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)水平上的工程。它是涉及在最小尺度(从1到100 nm2)上操纵物质的一系列技术、技术和过程的统称。 |
| 经典的物理和化学定律在如此小的尺度上并不适用，原因有二。首先，非常小的粒子的电子特性可能与它们较大的表亲非常不同。其次，表面积与体积之比变得高得多，而且由于表面原子通常是最活跃的，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。《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合体，这些毛发聚合体具有很强的粘附性。纳米技术专家利用类似的原理，在纳米尺度上有意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，这些系统可以被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产生阵列，从而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. |
相关工作 |
| 纳米技术的工作是根据正在开发和使用的材料的大小进行分类的，这种工程的产品彼此之间几乎没有共同点——例如燃料电池、织物或药物输送装置。使他们走到一起的是所有基础科学(生物学、物理学和化学)在分子水平上的自然融合。 |
| 第一个方面是碳纳米管(CNTs)是具有圆柱形纳米结构的碳的同素异形体。纳米管的长径比高达132,000,000:1，明显大于任何其他材料。118生物医学工程-医学技术应用这些圆柱形碳分子具有不同寻常的特性，在纳米技术、电子、光学和其他材料科学技术领域具有重要价值。 |
| 利用生物相容性聚合物制备电子元件纳米复合材料是目前研究的热点。纳米颗粒细胞毒性研究的体外结果表明，不同的研究实验室或方法之间存在歧义。组织或免疫系统如何与用于电子设备的聚合物纳米复合材料发生反应，进一步与纳米颗粒和聚合物不同生物特性的叠加相混淆。由于缺乏关于纳米颗粒在体内命运的知识，这进一步复杂化了。这些问题和疑问暗示了聚合物 |
| 第三个方面是在显微结构的硬质金属表面涂覆金刚石并进行加工，可以显著增强手术刀片的性能。金刚石纳米层在此应用中的主要优点是对材料或组织的物理粘附性低，并且具有化学/生物惰性。外科热疗是一种非常宝贵的设备，广泛应用于手术室。它已成为现代外科医生不可缺少的工具，在大多数外科手术中使用。尽管这项技术已经被证明是外科医生的福音，因为它消除了传统切割工具的使用和失血，但这项技术已经显示出缺陷的迹象，当它对想要挽救他人生命的人(即外科医生自己以及在手术中协助他们的团队)来说变得危险时。在生物医学领域的应用中，分析了这种类型的若干方面。 |
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质的起源有一个基本的了解。因此，本文以一个简短的部分开始，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特性，这些特性为研究论文的主要部分所描述的医疗技术的应用开辟了视野。此外，在本文中，更多地强调了在医学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 |
| 前缀nano来自希腊单词nanos (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被表征为一维、二维或三维，分别导致量子阱(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。 |
| 纳米粉末包含的颗粒小于100纳米，只有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纳入产品中。图2显示了不同类型的产品。 |
碳非物质: |
| 碳原子之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。在钻石中，每个碳原子以四面体晶格结构与另外四个碳原子相连，这些键形成了一个三维网络。金刚石是人类已知的最坚硬的矿物，也是极好的电绝缘体。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。这些薄片通过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。正如这些经典例子所示，纯碳材料的物理性质可以有很大的不同。图3。给出了C60分子源的表示。 |
| 碳纳米管具有优异的电学和电子学性能。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被损坏。普通金属线(例如铜、金)可以传输高达105-106 A/cm2的电流，更高的电流会因为电阻加热而使这些金属蒸发。金属碳纳米管在室温下基本无电阻导电。 |
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。基于原型，提出了碳纳米管在平板显示器中的优点:低功耗、高亮度、可从任何角度观看、响应速度快、工作温度范围宽、不老化、轻、薄。其他参与的主要公司包括摩托罗拉实验室和Eikos。用于紧凑、便携和微型x射线发生器的纳米管冷阴极是由Xintek公司生产的。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电导体或半导体，因此它们在纳米级电子应用中非常有用。可以预见，以金属碳纳米管构成电线，以半导体碳纳米管构成有源器件的全碳基纳米电子技术。在碳纳米管集成电路的常规生产成为可能之前，还需要取得很多进展，尽管目前在实验装置中完全由碳纳米管和其他分子构建具有导线、开关和存储元件的纳米电路是可行的。目前，Nantero Inc. (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器芯片，采用碳纳米管作为有源存储器元件。 |
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非常敏感。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。碳纳米管的塑料复合材料可以屏蔽电磁干扰，这在军事应用中受到广泛关注。如今，指挥、控制和通信高度数字化，系统必须保护免受发射电磁脉冲武器的伤害。 |
电池技术: |
| 碳纳米管可以作为锂离子电池系统、铅酸电池和双层电电容器的添加剂来改善它们的性能。双层电电容器的优点是放电速率高，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: |
| 在碳纳米管被发现之前，金刚石是最佳的热导体，蓝金刚石在室温下的热导率最高可达2600 W/m·K。通过实验值的推导和理论计算，SWCNTs的导热系数从2980到6600 W/m·K不等。这些热性能对纳米/微电子器件的热管理具有重要意义。 |
手术的应用: |
(一)手术刀片 |
| 在显微结构的硬质金属表面涂覆金刚石并进行加工，可以显著提高手术刀片的性能。金刚石纳米层在此应用中的主要优点是对材料或组织的物理粘附性低，并且具有化学/生物惰性。此外，金刚石具有较低的摩擦系数，减少了所需的穿透力。从这类产品增强中获益最多的医学专业是眼科手术和神经外科。该叶片经过等离子抛光，涂层厚度从5-25 μm减少到0.5 μm，同时将表面粗糙度降低到约20-40 nm。 |
(b)缝合针 |
| 新型眼科和整形外科缝合针采用热老化技术，采用纳米级(1- 10纳米准晶体)的不锈钢制成，具有良好的延展性、超强的强度和耐腐蚀性。 |
纳米粒子用于癌症治疗: |
| 癌症治疗中常用的成熟疗法包括手术、化疗、免疫疗法和放疗。 |
温热疗法: |
| 热疗法既包括热疗，也包括热消融疗法。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。它包括将肿瘤加热到41-45°C之间，对细胞和组织造成几乎可逆的损伤。对于热消融治疗，应用更高的温度，即50°C至70°C，导致病理变性细胞的破坏。在治疗成功的情况下，肿瘤要么消失，缩小，要么至少停止生长。热疗法可以作为独立疗法，即热消融，也可以作为辅助疗法，增强化疗和/或放疗的疗效。加热方法可以使用基于射频电场、磁场、微波、超声波和光学施加器的能源。 |
光动力治疗 |
| 光动力疗法是一种新兴的治疗方式，其中光敏分子或光敏剂暴露于可见光或近红外光下，在氧气存在下诱导细胞毒性作用。当光敏剂被照射时，受激发的分子可以将它们的能量传递给分子氧。观察到两种类型的光动力反应。首先，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、羟基和羟基自由基。第二，在光敏剂和三态氧(3O2)之间发生电子自旋交换的反应，导致产生细胞毒性单线态氧(O2)。单线态氧被认为是光动力疗法中光细胞毒性的主要介质，通过氧化和降解(细胞内)生物膜结构引起不可逆的细胞损伤，但具有最小的全身毒性。光动力疗法可用于治疗各种肿瘤、心血管、皮肤病、眼科和免疫疾病。重复给药，没有放射治疗相关的总剂量限制，愈合后几乎没有疤痕。 |
生物传感器/生物检测: |
| 生物传感器通常被定义为一种测量系统，它由一个带有敏感生物识别元件或生物受体的探针、一个物理化学检测器组件和一个传感器组成。纳米生物传感器或纳米传感器是具有纳米尺寸尺度的生物传感器。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 |
| 本文在综述过程中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/电子设备中一些特定的功能部件，有些人将其归类为微技术，只有应用先进的纳米技术才能创造出来。一些医疗设备已经受益于纳米技术的最新发展。这些医疗设备正在使用或正在商业化。市面上特别有以下医疗仪器: |
| 1)具有增强材料特性的手术工具，可实现更好的操作; |
| 2)用于分子体外诊断无标记检测的微悬臂; |
| 3)用于分子成像的新型纳米造影剂提高了体内诊断的质量，纳米结构材料获得的骨替代材料可以更好地整合植入物和生物相容性; |
| 4)基于自旋电子技术的起搏器和助听器，使这些医疗设备的尺寸减小和功率增强; |
| 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)用于微创给药或血液物质监测的微针系统，限制组织损伤和疼痛感觉。 |
| 7)超顺磁性氧化铁纳米颗粒立体定向导航注射用于脑/前列腺肿瘤热疗治疗(现) |
| 8)结合单克隆抗体的超顺磁性氧化铁纳米颗粒，静脉注射用于肿瘤的选择性靶向热疗(2年内) |
| 9)使用热、磁场、光或辐射物理触发致敏纳米颗粒用于肿瘤治疗(3年内) |
| 10)基于树突分子的纳米平台，能够通过成像/监测模式将药物和基因输送到特定的靶向细胞(3年内) |
结论 |
| 纳米技术提供了重要的新工具，有望对医疗技术的许多领域产生重大影响。它不仅为改进材料和医疗设备，而且为创造新的“智能”设备和技术提供了非凡的机会，而现有的和更传统的技术可能已经达到极限。预计它将加速医学研究和开发的科学和经济活动。纳米技术有可能对疾病的检测、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。在护理点的检测面临着新的挑战。护理点检测设备可以更广泛地监测疾病预防方面的健康参数，但更重要的是，可以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中不可或缺的一部分。 |
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数字一览 |
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