馬明輝 李鵬 蕭博睿

納米技術在生物醫(yī)學工程領域中的作用研究

馬明輝1李鵬2蕭博睿3

納米技術作為一種新型技術，具有多種獨特且高效的優(yōu)勢，本文主要歸納納米技術近幾年來在生物醫(yī)學工程領域中的應用及效果，進一步證實納米技術在生物醫(yī)學工程領域應用的可行性。由于納米技術中涵蓋的內容廣泛且多樣，具有多項特殊性能，為生物材料、生物醫(yī)學工程機械以及康復工程等諸多方面提供堅實而強有力的物質基礎與技術保障。在生物醫(yī)學方面，先進的納米技術可制成各種分子傳感器和探測器，快速了解人們體內潛在風險因子；利用納米羥基磷酸鈣可制成人的牙齒、骨關節(jié)等醫(yī)學物品；將藥物制成藥包或儲存在碳納米管中，通過不同途徑使藥物進入體內并激發(fā)藥劑釋放，成為一種可控藥劑，為醫(yī)學事業(yè)做出巨大貢獻。此外納米技術也是對癌癥治療最有可能和希望的手段之一，但納米技術載體存在很強的免疫原，難以避免的引發(fā)過敏反應，因此納米技術在臨床應放在安全性考慮之后，設計出更為合適的對抗手段。

納米技術；生物醫(yī)學工程；領域；作用

納米技術（Nanoscaletechnology）是一種具有特定功能產品，一門充分掌握原子和分子運動規(guī)律的嶄新高技術學科。納米技術的領域包括納米材料、納米電子、納米生物以及納米顯微等多項技術[1]。其作為近年來一門新興的學科，與多項高技術緊密結合，已引起世界各國科研人員的極大關注。生物醫(yī)學工程是將現(xiàn)代生命科學、醫(yī)學和工程學相結合的綜合性學科，涵蓋了多個領域[2]。近年來納米技術在生物醫(yī)學工程中的應用被越來越多的學者參與研究，為進一步探討納米技術在生物工程中的應用價值，現(xiàn)作出以下報道。

1 納米技術

自80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國對這種納米技術給予了重視與關注。納米技術也稱為毫微技術，目前有關納米技術比較統(tǒng)一定義是[3]：在尺寸為1～100 nm（1 nm =10-9m）的范圍內，對單個原子、分子制造物質的科學技術，其主要是伴隨納米材料研究而逐漸發(fā)展起來的，通常納米技術分為四大方面，即納米材料、納米動力學、納米生物學和納米藥物學、納米電子學。從迄今為止的研究來看，關于納米技術的概念主要分為三種：（1）是1986年美國科學家在《創(chuàng)造的機器》中明確提出納米技術，但在當時還未取得明顯進展，其主要認為納米技術是一項能夠使組合分子的機器實用化，從而任意組合所有種類的分子，制造不同的分子結構；（2）納米技術定義為微加工的基線，換一種說法就是通過人為來精密加工納米技術使其形成納米大小的結構，該項技術在當時雖有有望繼續(xù)發(fā)展下去，但從理論上，這種限制級納米加工技術，也容易使半導體微型化達到極限，產生一定限制，還有待進一步研究[4]；（3）最后一種是從生物的角度所提出。由于納米級的結構本身就存在于生物細胞和生物膜內。加上DNA分子計算機以及細胞生物計算機的開發(fā)，使其成為納米生物技術的重要內容[5]。隨著納米技術的發(fā)展，與其相應的分支學科也相繼建立和發(fā)展起來。

2 納米技術在生物醫(yī)學工程領域中的應用

2.1 納米泵人造紅細胞

臨床已知，腦細胞缺氧6～10 min即可出現(xiàn)壞死，隨之而來，各種內臟器官缺氧后也會呈現(xiàn)衰竭，而人造紅血球比體內血液中的紅細胞要多攜帶200多倍的氧氣[6]，當心臟發(fā)生意外情況突然停止跳動時，可立即注入大量人造紅血球，消除體內壞因素，并提供生命賴以生存的氧氣，維持人體的生理功能。目前納米人造紅血球已被美國納米技術專家提出設計且成為納米技術的標志性結果，該項技術在貧血癥的局部治療、呼吸功能受損和其他額外耗氧當中。

2.2 納米藥包

納米藥包最早由美國麻省理工學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個納米藥包的微型芯片，其作用機制主要為在固定的DNA鏈上連接上殺癌的藥物膠囊，放到患者血液和組織內，一遇上癌細胞的DNA時，DNA鏈就與癌細胞的DNA結合，這時藥物開關受觸發(fā)而開放，藥物便釋放出來，殺滅癌細胞。

2.3 納米技術與基因療法的相結合

瑞典科學家制作的納米微型醫(yī)用機器人[8]，可移動并撿起肉眼看不見的玻璃珠，并利用微型機器手將果蠅的染色體基因進行信號轉移，培育出的果蠅多長一個胸脯和翅膀，甚至把果蠅的眼睛和翅膀也挪位；納米機器人可注入人體血管內，在血管中充當運作分子，并從血液中葡萄糖和氧氣中獲得能量，在外界醫(yī)生的信號指令下進行工作；分子機器人能夠進行全身健康檢查，包括現(xiàn)代醫(yī)學技術中必要的CT、血管造影、MRI等檢查方式，在納米機器人的幫助下可同時完成治療與診斷工作，縮短大量不必要的時間；另外納米機器人也可參加組織器官損壞的修復工作，如整容手術等，甚至有學者在納米機器人的幫助下逆轉癌癥的DNA，延長患者的生存期，使機體正常運行[9]。其在生物醫(yī)學工程中可充當微型醫(yī)生，解決傳統(tǒng)醫(yī)生難以解決的問題，這對于一些先天殘疾或其他原因導致的功能障礙者，具有十分重要的臨床意義，實現(xiàn)患者生活自理、生活質量提高。

在當今世界上，人體中存在各種各樣的細菌、真菌以及病毒、寄生蟲等有害物質，侵蝕患者的有效生命，也是各種疾病出現(xiàn)的源頭，若要與之抗爭，破壞其分子結構但不能影響人體分子結構是一項迄今為止的難點所在。而有學者設想過[10]，如果能研究出病菌或寄生蟲的分子結構及其生命所需要的蛋白質，再制造出專門的分子以破壞這種蛋白質或分子結構。若這種分子研制成功，麻風、皰疹等難治之病將不再棘手，納米技術也成為人類征服疾病的主要手段之一。

3 納米技術在生物醫(yī)學領域研究的發(fā)展趨勢

在未來的20年中，納米技術的研究力度與應用范圍將會越來越廣，其發(fā)展趨勢在于[11]：（1）納米技術與分子生物學技術相結合，并在各種大病毒與細胞器結構的裝配機制上取得進展。（2）逐漸開發(fā)出良好的生物相容性物質，將人體組織成分、結構與力學性能的納米生物活性仿生醫(yī)用復合材料是一個非常重要的研究方向。（3）實現(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）納米技術將使介入性治療、診斷和檢測更加無創(chuàng)、快速。

4 討論

目前的納米技術仍是浩瀚宇宙中一顆渺小的星星，其給人們帶來的便利將是無窮無盡的。首先在生物醫(yī)學方面，先進的納米技術可制成各種分子傳感器和探測器，快速了解人們體內潛在風險因子；利用納米羥基磷酸鈣可制成人的牙齒、骨關節(jié)等醫(yī)學物品；將藥物制成藥包或儲存在碳納米管中，通過不同途徑使藥物進入體內并激發(fā)藥劑釋放，成為一種可控藥劑，為醫(yī)學事業(yè)做出巨大貢獻。此外納米技術也是對癌癥治療最有可能和希望的手段之一，但納米技術載體存在很強的免疫原，難以避免的引發(fā)過敏反應，因此納米技術在臨床應放在安全性考慮之后，設計出更為合適的對抗手段。

我國著名老科學家錢學森曾指出：“納米科技是21世紀科技發(fā)展的重點，會是一次技術革命，而且還會是一次產業(yè)革命”。第一次產業(yè)革命：18世紀蒸汽機的使用，使英國成為世界強國（毫米技術）。第二次產業(yè)革命：電力技術使美國成為世界強國。第三次產業(yè)革命：微電子技術使日本成為世界強國（微米技術），而納米技術將會引發(fā)第四次產業(yè)革命，其也是國際上公認的二十一世紀乃至二十二世紀最有前途的科技領域。影響著一個社會、國家乃至整個社會文明的進步?？傊?，納米技術作為一顆冉冉升起的星星，在不久的將來將發(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)院神經內科，山東 淄博 255120；2山東能源淄博礦業(yè)集團中心醫(yī)院普外科，山東 淄博 255120；3首都醫(yī)科大學基礎醫(yī)學系，北京 豐臺 100054