壁非常薄 , 厚25nm 。 这很重要 , 因小分子为进入被膜内的酶必须通过壁的扩散, 薄壁保证了这些物质输送过程的进行。多吡咯是纤多孔聚合物也促进了扩散, 但多吡咯太小, 蛋白质分子无法从里面滤出。一百年前 Fisher 以锁与钥的匹配来描述专一性的结合, 称之为识别。分子识别既是超分子信息处理的基础, 又是组装高级结构的必由途径。值得注意的是肽片段之间特殊序列的相互识别 , 这是蛋白质分子之间组装的主要途径之一, 或许是生物超分子体系自组装的一种原动力。 56 氨基酸残基的多肽链以握手模型形成最强识别。1988 年美国密苏里大学Smith 构建的以 FUSES 的单链噬菌体的基因工程表达的肽库是研究多肽识别的最有效方法, 任何一个多肽可从肽库用识别的办法, 像钓鱼一样钓出其对应识别序列。这对研究多肽识别序列、药物筛选、 多肽识别位点的选择均有重大意义。将生物素 ( biotin) 接上长脂肪链 , 在气液界面铺成单分子膜, 在亚相注入亲核素( streptavidin), 两者相互识别 , 在界面生成蛋白质二维晶体及二层二维晶体, 这可以作生物蕊片的基体。在载体表面修饰上一层均匀的离子基团, 在水相中 , 以双头的正、 负离子化合物利用离子间静电吸引力交替沉积在载片上生成结构规整的超薄膜。这种分子沉积技术除具有传统自组装及LB 膜方法的特点以外, 还具有工艺简单、组装能力强、长期稳定性好的许多新优点。基于免疫功能的抗体与抗原识别是保证人类健康、抵制外来细菌与病毒侵蚀的屏障。人们巧妙地利用生物体抵御外来抗原产生与之相识别的性质, 发展了一门以Schultz 和Ler ner 研究工作为代表的崭新研究领域催化抗体, 或称抗体酶。 例如防衰老酶系中有一个谷胱甘肽过氧化酶 , 这种酶在谷胱甘肽存在下消除脂质体的过氧化物。以谷胱甘肽为半抗原之主体, 用名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 克隆技术在鼠体上增减抗体, 用识别办法得到单克隆抗体。根据抗氧化催化原理, 在抗体识别部位引入硒化氢催化基团, 这就制成了人工催化抗体。其催化活性达到天然酶的同样数量级, 这就开拓了一个全新的热门研究领域23 。这方面 , 席默尔曼、策恩赖信尔特和克罗图信报道了合成分子亚单元形成具有确定结构的毫微颗粒的自动装配过程, 具有传送药物及免疫原的潜在载体的前景 24 。7 清除模拟生物武器污染利用碱土金属氧化物和其它化合物形成的纳米粒子可以在室温下杀灭模拟碳疽病的空气传播从而用于清除模拟生物武器污染利用纳米粒子的小尺寸效应大的比表面积以及表面性质 Koper 小组2527合成了具有大表面积和表面化学吸附特性增强的的系列无机氧化物及部分包覆物超细粉末( 直径为 20nm 以下 ) 对比了它们对化学毒物神经类毒气等酸性气体的吸附能力由图 4 中可见采用气凝胶法制备的纳米粒子(AP-CaO Fe2O3 P-CaO) 吸附特性明显优常规方法制备的样品(CP-CaO Fe2O3CP-CaO) 少量 (5% 10%)包覆 Fe2O3(Fe2O3 AP-CaO, Fe2O3 CP-CaO ) 使CaO 对 SO2 的吸附作用明显增强从而得到了更加有效后续处理更加简便的高活性吸附膏剂虽然其原理不尽清楚但目前认为这些纳米级粉末和(固化形成 ) 多孔小球的表面化学特性似乎与特征纳米晶不同的多面体外形有关它在军用环境修复等方面都颇具应用前景。综上所述纳米生物学领域的研究正逐步深入相关商业领域的应用正待开发因此纳米生物学已经步入了崭新的建立在多学科交叉基础上的发展时期必将推动科技与社会相关领域的新发展纳米技术生物学的结合虽任重而道远却充满希望。 1 Boyer P D. Biochim. Biophys. Acta., 1993,215:1140. 2 Abrahams J P, Leslie A G W, Lutter R et al. Nature, 1994,621:370. 3 Noji H. Science, 1998,282:18441845. 4 Soong R K, Bachand G D, Neves H P et al. Science, 2000, 290:15551558. 5 常津 . 中国生物医学工程学报, 1996, 15(2):97101. 6 Schmid A K, Bartelt N C, Hwang R Q. Science,2000,290:15611564. 7 Nanotechnology Research Directions:IWGN Workshop Report(IWGN).1999,Chapter8,107119. 8 Yurke B, Turberfield A J, Neumann J L. Nature, 2000, 406(6796):605607. 9 Bruchez M J, Moronne M, Gin P et al. Science,1998, 281(5385):20132015. 10 Chan W C W, Nie S M, Science, 1998, 281(5385):20162018. 11 张立德 , 牟季美. 纳米材料和纳米结构. 北京 :科学出版社 , 2000:510. 12 崔福斋 . 材料导报 ,1999,13(4):1314. 13 孟宪伟 , 唐芳琼, 冉均国等 . 化学通报 , 2001,6:365368. 14 Sun Y H, Li J R, Li B F et al. Langmuir, 1997,13(22):57995801. 15 江 龙. 无机化学学报 , 2000, 16(2):185194. 16 Chen X Y, Li J R, Li X C et al. Bioch. Biophys. Res. Commun., 1998,245:352355. 17 许俊泉 , 贺学忠, 周玉祥. 科学通报 ,1999,44(24):2600. 18 Nanotechnology Research Directions:IWGN Workshop Report(IWGN),1999:119. 19 Debouck C, Goodfellow P N. Nature Genet., 1999, 21:4850. 20 Braxton S, Bedilion T. Biotechnol., 1998, 9(6):643. 21 Chem & E ng News, 1995, April , ( 24) : 37 22 Mart in C R. 基膜合成纤材料的方法. 世界科学 , 1996, ( 1) : 2223 23 沈家骢 . 分子组装 . 世界科技研究与发展, 1995, 17( 1) : 1516 24 Th omas W B. 分子树化学的新分支. Science, 1996, ( 2) : 23 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 25 Decker S, Klabunde K J. J.Am.Chem.Soc.,1996,118:1246512466. 26 Koper O, Lucas E, Klabunde K J. J.Appl.Toxicol,1999,19:S59S70. 27 Koper O, Klabunde K J. Chem.Mater,1997,9:24812485. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -