納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中的作用研究

馬明輝 李鵬 蕭博睿

納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中的作用研究

馬明輝1李鵬2蕭博睿3

納米技術(shù)作為一種新型技術(shù)，具有多種獨(dú)特且高效的優(yōu)勢(shì)，本文主要?dú)w納納米技術(shù)近幾年來(lái)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用及效果，進(jìn)一步證實(shí)納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。由于納米技術(shù)中涵蓋的內(nèi)容廣泛且多樣，具有多項(xiàng)特殊性能，為生物材料、生物醫(yī)學(xué)工程機(jī)械以及康復(fù)工程等諸多方面提供堅(jiān)實(shí)而強(qiáng)有力的物質(zhì)基礎(chǔ)與技術(shù)保障。在生物醫(yī)學(xué)方面，先進(jìn)的納米技術(shù)可制成各種分子傳感器和探測(cè)器，快速了解人們體內(nèi)潛在風(fēng)險(xiǎn)因子；利用納米羥基磷酸鈣可制成人的牙齒、骨關(guān)節(jié)等醫(yī)學(xué)物品；將藥物制成藥包或儲(chǔ)存在碳納米管中，通過(guò)不同途徑使藥物進(jìn)入體內(nèi)并激發(fā)藥劑釋放，成為一種可控藥劑，為醫(yī)學(xué)事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)。此外納米技術(shù)也是對(duì)癌癥治療最有可能和希望的手段之一，但納米技術(shù)載體存在很強(qiáng)的免疫原，難以避免的引發(fā)過(guò)敏反應(yīng)，因此納米技術(shù)在臨床應(yīng)放在安全性考慮之后，設(shè)計(jì)出更為合適的對(duì)抗手段。

納米技術(shù)；生物醫(yī)學(xué)工程；領(lǐng)域；作用

納米技術(shù)（Nanoscaletechnology）是一種具有特定功能產(chǎn)品，一門(mén)充分掌握原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的嶄新高技術(shù)學(xué)科。納米技術(shù)的領(lǐng)域包括納米材料、納米電子、納米生物以及納米顯微等多項(xiàng)技術(shù)[1]。其作為近年來(lái)一門(mén)新興的學(xué)科，與多項(xiàng)高技術(shù)緊密結(jié)合，已引起世界各國(guó)科研人員的極大關(guān)注。生物醫(yī)學(xué)工程是將現(xiàn)代生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)相結(jié)合的綜合性學(xué)科，涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域[2]。近年來(lái)納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用被越來(lái)越多的學(xué)者參與研究，為進(jìn)一步探討納米技術(shù)在生物工程中的應(yīng)用價(jià)值，現(xiàn)作出以下報(bào)道。

1 納米技術(shù)

自80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國(guó)對(duì)這種納米技術(shù)給予了重視與關(guān)注。納米技術(shù)也稱(chēng)為毫微技術(shù)，目前有關(guān)納米技術(shù)比較統(tǒng)一定義是[3]：在尺寸為1～100 nm（1 nm =10-9m）的范圍內(nèi)，對(duì)單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，其主要是伴隨納米材料研究而逐漸發(fā)展起來(lái)的，通常納米技術(shù)分為四大方面，即納米材料、納米動(dòng)力學(xué)、納米生物學(xué)和納米藥物學(xué)、納米電子學(xué)。從迄今為止的研究來(lái)看，關(guān)于納米技術(shù)的概念主要分為三種：（1）是1986年美國(guó)科學(xué)家在《創(chuàng)造的機(jī)器》中明確提出納米技術(shù)，但在當(dāng)時(shí)還未取得明顯進(jìn)展，其主要認(rèn)為納米技術(shù)是一項(xiàng)能夠使組合分子的機(jī)器實(shí)用化，從而任意組合所有種類(lèi)的分子，制造不同的分子結(jié)構(gòu)；（2）納米技術(shù)定義為微加工的基線，換一種說(shuō)法就是通過(guò)人為來(lái)精密加工納米技術(shù)使其形成納米大小的結(jié)構(gòu)，該項(xiàng)技術(shù)在當(dāng)時(shí)雖有有望繼續(xù)發(fā)展下去，但從理論上，這種限制級(jí)納米加工技術(shù)，也容易使半導(dǎo)體微型化達(dá)到極限，產(chǎn)生一定限制，還有待進(jìn)一步研究[4]；（3）最后一種是從生物的角度所提出。由于納米級(jí)的結(jié)構(gòu)本身就存在于生物細(xì)胞和生物膜內(nèi)。加上DNA分子計(jì)算機(jī)以及細(xì)胞生物計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)，使其成為納米生物技術(shù)的重要內(nèi)容[5]。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，與其相應(yīng)的分支學(xué)科也相繼建立和發(fā)展起來(lái)。

2 納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 納米泵人造紅細(xì)胞

臨床已知，腦細(xì)胞缺氧6～10 min即可出現(xiàn)壞死，隨之而來(lái)，各種內(nèi)臟器官缺氧后也會(huì)呈現(xiàn)衰竭，而人造紅血球比體內(nèi)血液中的紅細(xì)胞要多攜帶200多倍的氧氣[6]，當(dāng)心臟發(fā)生意外情況突然停止跳動(dòng)時(shí)，可立即注入大量人造紅血球，消除體內(nèi)壞因素，并提供生命賴(lài)以生存的氧氣，維持人體的生理功能。目前納米人造紅血球已被美國(guó)納米技術(shù)專(zhuān)家提出設(shè)計(jì)且成為納米技術(shù)的標(biāo)志性結(jié)果，該項(xiàng)技術(shù)在貧血癥的局部治療、呼吸功能受損和其他額外耗氧當(dāng)中。

2.2 納米藥包

納米藥包最早由美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員所研制出[7]，規(guī)格為20 nm的藥物炸彈和1 000個(gè)納米藥包的微型芯片，其作用機(jī)制主要為在固定的DNA鏈上連接上殺癌的藥物膠囊，放到患者血液和組織內(nèi)，一遇上癌細(xì)胞的DNA時(shí)，DNA鏈就與癌細(xì)胞的DNA結(jié)合，這時(shí)藥物開(kāi)關(guān)受觸發(fā)而開(kāi)放，藥物便釋放出來(lái)，殺滅癌細(xì)胞。

2.3 納米技術(shù)與基因療法的相結(jié)合

瑞典科學(xué)家制作的納米微型醫(yī)用機(jī)器人[8]，可移動(dòng)并撿起肉眼看不見(jiàn)的玻璃珠，并利用微型機(jī)器手將果蠅的染色體基因進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)移，培育出的果蠅多長(zhǎng)一個(gè)胸脯和翅膀，甚至把果蠅的眼睛和翅膀也挪位；納米機(jī)器人可注入人體血管內(nèi)，在血管中充當(dāng)運(yùn)作分子，并從血液中葡萄糖和氧氣中獲得能量，在外界醫(yī)生的信號(hào)指令下進(jìn)行工作；分子機(jī)器人能夠進(jìn)行全身健康檢查，包括現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)中必要的CT、血管造影、MRI等檢查方式，在納米機(jī)器人的幫助下可同時(shí)完成治療與診斷工作，縮短大量不必要的時(shí)間；另外納米機(jī)器人也可參加組織器官損壞的修復(fù)工作，如整容手術(shù)等，甚至有學(xué)者在納米機(jī)器人的幫助下逆轉(zhuǎn)癌癥的DNA，延長(zhǎng)患者的生存期，使機(jī)體正常運(yùn)行[9]。其在生物醫(yī)學(xué)工程中可充當(dāng)微型醫(yī)生，解決傳統(tǒng)醫(yī)生難以解決的問(wèn)題，這對(duì)于一些先天殘疾或其他原因?qū)е碌墓δ苷系K者，具有十分重要的臨床意義，實(shí)現(xiàn)患者生活自理、生活質(zhì)量提高。

在當(dāng)今世界上，人體中存在各種各樣的細(xì)菌、真菌以及病毒、寄生蟲(chóng)等有害物質(zhì)，侵蝕患者的有效生命，也是各種疾病出現(xiàn)的源頭，若要與之抗?fàn)帲茐钠浞肿咏Y(jié)構(gòu)但不能影響人體分子結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)迄今為止的難點(diǎn)所在。而有學(xué)者設(shè)想過(guò)[10]，如果能研究出病菌或寄生蟲(chóng)的分子結(jié)構(gòu)及其生命所需要的蛋白質(zhì)，再制造出專(zhuān)門(mén)的分子以破壞這種蛋白質(zhì)或分子結(jié)構(gòu)。若這種分子研制成功，麻風(fēng)、皰疹等難治之病將不再棘手，納米技術(shù)也成為人類(lèi)征服疾病的主要手段之一。

3 納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的發(fā)展趨勢(shì)

在未來(lái)的20年中，納米技術(shù)的研究力度與應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越廣，其發(fā)展趨勢(shì)在于[11]：（1）納米技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合，并在各種大病毒與細(xì)胞器結(jié)構(gòu)的裝配機(jī)制上取得進(jìn)展。（2）逐漸開(kāi)發(fā)出良好的生物相容性物質(zhì)，將人體組織成分、結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的納米生物活性仿生醫(yī)用復(fù)合材料是一個(gè)非常重要的研究方向。（3）實(shí)現(xiàn)藥物的控釋系統(tǒng)，直接作用于靶器官，從而大大提高治療效果。（4）納米技術(shù)將使介入性治療、診斷和檢測(cè)更加無(wú)創(chuàng)、快速。

4 討論

目前的納米技術(shù)仍是浩瀚宇宙中一顆渺小的星星，其給人們帶來(lái)的便利將是無(wú)窮無(wú)盡的。首先在生物醫(yī)學(xué)方面，先進(jìn)的納米技術(shù)可制成各種分子傳感器和探測(cè)器，快速了解人們體內(nèi)潛在風(fēng)險(xiǎn)因子；利用納米羥基磷酸鈣可制成人的牙齒、骨關(guān)節(jié)等醫(yī)學(xué)物品；將藥物制成藥包或儲(chǔ)存在碳納米管中，通過(guò)不同途徑使藥物進(jìn)入體內(nèi)并激發(fā)藥劑釋放，成為一種可控藥劑，為醫(yī)學(xué)事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)。此外納米技術(shù)也是對(duì)癌癥治療最有可能和希望的手段之一，但納米技術(shù)載體存在很強(qiáng)的免疫原，難以避免的引發(fā)過(guò)敏反應(yīng)，因此納米技術(shù)在臨床應(yīng)放在安全性考慮之后，設(shè)計(jì)出更為合適的對(duì)抗手段。

我國(guó)著名老科學(xué)家錢(qián)學(xué)森曾指出：“納米科技是21世紀(jì)科技發(fā)展的重點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，而且還會(huì)是一次產(chǎn)業(yè)革命”。第一次產(chǎn)業(yè)革命：18世紀(jì)蒸汽機(jī)的使用，使英國(guó)成為世界強(qiáng)國(guó)（毫米技術(shù)）。第二次產(chǎn)業(yè)革命：電力技術(shù)使美國(guó)成為世界強(qiáng)國(guó)。第三次產(chǎn)業(yè)革命：微電子技術(shù)使日本成為世界強(qiáng)國(guó)（微米技術(shù)），而納米技術(shù)將會(huì)引發(fā)第四次產(chǎn)業(yè)革命，其也是國(guó)際上公認(rèn)的二十一世紀(jì)乃至二十二世紀(jì)最有前途的科技領(lǐng)域。影響著一個(gè)社會(huì)、國(guó)家乃至整個(gè)社會(huì)文明的進(jìn)步。總之，納米技術(shù)作為一顆冉冉升起的星星，在不久的將來(lái)將發(fā)出奪目的光輝。

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Research on the Role of Nanoscaletechnology in the Field of Biomedical Engineering

MA Minghui1 LI Peng2 XIAO Borui3 1 Department of Neurology, Zibo Fifth People's Hospital, Zibo Shandong 255120, China; 2 Department Of General Surgery, Shandong Energy Zibo Mining Group Center Hospital, Zibo Shandong 255120, China; 3 Department of Basic Medicine, Capital Medical University, Beijing 100054, China

Nanoscaletechnology has several distinguished advances as a new technology. This paper mainly concludes the applications and results of Nanoscaletechnology in the fi eld of biomedical engineering recent years, and gives the reasons for the probability to put it into practice. Nanoscaletechnology has built up foundations for areas such as biological material, biomedical engineering and rehabilitation engineering, on account of its distinct advances and wide range of knowledge. Nanoscaletechnology can be applied to kinds of molecular sensors, to detect any unexplored factors; Using Nanoscaletechnology can produce artificial organs like joints and teeth; nanophase materials is a good carrier and controller of medicines. What’s more,Nanoscaletechnology has a splendid future in the area of curing cancers,however, nanophase materials can easily cause allergy. People need to fi nd the optimal method in clinical applications, with safety at the fi rst place.

nanoscaletechnology; biomedical engineering; fi eld; effect

R318

A

1674-9316（2017）27-0154-03

10.3969/j.issn.1674-9316.2017.27.081

1山東省淄博市第五人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，山東 淄博 255120；2山東能源淄博礦業(yè)集團(tuán)中心醫(yī)院普外科，山東 淄博 255120；3首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系，北京 豐臺(tái) 100054