纳米技术在生物医学应用中的作用

K. Y. Rokde¹, Dr.P.B.Dahikar², Dr.M.J.Hedau^3.， S.S. Shende⁴

印度那格浦尔理工学院电子系助理教授
副教授。印度那格浦尔的卡姆拉尼赫鲁学院电子系
印度那格浦尔希瓦吉科学学院电子系副教授
印度那格浦尔希瓦吉科学学院电子系助理教授

摘要

本文介绍了纳米技术及其在生物医学领域的工程应用，以及与生物医学相关的健康问题。纳米技术是分子(原子群)水平的工程。它是一系列涉及最小尺度(从1到100压力计-人类头发厚度的万分之一)物质操纵的技术、工艺和过程的总称。纳米技术是一项极其强大的新兴技术，预计将对现在和未来的医疗技术产生重大影响。新型非医学应用对疾病诊断、治疗和预防的潜在影响将从根本上改变医疗保健。此外，治疗方法的选择可以越来越多地针对每个患者的情况进行调整。特别是在外科手术、癌症诊断和治疗、疾病标志物的生物检测、分子成像、植入技术、组织工程以及药物、蛋白质、基因和放射性核素传递装置等方面的相关应用。许多医学纳米技术应用仍处于起步阶段。然而，越来越多的产品目前正在进行临床研究，一些产品已经上市，如手术刀片和缝合针、磁共振成像对比增强剂、骨替代材料、伤口敷料、抗菌纺织品、体外分子诊断芯片、微悬臂和微针。

关键字

纳米技术;医疗技术;生物传感器;分子成像;植入物;癌症诊断;癌症治疗;在vitrodiagnostics

介绍

纳米技术是分子(原子群)水平的工程。它是涉及最小尺度(从1到100 nm2)物质操纵的一系列技术、工艺和过程的统称。

物理和化学的经典定律在这么小的尺度上并不适用，原因有二。首先，非常小的粒子的电子性质可能与较大的粒子有很大的不同。其次，表面积与体积之比变得更高，而且由于表面原子通常是最活泼的，材料的性质会以意想不到的方式发生变化。例如，当银变成非常小的颗粒时，它具有抗菌性能，而金颗粒则变成你选择的任何颜色。大自然提供了大量具有纳米级特性的材料的例子——比如蝴蝶翅膀的彩虹色，海豚皮肤的光滑，或者让壁虎在垂直表面上行走的“纳米皮毛”。后一个示例如图1所示。壁虎脚垫上覆盖着由纳米纤维形成的毛发聚集体，具有很强的粘性。纳米技术人员利用类似的原理在纳米尺度上设计出利用这些不寻常特性的产品。从纳米结构开始，科学家们重新排列它们，然后组装功能系统，可以整合到具有独特性能的产品中。图1显示了两个示例。首先，碳在纳米尺度上形成管的倾向可以用来在微米大小的导体上生成阵列，照亮移动电话的平板显示器，其次，纳米颗粒可以被操纵来制造有效的、完全透明的防晒霜。 These are but two of many examples of stronger, stickier, smoother and lighter products being developed.

方法

为了能够正确地看待纳米技术在医疗技术中的应用，有必要对纳米材料独特性能的起源有一个基本的了解。因此，本文首先用一个简短的部分来解释纳米科学和纳米技术的定义和特征，然后更详细地概述了新型纳米材料及其特定性能，这些特性为研究论文的主要部分所描述的在医疗技术中的应用开辟了前景。此外，在本文中，更大的重点是强调在医疗技术中有前途的基于纳米技术的方法，而不是科学/工程学科的共识分类法。

纳米材料:纳米功能

nano这个前缀来自希腊单词nano (νανοσ)，意思是侏儒。通常，纳米与国际单位制长度单位米有关，表示十亿分之一。因此，纳米材料在纳米尺度上具有一维、二维或三维的特征，从而分别形成量子阱(例如，薄膜、层、表面涂层)、量子线(例如，纳米管、纳米线)或量子点(q点)(图1)。直径小于100纳米的纳米颗粒例如富勒烯、树状大分子和半导体量子点。

纳米粉末含有小于100纳米的颗粒，是人类头发厚度的万分之一。这种小颗粒的物理、化学和生物特性使工业能够将增强的功能融入产品中。图2显示了不同类型的产品。

碳非物质:

碳原子间的化学键可以形成一些最有趣的纳米结构。固体碳在室温下有两种经典结构或同素异形体:金刚石和石墨。在金刚石中，碳原子以四面体晶格结构与其他四个碳原子相连，这些键形成三维网络。钻石是人类已知的最坚硬的矿物，也是极好的绝缘体。在石墨中，碳原子呈六边形排列，并牢固地结合成平行的平面薄片。这些薄片由更弱的范德华力结合在一起，这就是为什么石墨可以用作铅笔的材料和一些润滑剂的基础。与金刚石不同，石墨是导电体。正如这些经典的例子所说明的那样，纯碳材料的物理性质可以有很大的变化。图3。给出了C60分子源的表示法。

碳纳米管具有优异的电学和电子性能。它们是金属的还是半导体的，这取决于精确的结构，即螺旋度和管的直径。金属碳纳米管可以传输高达109 A/cm2的非常高的电流密度而不会被损坏。正常的金属线(例如铜，金)可以传输高达105-106 A/cm2的电流，由于电阻加热，更高的电流会使这些金属汽化。金属碳纳米管在室温下基本上没有电阻就能导电。

现场发射应用:

碳纳米管可用于平板显示器，照明应用，如真空管元件，家用灯泡和平板荧光灯，气体放电管，x射线发生器，以及下一代扫描电子显微镜和透射电子显微镜的电子枪。碳纳米管可能是笨重的阴极射线管的替代品，比如用于电视和电脑显示器的阴极射线管，以及最近的液晶面板和等离子显示器。在样机的基础上，提出了碳纳米管用于平板显示器的优点:低功耗、高亮度、可从任何角度观察、响应速度快、工作温度范围宽、不老化、轻、薄。其他涉及的主要公司包括摩托罗拉实验室和Eikos。Xintek, Inc.生产用于小型、便携式和微型x射线发生器的纳米管冷阴极。这些x射线管可以设置在狭窄的空间和可能的x射线内窥镜成像，并在工业、生物和医疗应用中提供改进的高分辨率图像。

纳米电子应用程序:

由于碳纳米管的行为类似于导体或半导体，它们在纳米级电子应用中可能非常有用。可以预见一种全碳基纳米电子技术，其中电线由金属碳纳米管组成，有源器件由半导体碳纳米管制成。在常规生产基于碳纳米管的集成电路成为可能之前，还需要取得许多进展，尽管目前在实验装置中构建完全由碳纳米管和其他分子制成的导线、开关和存储元件的纳米电路是可行的。目前，Nantero公司(Woburn, Massachusetts, USA)正在开发NRAM™，这是一种高密度非易失性随机存取存储芯片，使用碳纳米管作为有源存储元件。

化学气体传感器:

半导体SWCNTs在室温下对检测周围大气化学成分的变化高度敏感。基于碳纳米管的化学气体传感器在从医疗应用、环境监测、农业应用到化学工业等众多领域具有巨大的(商业)潜力。碳纳米管塑料复合材料可以屏蔽军事应用中备受关注的电磁干扰。如今，指挥、控制和通信高度数字化，系统必须受到发射电磁脉冲武器的保护。

电池技术:

碳纳米管可以用作锂离子电池系统、铅酸电池和双层电电容器的添加剂，提高它们的性能。双层电电容器的优点是放电率高，可作为电动汽车和便携式电子设备的混合能源。

热性能及应用:

在发现碳纳米管之前，金刚石是最好的热导体，室温下蓝金刚石的热导率最高，为2600 W/m·K。SWCNTs的实验值和理论计算得出的热导率范围为2980 ~ 6600 W/m·K，这些热特性对于纳米/微电子器件的热管理非常重要。

手术的应用:

(一)手术刀片

对微结构硬质金属进行金刚石涂层处理，可显著提高手术刀片的性能。金刚石纳米层在该应用中的主要优点是对材料或组织的低物理附着力和化学/生物惰性。此外，金刚石具有较低的摩擦系数，减少了必要的穿透力。从这种产品增强中受益最多的医学专业是眼科手术和神经外科。该叶片采用等离子体抛光，涂层厚度由5-25 μm减小到0.5 μm，同时表面粗糙度减小到20-40 nm左右。

(b)缝合针

用于眼科和整形外科的新型缝合针是由含有纳米颗粒(1- 10纳米准晶体)的不锈钢制成的，采用热老化技术。这种针具有良好的延展性，优异的强度和耐腐蚀性。

纳米颗粒用于癌症治疗:

公认的癌症治疗方法包括手术、化疗、免疫疗法和放射治疗。

温热疗法:

热疗是指热疗和热消融治疗。热疗疗法是基于肿瘤细胞比正常组织细胞对温度升高更敏感这一事实。它涉及将肿瘤加热到41-45°C，对细胞和组织造成几乎可逆的损伤。对于热消融治疗，应用较高的温度，即50°C至70°C，导致病理变性细胞的破坏。如果治疗成功，肿瘤要么消失，要么缩小，或者至少停止生长。热疗法可以作为独立治疗，即热消融，也可以作为增强化疗和/或放疗疗效的辅助治疗。加热方法可以使用基于射频电场、磁场、微波、超声和光学应用器的能源。

光动力治疗

光动力疗法是一种新兴的治疗方式，暴露在可见光或近红外光下的光敏分子或光敏剂在氧气存在下诱导细胞毒性作用。当光敏剂受到照射时，被激发的分子可以将其能量转移到分子氧上。观察到两种类型的光动力反应。第一种是发生氢转移电子的反应，产生活性氧(ROS)或自由基，如超氧化物(O2 -)、过氧化氢、羟基和过氧化氢自由基。第二，在光敏剂和三态氧(3O2)之间发生电子自旋交换的反应，导致细胞毒性单态氧(O2)的产生。单线态氧在光动力治疗中被认为是光细胞毒性的主要介质，通过氧化和(细胞内)生物膜结构的降解引起不可逆的细胞损伤，但具有最小的全身毒性，光动力治疗可用于治疗各种肿瘤、心血管、皮肤、眼科和免疫疾病。与传统手术相比，该方法无创，能够精确靶向，与放射治疗相关的无总剂量限制的重复给药，导致愈合后很少或没有疤痕。

生物传感器/生物检测:

生物传感器一般定义为一种测量系统，它由具有敏感生物识别元件或生物受体的探针、物理化学探测器组件和传感器组成。纳米生物传感器或纳米传感器是一种具有纳米尺寸尺寸的生物传感器。两种具有医疗应用可能性的纳米传感器是悬臂阵列传感器和纳米管/纳米线传感器。

结果与讨论

本文在综述期间对纳米技术及其在生物医学领域的工程应用及其健康问题进行了阅读和比较。

然而，电气/电子设备中一些被归类为微技术的特定功能组件只有在应用先进的纳米技术时才能创造出来。一些医疗设备已经从纳米技术的最新发展中受益。这些医疗设备正在使用或正在商业化。市场上特别有以下医疗仪器:

1)手术工具，增强材料性能，使更好的处理，

2)用于分子体外诊断的无标签分析的微悬臂;

3)用于分子成像的新型纳米造影剂，提高体内诊断质量，通过纳米结构材料获得的骨替代材料，具有更好的植入物集成和生物相容性;

4)基于自旋电子技术的起搏器和助听器，使这些医疗设备缩小尺寸和增强功率;

5)用于分子体外诊断的DNA/蛋白质微阵列和芯片实验室设备

6)基于微针的系统，用于微创给药或血液物质监测，限制组织损伤和痛觉。

7)超顺磁性氧化铁纳米颗粒通过立体定向导航注射用于脑/前列腺肿瘤的热疗治疗(现在)

8)超顺磁性氧化铁纳米颗粒与单克隆抗体结合，静脉注射选择性，靶向热疗法治疗肿瘤(2年内)

9)使用热、磁场、光或辐射物理触发敏化纳米颗粒用于肿瘤治疗(3年内)

10)基于树突状分子的纳米平台能够通过成像/监测方式将药物和基因传递到特定的靶细胞(3年内)

结论

纳米技术提供了重要的新工具，预计将对医疗技术的许多领域产生巨大影响。它提供了非凡的机会，不仅可以改进材料和医疗设备，而且还可以在现有和更传统的技术可能达到极限的地方创造新的“智能”设备和技术。预计它将加速医学研究和发展方面的科学活动和经济活动。纳米技术有潜力对疾病检测、诊断、治疗和预防做出重大贡献。工具是早期检测的重要组成部分。设想了新的工具和补充现有工具的工具。它在多个平台上为并行应用程序、小型化、集成和自动化提供了机会。在护理点的测试面临着新的挑战。即时检测设备能够在疾病预防中更广泛地监测健康参数，但更重要的是，每天筛查重要的健康参数，以延长和改善生活质量。据设想，在未来的某个时候，即时护理设备将成为人类生活不可分割的一部分。

数字一览


图1	图2	图3	图4

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