刘长生院士作品-纳米生物材料

■ 纳米是是描述物质世界的长度单位,是不同于原子、分子、宏观物体的介观尺度体系。在纳米尺度下,电子运动空间受限,电子能级由准连续变成离散能级;材料比表面积大,表面能和缺陷增加,表面反应活性高;纳米材料与生物分子互作涌现出区域选择性和计量化性质。纳米材料独特的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应而呈现特殊的物理、化学或生物特性,即纳米效应。

2000 多年前,罗马人、中国人和阿兹特克人将黄金等生物材料用于牙科。然而,只有随着过去几十年合成聚合物系统的发展,生物材料才开始在现代医学中得到广泛应用。细胞生物学、化学和材料科学的新一波进展正在推动新一代智能生物材料的生产。

各种结构和化学性质的微小纳米纤维是通过肽和蛋白质的简单自缔合和组织形成的。已经鉴定了几个生物活性胞外蛋白结构域,它们可以通过肽氨基酸序列的简单修饰作为小肽掺入纳米纤维中。可以设计纳米纤维以高密度呈现这些肽序列。三维 (3D) 宏观凝胶状固体也可以呈现高密度的此类生物活性肽。

纳米生物材料经历了起步、加速和腾飞三个发展阶段(图1)。不难发现,高分辨显微镜技术的出现、先进材料制备技术及生物医学的快速发展对纳米生物材料的发展起到了重大推动作用。1985年,纳米羟基磷灰石(HAp)开始用于临床;1993年,超顺磁性氧化铁纳米颗粒用于生物成像;1995年,脂质体获得FDA批准。

图1 纳米生物材料的发展历程。

生物材料的创造和表征存在重大机遇和挑战。材料已设计用于与血液接触、软组织和硬组织的替代品、粘合剂和牙科材料。概述了这些材料的当前合成和表征方法。考虑了控制组织和生物材料之间界面的方法以及工程材料可能有助于医学的方式。

近年来,在聚集荧光发光、纳米量子点等方面,研制出了多种用于肿瘤、心血管疾病和流感病毒检测的超灵敏快速定量检测试剂,初步建立了快速检测研发体系。对于纳米生物材料的可控制备、功能组装及其纳米化后所表现出的特殊的生物活性以及过程的纳米尺度效应也有了较系统深入的认识。此外,部分纳米生物材料或者其复合材料,如华东理工大学研发的类骨磷灰石及BMP-2复合活性人工骨(图2),清华大学研发的纳米仿生胶原修复材料,四川大学研发的纳米复合脊柱制品,武汉理工大学的纳米骨关节等都先后获得CFDA批准并实现产业化,被成功应用于临床,挽救患者生命,造福人类社会。

图2 钙磷材料植入动物体内的降解成骨过程。

基于荧光的成像可以利用生物物质的固有荧光(所谓的自发荧光)和添加到生物系统的材料(如有机荧光团)的荧光。位于这两种方法之间的是荧光蛋白,当适当的 DNA 序列被整合到所研究的生物体的基因组中时,它们由细胞或生物体本身合成(或表达)。基于自动荧光的成像具有通过用于成像本身的激发光的成像过程对系统的最小扰动的优点。然而,许多结构无法清楚地描绘出来,并且识别生物系统内不同的内源性荧光团,例如基于它们的荧光光谱,通常很困难。免疫组织化学标记的优势在于许多荧光纳米材料能够克服大多数生物屏障,例如细胞膜,从而使标记分子、细胞或组织与其他结构清晰地光学分离。在这种情况下,一个基本挑战是荧光材料本身引入的被研究系统的扰动(例如,毒性、细胞压力、干扰信号通路)。

与此同时,特定组成、形貌、尺寸和结构的高纯、均匀纳米材料的规模化可控合成;纳米生物材料与蛋白、细胞的相互作用及其调控组织形成、疾病治疗的基本规律及相关机制等探索(图3);加强产学研医顶层设计和全链条发展,加快基础研究-技术研发-中试放大-成果转化和产业化进程等等,仍是纳米生物材料需要关注和深耕的环节。

图3 酸敏感 siRNA 和光敏剂共递送纳米递药系统。

综上,本书作者及其研究团队围绕纳米生物材料的可控制备、功能组装、纳米化后所表现出的特殊的生物活性(如细胞/组织的调控、抗肿瘤活性、抗菌活性、基因转染等)、材料的纳米生物学效应、纳米生物材料的原位表征技术、纳米生物材料的安全性等方面开展了系统性的梳理和总结。

这里,着重推荐一本工具书,供各位生物材料,化学,胶体,纳米等领域研究人员参考学习。

全书由华东理工大学刘昌胜院士组织撰写和统稿。具体内容包括:第1章纳米生物材料概述由华东理工大学袁媛教授和刘昌胜院士撰写,第2章纳米钙磷生物材料由华东理工大学陈芳萍教授和刘昌胜院士撰写,第3章纳米二氧化硅及其生物性能由华东理工大学李永生教授等撰写,第4章碳纳米生物材料由苏州大学康振辉教授撰写,第5章纳米纤维材料由东华大学莫秀梅教授等撰写,第6章纳米生物复合材料由清华大学王秀梅教授撰写,第7章纳米药物载体由中科院药物研究所于海军研究员和北京大学戴志飞教授等撰写,第8章多功能纳米生物材料由华东师范大学步文博教授、华东理工大学李永生教授、屈雪教授、刘昌胜院士和东南大学顾宁教授等撰写,第9章生物医学量子点由武汉大学庞代文教授等撰写,第10章纳米生物材料的新效应由华东理工大学钱江潮教授、袁媛教授和刘昌胜院士等撰写,第11章纳米生物材料的表征新技术由上海科技大学江怀东教授等撰写,第12章纳米生物材料的安全性研究由国家纳米科学中心陈春英教授和赵宇亮院士等撰写。

推荐程度

★★★★★

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(生物材料科学与工程丛书/王迎军 总主编)

国家出版基金项目

书名:纳米生物材料

作者:刘昌胜 等 著

书号:ISBN 978-7-03-068524-7

丛书策划:翁靖一

装帧:精装

语种:中文

开本:B5

定价:268元

出版单位:科学出版社

读者对象:纳米生物材料领域的研究人员,高等院校、科研院所从事纳米生物材料方面科研工作的研究生,关注纳米生物材料领域的具备中等教育水平的人员

精彩样章

参考文献《纳米生物材料》

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