纳米技术的解释(6篇)

时间：2024-06-13 来源：

纳米技术的解释篇1

一、21世纪物理学的几个活跃领域

蒸蒸日上的凝聚态物理学

自从80年代中期发现了所谓高临界温度超导体以来，世界上对这种应用潜力很大的新材料的研究热情和乐观情绪此起彼伏，时断时续。这种新材料能在液氮温区下传导电流而没有阻抗。高临界温度超导材料的研究仍是今后凝聚态物理学中活跃的领域之一。目前，许多国家的科学工作者仍在争分夺秒，继续进行竞争，向更高温区，甚至室温温区超导材料的研究和应用努力。可以预计，这个势头今后也不会减弱，此外，高临界温度的超导材料的机械性能、韧性强度和加工成材工艺也需进一步提高和解决。科学家们预测，21世纪初，这些技术问题可以得到解决并将有广泛的应用前景，有可能会引起一场新的工业革命。超导电机、超导磁悬浮列车、超导船、超导计算机等将会面向市场，届时，世界超导材料市场可望达到2000亿美元。

由不同材料的薄膜交替组成的超晶格材料可望成为新一代的微电子、光电子材料。超晶格材料诞生于20世纪70年代末，在短短不到30年的时间内，已逐步揭示出其微观机制和物理图像。目前已利用半导体超晶格材料研制成许多新器件，它可以在原子尺度上对半导体的组分掺杂进行人工“设计”，从而可以研究一般半导体中根本不存在的物理现象，并将固态电子器件的应用推向一个新阶段。但目前对于其他类型的超晶格材料的制备尚需做进一步的努力。一些科学家预测，下一代的电子器件可能会被微结构器件替代，从而可能会带来一场电子工业的革命。微结构物理的研究还有许多新的物理现象有待于揭示。21世纪可能会硕果累累，它的前景不可低估。

近年来，两种与磁阻有关的引起人们强烈兴趣的现象就是所谓的巨磁阻和超巨磁阻现象。一般磁阻是物质的电阻率在磁场中会发生轻微的变化，而巨磁和超巨磁可以是几倍或数千倍的变化。超巨磁现象中令人吃惊的是，在很强的磁场中某些绝缘体会突变为导体，这种原因尚不清楚，就像高临界温度超导材料超导性的原因难以捉摸一样。目前，巨磁和超巨磁实现应用的主要障碍是强磁场和低温的要求，预计下世纪初在这方面会有很大的进展，并会有诱人的应用前景。

可以预计，新材料的发展是21世纪凝聚态物理学研究重要的发展方向之一。新材料的发展趋势是：复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微观化。如，成分密度和功能不均匀的梯度材料；可随空间时间条件而变化的智能材料；变形速度快的压电材料以及精细陶瓷材料等都将成为下世纪重要的新材料。材料专家预计，21世纪新材料品种可能突破100万种。

等离子体物理与核聚变

海水中含有大量的氢和它的同位素氘和氚。氘既重氢，氧化氘就是重水，每一吨海水中含有140克重水。如果我们将地球海水中所有的氘核能都释放出来，那么它所产生的能量足以提供人类使用数百亿年。但氘和氚的原子核在高温下才能聚合起来释放能量，这个过程称为热核反应，也叫核聚变。

核聚变反应的温度大约需要几亿度，在这样高的温度上，氘氚混合燃料形成高温等离子体态，所以等离子体物理是核聚变反应的理论基矗1986年美国普林斯顿的核聚变研究取得了令人鼓舞的成绩，他们在TFTR实验装置上进行的超起动放电达到20千电子伏，远远超过了“点火”要求。1991年11月在英国卡拉姆的JET实验装置上首次成功地进行了氘氚等离子体聚变试验。在圆形圈内，2亿度的温度下，氘氚气体相遇爆炸成功，产生了200千瓦的能量，虽然只维持了1.3秒，但这为人类探索新能源——核聚变能的实现迈进了一大步。这是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚变反应距实际应用还有相当大的距离，技术上尚有许多难题需要解决，如怎样将等离子加热到如此高的温度？高温等离子体不能与盛装它的容器壁相接触，否则等离子体要降温，容器也会被烧环，这就是如何约束问题。21世纪初有可能在该领域的研究工作中有所突破。

纳米技术向我们走来

所谓纳米技术就是在10[-9]米（即十亿分之一米）水平上，研究应用原子和分子现象及其结构信息的技术。纳米技术的发展使人们有可能在原子分子量级上对物质进行加工，制造出各种东西，使人类开始进入一个可以在纳米尺度范围，人为设计、加工和制造新材料、新器件的时代。粗略的分，纳米技术可分为纳米物理、纳米化学、纳米生物、纳米电子、纳米材料、纳米机械和加工等几方面。

纳米材料具有常规材料所不具备的反常特性，如它的硬度、强度，韧性和导电性等都非常高，被誉为“21世纪最有前途的材料”。美国一研究机构认为：任何经营材料的企业，如果现在还不采取措施研究纳米材料的开发，今后势必会处于竞争的劣势。

纳米电子是纳米技术与电子学的交叉形成的一门新技术。它是以研究纳米级芯片、器件、超高密度信息存储为主要内容的一门新技术。例如，目前超高密度信息存储的最高存储密度为10[12]毕特／平方厘米，其信息储存量为常规光盘的10[6]倍。

纳米机械和加工，也称为分子机器，它可以不用部件制造几乎无任何缝隙的物体，它每秒能完成几十亿次操作，可以做人类想做的任何事情，可以制造出人类想得到的任何产品。目前采用分子机器加工已研制出世界上最小的（米粒大小）蒸汽机、微型汽车、微型发电机、微型马达、微型机器人和微型手术刀。微型机器人可进入血管清理血管壁上的沉积脂肪，杀死癌细胞，修复损坏的组织和基因。微型手术刀只有一根头发丝的百分之一大小，可以不用开胸破腹就能完成手术。21世纪的生物分子机器将会出现可放在人脑中的纳米计算机，实现人机对话，并且有自身复制的能力。人类还有可能制造出新的智能生命和实现物种再构。

“无限大”和“无限斜系统物理学

“无限大”和“无限斜系统物理学是当今物理学发展的一个非常活跃的领域。天体物理和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴，它从早期对太阳系的研究，逐步发展到银河系，直到对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为本世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型已经成功地解释宇宙观测的最新结果。如宇宙膨胀，宇宙年龄下限，宇宙物质的层次结构，宇宙在大尺度范围是各向同性等重要结果。可以说具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了一定的基矗但是到目前为止，关于宇宙的起源问题仍没有得到解决，暴胀宇宙论也并非十全十美，事实上想一次就能得到一个十分完善的宇宙理论是很困难的，这还有待于进一步的努力和探索。

“无限大”系统物理学还有两个比较重要的问题是“类星体”和“暗物质”。“类星体”是1961年发现的，一个类星体发出的光相当于几千个星云，而每个星云相当于1万亿个太阳所发出的光，所以对类星体的研究具有十分重大的意义。60年代末，科学家们发现一个编号为3C271的类星体，一天之内它的能量增加了一倍，到底是什么原因使它的能量增加如此迅速？有待于21世纪去解决。“暗物质”是一种具有引力，看不见，什么光也不发射的物质。宇宙中百分之九十以上的物质是所谓的“暗物质”，这种“暗物质”到底是什么？我们至今仍不清楚，也有待于下世纪去解决。

原子核物理和粒子物理学则属于“无限斜系统物理学的范畴，它从早期对原子和原子核的研究，逐步发展到对粒子的研究。粒子主要包括强子（中子、质子、超子、л介子、K介子等）、轻子（电子、μ子、τ轻子等）和媒介子（光子、胶子等）。强子是对参与强相互作用粒子的总称，其数量几乎占粒子种类的绝大部分；轻子是参与弱相互作用和电磁相互作用的，它们不参与强相互作用；而媒介子是传递相互作用的。目前，人们已经知道参与强相互作用的粒子都是由更小的粒子“夸克”组成的，但是至今不能把单个“夸克”分离出来，也没有观察到它们可以自由地存在。为什么“夸克”独立不出来呢？还有一个不能解释的问题是“非对称性”，目前我们已有的定理都是对称的，可是世界是非对称的，这是一个有待于解决的矛盾。寻找独立的夸克和电弱统一理论预言的、导致对称性自发破缺的H粒子、解释“对称”与“非对性”的矛盾，是21世纪粒子物理学研究的前沿课题之一。

从表面上看“无限大”系统物理学与“无限斜系统物理学似无必然的联系。其实不然，宇宙和天体物理学家利用广义相对论来描述引力和宇宙的“无限大”结构，即可观察的宇宙范围；而粒子物理学家则利用量子力学来处理一些“无限斜微观区域的现象。其实宇宙系统与原子系统在某些方面有着惊人的相似性。预计21世纪“无限大”系统物理学将会与“无限斜系统物理学结合得更加紧密，即宏观宇宙物理学和微观粒子物理学整体联系起来。热大爆炸宇宙模型就是这种结合的典范，实际上该模型是在粒子物理学中弱电统一理论的基础上建立起来的。可以预计，这种结合对科技发展和应用都会产生巨大的影响。

二、跨世纪科学技术的发展趋势

科学技术能否取得重大突破的关键取决于基础科学的发展。所以，首先必须重视基础科学的研究，不能忽视更不能简单地以当时基础科学成果是否有用来衡量其价值。相对论和量子力学建立时好像与其他学科和日常生活无关，直到20世纪中期相对论和量子力学在许多科学领域中引起深刻的变革才引起人们的足够重视。可以说，20世纪几乎所有的重大科技突破，像原子能、半导体、激光、计算机等，都是因为有了相对论和量子力学才得以实现。可以说，没有基础科学就没有科学技术、社会和人类的发展。

20世纪重大科技成果的成功经验证明，不同学科间的互相交叉、配合和渗透是产生新的发明与发现，解释新现象，取得科学突破的关键条件之一。例如，核物理与军事技术的交叉产生了原子弹；半导体物理与计算技术的交叉产生了计算机。可以预计，21世纪待人类掌握核聚变能的那一天，一定是核物理、等离子体物理、凝聚态物理和激光技术等学科的交叉和配合的结果。这也是21世纪科学技术的发展趋势之一。

纳米技术的解释篇2

【关键词】纳米技术；生物医学；药学领域；应用；展望

纳米技术是由西方国家提出来的一种新型的技术，这种技术的研究不仅会对物理学以及化学领域带来极大的影响，而且也会对生物医学以及药学领域产生极大的影响。这种能够在极小的空间中对分子和院子进行操纵，能够实现对原材料更为精细的加工，以生产出具有特殊功能的产品和物质，从而满足人们更高层次的需求，而随着研究的深入开展，纳米技术在未来的社会发展中，所能够应用的范围将更加的广泛。

1.纳米材料的特性

当一种物质被不断切割至一定程度，其粒子小至纳米量级，即为纳米材料。科学家发现纳米材料有许多鲜为人知的性质，比如体积效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限效应等。而出现许多特性：光学性质、催化性质、化学反应性质、硬度高、可塑性强、高比热和热膨胀、高导电率和扩散性、高磁化率和高矫顽力等。正由于纳米材料具有诸如上述的性质，为生物医学、药学等许多领域带来新的生机。

2.纳米技术在生物医学中的应用

2.1生物兼容性物质的开发

在生物医学中应用纳米技术，可以使得材料生物的相容性得到最大限度的提升，同时还能够降低生物的毒性、增强生物的传导性从而使得材料生物可以最大限度的满足生物组织的需求，达到生物组织规定的标准。纳米技术应用到生物医学中，衍生出各种纳米材料，如纳米无机金属生物材料，这种材料不具有毒副作用，其与人体的组织具有相容性，有利于人体相关组织的生长。同时纳米具有较强的生物活性，能够对人体的血液进行有效的净化处理，将人体中的有毒物质排出人体的体外，从而使得人体的抵抗力得到进一步的提升，降低人体患病的可能性。

另外，相关的生物医学研究学者利用纳米技术已经研制出一种新型的骨骼亚结构纳米材料，这种材料在实际的临床应用中应用较为广泛，现如今已经成功的取代了原有的合金材料，并且其他成功研制的纳米材料也在临床中得到了应用，可以说，在生物医学领域中，纳米技术无处不在。

2.2DNA纳米技术

DNA纳米技术主要是依据DNA的理化性质来实现对纳米技术的合理设计和应用，这种DNA纳米技术在实际的应用中，主要是用来实现对分子的组装，在对DNA进行复制的过程中，也能够应用这种技术实现对碱基各种特性的体现，同时也能够使得遗传信息的多样性得到最大限度的体现，在纳米技术进行设计的过程中，所遵循的原理也包括这几方面的特性和内容。

3.纳米技术在药学领域中的应用

3.1纳米控释系统改善药动学性质

将药物制成纳米制剂后，不但达到缓控释效果，而且改变其药物动力学的特性。比如有人以环抱素A为模型药物，以硬脂酸制备了纳米球以市售CYA微乳型口服液为对照，测得口服CYA-SA-NP在大鼠体内相对利用度接近80%，达峰时间推迟，具有明显效果。还有人以链脉霉素糖尿病大鼠为模型，皮下注射胰岛素纳米囊实验，其结果降糖作用持续3天，且在药物吸收相具有明显的量效关系。本品3天一次与一天3次的常规胰岛素疗效相当。

3.2纳米释药系统增强药物靶向性

纳米材料生物相容性好，采用可生物降解的高分子材料作药物载体制成纳米释药系统，可增强抗肿瘤药物靶向性，就相关的阿霉素免疫磁性毫微粒的体内磁靶向定位研究可以了解到，AIMN具有超顺磁特性，在给药部位近端和远端磁区均能产生放射性富集，富集强度为给药量的60%-65%，同时其在脏器的分布显著减少，从而证实了AIMN具有较强的磁靶向定位功能，为靶向治疗肿瘤奠定了结实的基础。

3.3纳米技术在药理学研究上的应用

在药理学研究上，人们可以利用尖端直径小到可以插入活细胞内而又不严重干扰细胞正常生理过程的超微化传感器或纳米传感器用以获得活细胞内大量的动态信息，反映出机体的功能状态并深化对生理及病理过程的理解，为药理学研究提供精确的细胞水平模型。

4.展望

纳米技术属于一种新型的学科技术，在未来的社会发展中，这种技术将会对生物医学以及药学领域带来更为积极的影响，在未来的社会中，这种技术的应用会使得生物医药与药学领域之间的联系性得到进一步的加强，就这方面来说，这项技术在生物医学以及药学领域中的应用主要包括以下几个方面：

（1）在未来的生物医学以及药学领域中，对于分子的研究会更加的深入，而其对于分子的要求也会进一步的提升，而纳米技术的应用就会进一步的提高分子之间相互的作用效果，从而实现对分子的有效组装，而且其在未来的社会发展中，主要的应用方向会是细胞器结构细节以及自身装配机理上等方面。

（2）随着纳米技术的深入发展，这种技术在应用于生物医学以及药学领域中后，会使得诊断以及检测技术的水平更上一层楼，同时这种技术的应用也会在微观上以及微量上实现有效的应用，并且在未来的发展中，这种技术也会逐渐向着功能性以及智能化的方向发展，以实现生物医学以及药学领域各项技术功能水平的提升，还会使得生物医学以及药学领域在管理上实现智能化和数字化，从而对生物医学以及药学领域的发展形成有效的推动作用。

（3）纳米技术在未来的生物医学中以及药学领域中会实现靶向性的转变，纳米技术会将药物的作用进行有效的转向处理，在一定程度上可以将药物的药效得到最大限度的提升，同时也能够对药物的成本进行有效的降低，从而推动生物医学以及药学的发展。

5.结语

纳米技术可以说是一向较为高端的技术，这种技术的出现和研究，使得科学技术出现了重大的转变，其的出现可以说是实现了一次技术革命。其在未来的产业中将会得到广泛的应用，从而推动产业的创新和转变。可以说，纳米技术的发展前景相当的光明，其能够与其他的各项学科形成有效的相容，从而衍生出一个新的学科，从而推动我国经济的发展，对我国国力的提升具有积极的影响作用。

【参考文献】

[1]肖建伯，邓红兵.基于纳米技术的发动机性能实验研究[A].十三省区市机械工程学会第五届科技论坛论文集[C].2009.

纳米技术的解释篇3

一、21世纪物理学的几个活跃领域

蒸蒸日上的凝聚态物理学

自从80年代中期发现了所谓高临界温度超导体以来,世界上对这种应用潜力很大的新材料的研究热情和乐观情绪此起彼伏,时断时续。这种新材料能在液氮温区下传导电流而没有阻抗。高临界温度超导材料的研究仍是今后凝聚态物理学中活跃的领域之一。目前,许多国家的科学工作者仍在争分夺秒,继续进行竞争,向更高温区,甚至室温温区超导材料的研究和应用努力。可以预计,这个势头今后也不会减弱,此外,高临界温度的超导材料的机械性能、韧性强度和加工成材工艺也需进一步提高和解决。科学家们预测,21世纪初,这些技术问题可以得到解决并将有广泛的应用前景,有可能会引起一场新的工业革命。超导电机、超导磁悬浮列车、超导船、超导计算机等将会面向市场,届时,世界超导材料市场可望达到2000亿美元。

由不同材料的薄膜交替组成的超晶格材料可望成为新一代的微电子、光电子材料。超晶格材料诞生于20世纪70年代末,在短短不到30年的时间内,已逐步揭示出其微观机制和物理图像。目前已利用半导体超晶格材料研制成许多新器件,它可以在原子尺度上对半导体的组分掺杂进行人工“设计”,从而可以研究一般半导体中根本不存在的物理现象,并将固态电子器件的应用推向一个新阶段。但目前对于其他类型的超晶格材料的制备尚需做进一步的努力。一些科学家预测,下一代的电子器件可能会被微结构器件替代,从而可能会带来一场电子工业的革命。微结构物理的研究还有许多新的物理现象有待于揭示。21世纪可能会硕果累累,它的前景不可低估。

近年来,两种与磁阻有关的引起人们强烈兴趣的现象就是所谓的巨磁阻和超巨磁阻现象。一般磁阻是物质的电阻率在磁场中会发生轻微的变化,而巨磁和超巨磁可以是几倍或数千倍的变化。超巨磁现象中令人吃惊的是,在很强的磁场中某些绝缘体会突变为导体,这种原因尚不清楚,就像高临界温度超导材料超导性的原因难以捉摸一样。目前,巨磁和超巨磁实现应用的主要障碍是强磁场和低温的要求,预计下世纪初在这方面会有很大的进展,并会有诱人的应用前景。

可以预计,新材料的发展是21世纪凝聚态物理学研究重要的发展方向之一。新材料的发展趋势是:复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微观化。如,成分密度和功能不均匀的梯度材料;可随空间时间条件而变化的智能材料;变形速度快的压电材料以及精细陶瓷材料等都将成为下世纪重要的新材料。材料专家预计,21世纪新材料品种可能突破100万种。

等离子体物理与核聚变

海水中含有大量的氢和它的同位素氘和氚。氘既重氢,氧化氘就是重水,每一吨海水中含有140克重水。如果我们将地球海水中所有的氘核能都释放出来,那么它所产生的能量足以提供人类使用数百亿年。但氘和氚的原子核在高温下才能聚合起来释放能量,这个过程称为热核反应,也叫核聚变。

核聚变反应的温度大约需要几亿度,在这样高的温度上,氘氚混合燃料形成高温等离子体态,所以等离子体物理是核聚变反应的理论基矗1986年美国普林斯顿的核聚变研究取得了令人鼓舞的成绩,他们在TFTR实验装置上进行的超起动放电达到20千电子伏,远远超过了“点火”要求。1991年11月在英国卡拉姆的JET实验装置上首次成功地进行了氘氚等离子体聚变试验。在圆形圈内,2亿度的温度下,氘氚气体相遇爆炸成功,产生了200千瓦的能量,虽然只维持了1.3秒,但这为人类探索新能源——核聚变能的实现迈进了一大步。这是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚变反应距实际应用还有相当大的距离,技术上尚有许多难题需要解决,如怎样将等离子加热到如此高的温度?高温等离子体不能与盛装它的容器壁相接触,否则等离子体要降温,容器也会被烧环,这就是如何约束问题。21世纪初有可能在该领域的研究工作中有所突破。

纳米技术向我们走来

所谓纳米技术就是在10[-9]米(即十亿分之一米)水平上,研究应用原子和分子现象及其结构信息的技术。纳米技术的发展使人们有可能在原子分子量级上对物质进行加工,制造出各种东西,使人类开始进入一个可以在纳米尺度范围,人为设计、加工和制造新材料、新器件的时代。粗略的分,纳米技术可分为纳米物理、纳米化学、纳米生物、纳米电子、纳米材料、纳米机械和加工等几方面。

纳米材料具有常规材料所不具备的反常特性,如它的硬度、强度,韧性和导电性等都非常高,被誉为“21世纪最有前途的材料”。美国一研究机构认为:任何经营材料的企业,如果现在还不采取措施研究纳米材料的开发,今后势必会处于竞争的劣势。

纳米电子是纳米技术与电子学的交叉形成的一门新技术。它是以研究纳米级芯片、器件、超高密度信息存储为主要内容的一门新技术。例如,目前超高密度信息存储的最高存储密度为10[12]毕特/平方厘米,其信息储存量为常规光盘的10[6]倍。

纳米机械和加工,也称为分子机器,它可以不用部件制造几乎无任何缝隙的物体,它每秒能完成几十亿次操作,可以做人类想做的任何事情,可以制造出人类想得到的任何产品。目前采用分子机器加工已研制出世界上最小的(米粒大小)蒸汽机、微型汽车、微型发电机、微型马达、微型机器人和微型手术刀。微型机器人可进入血管清理血管壁上的沉积脂肪,杀死癌细胞,修复损坏的组织和基因。微型手术刀只有一根头发丝的百分之一大小,可以不用开胸破腹就能完成手术。21世纪的生物分子机器将会出现可放在人脑中的纳米计算机,实现人机对话,并且有自身复制的能力。人类还有可能制造出新的智能生命和实现物种再构。

“无限大”和“无限斜系统物理学

“无限大”和“无限斜系统物理学是当今物理学发展的一个非常活跃的领域。天体物理和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴,它从早期对太阳系的研究,逐步发展到银河系,直到对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为本世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型已经成功地解释宇宙观测的最新结果。如宇宙膨胀,宇宙年龄下限,宇宙物质的层次结构,宇宙在大尺度范围是各向同性等重要结果。可以说具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了一定的基矗但是到目前为止,关于宇宙的起源问题仍没有得到解决,暴胀宇宙论也并非十全十美,事实上想一次就能得到一个十分完善的宇宙理论是很困难的,

这还有待于进一步的努力和探索。

“无限大”系统物理学还有两个比较重要的问题是“类星体”和“暗物质”。“类星体”是1961年发现的,一个类星体发出的光相当于几千个星云,而每个星云相当于1万亿个太阳所发出的光,所以对类星体的研究具有十分重大的意义。60年代末,科学家们发现一个编号为3C271的类星体,一天之内它的能量增加了一倍,到底是什么原因使它的能量增加如此迅速?有待于21世纪去解决。“暗物质”是一种具有引力,看不见,什么光也不发射的物质。宇宙中百分之九十以上的物质是所谓的“暗物质”,这种“暗物质”到底是什么?我们至今仍不清楚,也有待于下世纪去解决。

原子核物理和粒子物理学则属于“无限斜系统物理学的范畴,它从早期对原子和原子核的研究,逐步发展到对粒子的研究。粒子主要包括强子(中子、质子、超子、л介子、K介子等)、轻子(电子、μ子、τ轻子等)和媒介子(光子、胶子等)。强子是对参与强相互作用粒子的总称,其数量几乎占粒子种类的绝大部分;轻子是参与弱相互作用和电磁相互作用的,它们不参与强相互作用;而媒介子是传递相互作用的。目前,人们已经知道参与强相互作用的粒子都是由更小的粒子“夸克”组成的,但是至今不能把单个“夸克”分离出来,也没有观察到它们可以自由地存在。为什么“夸克”独立不出来呢?还有一个不能解释的问题是“非对称性”,目前我们已有的定理都是对称的,可是世界是非对称的,这是一个有待于解决的矛盾。寻找独立的夸克和电弱统一理论预言的、导致对称性自发破缺的H粒子、解释“对称”与“非对性”的矛盾,是21世纪粒子物理学研究的前沿课题之一。

从表面上看“无限大”系统物理学与“无限斜系统物理学似无必然的联系。其实不然,宇宙和天体物理学家利用广义相对论来描述引力和宇宙的“无限大”结构,即可观察的宇宙范围;而粒子物理学家则利用量子力学来处理一些“无限斜微观区域的现象。其实宇宙系统与原子系统在某些方面有着惊人的相似性。预计21世纪“无限大”系统物理学将会与“无限斜系统物理学结合得更加紧密,即宏观宇宙物理学和微观粒子物理学整体联系起来。热大爆炸宇宙模型就是这种结合的典范,实际上该模型是在粒子物理学中弱电统一理论的基础上建立起来的。可以预计,这种结合对科技发展和应用都会产生巨大的影响。

二、跨世纪科学技术的发展趋势

科学技术能否取得重大突破的关键取决于基础科学的发展。所以,首先必须重视基础科学的研究,不能忽视更不能简单地以当时基础科学成果是否有用来衡量其价值。相对论和量子力学建立时好像与其他学科和日常生活无关,直到20世纪中期相对论和量子力学在许多科学领域中引起深刻的变革才引起人们的足够重视。可以说,20世纪几乎所有的重大科技突破,像原子能、半导体、激光、计算机等,都是因为有了相对论和量子力学才得以实现。可以说,没有基础科学就没有科学技术、社会和人类的发展。

20世纪重大科技成果的成功经验证明,不同学科间的互相交叉、配合和渗透是产生新的发明与发现,解释新现象,取得科学突破的关键条件之一。例如,核物理与军事技术的交叉产生了原子弹;半导体物理与计算技术的交叉产生了计算机。可以预计,21世纪待人类掌握核聚变能的那一天,一定是核物理、等离子体物理、凝聚态物理和激光技术等学科的交叉和配合的结果。这也是21世纪科学技术的发展趋势之一。

纳米技术的解释篇4

1·1细胞分离用纳米材料

病毒尺寸一般约80~100nm,细菌为数百纳米,而细胞则更大,因此利用纳米复合粒子性能稳定、不与胶体溶液反应且易实现与细胞分离等特点,可将纳米粒子应用于诊疗中进行细胞分离。该方法同传统方法相比,具有操作简便、费用低、快速、安全等特点。美国科学家用纳米粒子已成功地将孕妇血样中微量的胎儿细胞分离出来,从而简便、准确地判断出胎儿细胞中是否带有遗传缺陷。

1·2纳米材料用于细胞内部染色

利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏感程度和亲和力的显著差异,选择抗体种类,将纳米金粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合,制备成多种纳米金/抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物,在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色(如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色),从而给各种组合“贴上”了不同颜色的标签,因而为提高细胞内组织的分辨率提供了一种急需的染色技术。

1·3纳米药物控释材料

纳米粒子不但具有能穿过组织间隙并被细胞吸收、可通过人体最小的毛细血管、甚至可通过血脑屏障等特性,而且还具有靶向、缓释、高效、低毒且可实现口服、静脉注射及敷贴等多种给药途径等许多优点,因而使其在药物输送方面具有广阔的应用前景。德国科学家将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包覆,在水中溶解后注入肿瘤部位,使癌细胞和磁性纳米粒子浓缩在一起,通电加热至47℃,可有效杀死肿瘤细胞而周围正常组织不受影响;挪威工科大学的研究人员,利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中肿瘤细胞的分离,由此来进行冶疗;SharmaP等[1]用聚乙烯吡咯烷酮包覆紫松醇制得的纳米粒子抗癌新药,体内实验以荷瘤小鼠肿瘤体积的缩小程度和延长存活时间来评价药效,其疗效较同浓度游离紫松醇明显增加;Damage等[2]用聚氰基丙烯酸己酯包覆胰岛素制得的纳米胶囊,给禁食的糖尿病鼠灌胃,2天后使血糖水平降低50%~60%,按每千克体重50单位胰岛素以纳米胶囊给药,降血糖作用可维持20天,而同样条件下,口服游离胰岛素却不能降低血糖水平。

1·4纳米抗菌材料及创伤敷料

按抗菌机理,纳米抗菌材料分为三类:一类是Ag+系抗菌材料,其利用Ag+可使细胞膜上的蛋白失活,从而杀死细菌。在该类材料中加入钛系纳米材料和引入Zn2+、Cu+等可有效地提高其的综合性能;第二类是ZnO、TiO2等光触媒型纳米抗菌材料,利用该类材料的光催化作用,与H2O或OH-反应生成一种具有强氧化性的羟基以杀死病菌;第三类是C-18A°纳米蒙脱土等无机材料,因其内部有特殊的结构而带有不饱和的负电荷,从而具有强烈的阳离子交换能力,对病菌、细菌有强的吸附固定作用,从而起到抗菌作用。

由于纳米银粒子的表面效应,其抗菌能力是相应微米银粒子的200倍以上,因而添加纳米银粒子制成的医用敷粒对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。深圳安信纳米生物科技有限公司已开发出粒径约25nm的银抗菌颗粒,其具有广谱、亲水、无抗药性,对大肠杆菌等致病微生物有强烈的杀灭作用。由其进一步研发出的纳米创口贴,其外观、价格都与普通创口贴相近,具有护创作用,还具有超强活性,能激活细胞、修复病变组织、加速伤口恢复的作用;相应方法还制备了纳米材料抗菌溃疡贴。此外,青岛化工学院等已开发出具有抗菌功能的多种纺织品;南京希科集团用纳米银粒子同棉织品复合,制成了广谱抗菌的新型医用棉。

1·5纳米颗粒中药及保健品

微米级中药有50%以上不溶于水,而纳米级中药粒子则可溶于水,从而有效提高药物利用率。利用纳米技术将中药材制成极易被人体吸收的纳米粒子口服胶囊、口服液或膏药,不但克服了中药在煎熬中有效成份损失及口感上的不足,而且可使有效成份吸收率大幅度提高。将制成的纳米中药膏直接贴于患处,纳米粒子很易经皮肤直接被吸收。研发纳米中药产品是促进中药走向世界、提高产品附加值、实现传统中药产业升级的发展方向之一。用纳米技术将不易被人体吸收或毒性较大的药物或保健品制成纳米胶囊或纳米粒子悬浮液,则可制得具有极高效/费比的纳米保健品。如微量元素硒具有防癌、护肝、免疫调节等作用。中国科技大学率先用纳米硒开发出“硒旺胶囊”,生物试验证明,其急性毒性是无机硒的1/7,是有机硒的1/3,其清除羟基自由基活性是无机硒的5倍,清除过氧阴离子和过氧化氢的活性也大幅度提高,使其在免疫调节和抑制肿瘤方面的灵敏性显著提高,纳米硒的安全性和生物活性使硒的保健功能可以更充分地发挥出来。

1·6纳米医用陶瓷

纳米陶瓷在人工骨、人工关节、人工齿以及牙种植体、耳听骨修复体等人工器官制造及临床应用领域有广阔的应用前景。四川大学李玉宝教授等[3~4]用硝酸钙、磷酸铵为原料,二甲基甲酰胺为分散剂,在常压下制备出晶体结构类似于人骨组织的纳米级羟基磷灰石针状晶体,可用作人骨组织修复材料;Luo等[5]用TEOS在氢氟酸催化下,经溶胶/凝胶法制得纳米孔结构的SiO2,再用TEGDMA经光引发原位聚合制得SiO2/PTEGDMA纳米复合材料,其比传统的牙科用复合材料具有更优异的耐磨性及韧性。通常方法制备的羟基磷灰石人工骨植入物,其强度和韧性都较低,不能满足应用要求。国外已制备出含有ZrO2的纳米羟基磷灰石复合材料,其硬度、韧性等综合性能可达到甚至超过致密骨骼相应性能。通过调节ZrO2含量,可使该纳米复合人工骨材料具有优良的生物相容性[6]。美国Arizona材料实验室和Princeton大学的研究人员用聚二甲基丙烯酸酯、聚偏氟乙烯和钛盐作原料,应用溶胶/凝胶工艺合成的纳米TiO2/聚合物复合材料,用其作人工骨,其强度和韧性等力学性能与人体骨相当。

1·7生物活性材料

自Hench[7]首先报道某些组成的玻璃具有生物活性以来,国内外对生物玻璃的研制十分活跃,但生物玻璃较脆、不能满足人工骨材料的使用要求。随着纳米技术发展,生物活性杂化材料在保持柔韧性的同时,弹性模量已接近硅酸硼玻璃,而且便于加入活性物质,因此是一种开发生物材料的理想途径。Jones等[8]用TEOS、甲基丙烯酰胺在偶氮类引发剂作用下,加入氯化钠制备出含钙盐的纳米SiO2/聚合物复合材料,将其在人体液中(SBF)放置1周后,可以观察到其表面有羟基磷灰石层形成,因而具有较好的生物活性,OKelly等[9]总结了借助仿生过程制备具有生物活性的纳米复合材料的思路和研究成果。应用溶胶/凝胶技术制备纳米复合材料,同时在体系中引入胺基、醛基、羟基等有机官能团,使材料表面具有反应活性,可望在生化物质固定膜材料、生物膜反应器等方面获得较大应用。

Schtelzer等[10]较早研究了在凝胶玻璃中固定胰蛋白酶的特性;Cho等[11]开发了有机—无机纳米复合材料固定α-淀粉酶,其稳定性超过1个月,可望用于研制生物膜反应器。含钛硅的纳米复合材料具有优良的透光率、氧气透过率和吸湿性,是理想的隐形眼镜材料。Schmidt等[12,13]在环硅氧烷、TEOS、异丙醇钛、甲基丙烯基硅烷、丙烯酸甲酯体系中,加入稀酸,使其在酸性条件下水解/聚合,得到隐形眼镜材料。该材料具有良好的透氧性、润湿性及较高的强度,良好的弹性和柔韧性,其透明度和折光率等均满足隐性眼镜的性能要求。我国浙江大学及华南理工大学等单位也开展了类似研究并已取得良好进展[14]。聚氨酯材料是重要的生物医学材料,因其良好的生物相容性和优异的力学性能常用来制作血管移植物、介入导管、心脏辅助循环体系及人工心脏等。许海燕等[15]用聚醚型聚氨酯与纳米碳经溶胶/凝胶法制得的纳米碳/聚氨酯复合材料,具有较好的微相分离结构,改善了材料表面的血溶相容性;Huang等[16]用带羟基的线性聚氨酯(Mn=6000)与TEOS作用,调节二者配比,可得到从柔韧的弹性体到坚硬的塑料等不同性能的纳米复合材料,以满足不同使用要求;Xu等[17]用聚氨酯和有机蒙脱土经溶液插层、溶胶/凝胶制得的纳米复合材料,在改善聚氨酯材料力学性能的同时,显著地降低了水蒸气及空气的透过率,更好地满足全人工心脏等植入人工器官的应用要求。

用溶胶/凝胶法制备的纳米微孔SiO2玻璃,可用作微孔反应器、功能性分子吸附剂、生物酶催化剂及药物控释体系的载体等[18];利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)/纳米SiO2复合材料无毒及优良的生物相容性,通过调节PDMS含量控制其硬度和弹性,可用作生物活性材料;用纳米粒子直接分散法制得的表面带有胺基或羟基的SiO2/聚吡咯纳米复合材料,可用作凝集免疫测定中高显色的“标记器”微粒;利用聚吡咯的良好导电性,其纳米复合材料在组织工程及神经修复等领域具良好应用前景[19,20]。

2展望

纳米技术的解释篇5

关键词DNA纳米结构；药物转运载体；智能载药；评述

1引言

肿瘤的治疗是复杂的系统工程，以化疗和放疗为主要手段。传统小分子化学药物治疗效果好，但存在水溶性差、生物利用度低、毒性强等缺点，需要大剂量给药，给病人带来很大的毒副作用＼[1＼]；新颖的蛋白和核酸类药物，在肿瘤治疗中表现出很好的效果和极大的潜力，但价格昂贵、稳定性差、不易被细胞摄取＼[2＼]。因这些药物的生物利用度差，所以对其运输方式提出了新要求。发展新颖和有效的药物转运载体技术，提高药物的治疗效果，已成为近年来生物学和医学研究的热点。

常用的药物转运载体主要是脂质体＼[3＼]和阳离子树状聚合物＼[4＼]等高分子类载体。近年来，多种无机纳米材料，如纳米金＼[5～7＼]等，被大量用于转运反义RNA＼[8＼]、小干扰RNA＼[9＼]和抗癌药物＼[10＼]的研究。然而，@些载体具有内在细胞毒性＼[11＼]，装载药物的种类和数量不可控，可控靶向释放能力较差＼[12＼]。理想的药物转运载体应满足以下条件：（1）能够保护药物免于被降解，同时保留药物分子的生物学活性；（2）可以改善药物的水溶性，降低毒性、免疫原性及其它副作用；（3）能穿透生物膜屏障，例如细胞膜、内质网膜等；（4）可以同时转运多种药物分子；（5）具备智能转运能力，如靶向可控药物释放等。

近十几年来，结构DNA纳米技术蓬勃发展，为构建高效药物载体提供了新思路。DNA是自然界中组成生物的遗传材料，具有天然的生物相容性。由DNA经碱基互补配对形成的自组装DNA纳米结构，是一类具有精确结构和尺寸的纳米生物材料，同时具备多个化学反应位点、手性性质等特点，在众多领域都有广泛的应用前景＼[13＼]。研究表明，DNA纳米结构能以极高的效率进入细胞，这为DNA纳米结构应用于药物转运载体奠定了基础＼[14＼]。

本文首先回顾了DNA纳米技术的发展历程，介绍基于DNA纳米结构的新型药物转运载体研究现状，对于动态DNA纳米结构在智能药物载体中的应用进展进行评述，并对其发展前景进行了展望。

2DNA纳米技术和自组装DNA纳米结构的发展历程

自1983年Seeman设计第一个四臂核酸交叉结构（图1A）以来＼[15＼]，研究者意识到DNA不仅是生命的密码，更能作为生化模块，自下而上构建纳米世界。自此，基于WastonCrick碱基互补配对的多种自组装DNA纳米结构纷纷面世，结构DNA纳米技术得到快速发展并获得广泛应用。

在结构DNA纳米技术发展初期，所合成的结构仅是数条DNA单链通过碱基互补配对形成的交叉和拓扑结构，例如由等摩尔DNA单链混合得到的单交叉点多分支结构＼[16＼]（图1B）。这一类型的组装可以形成二维或三维结构，然而其大小难以控制且机械强度不足。1993年，Seeman研究组设计的多交叉结构＼[17＼]有效解决了这一问题，例如双螺旋结构域之间的多个交叉位点可以形成坚固的平面结构＼[18＼]。此后，采用多链碱基配对的方法合成了大量三维多面体结构，如四面体＼[19＼]（图1D）。

通过上述结构基元的粘性末端杂交，可以进一步合成高阶周期性结构，包括树枝状DNA＼[20＼]（图1E）、水凝胶＼[21＼]、DNA晶体＼[18＼]（图1F）等。然而这些通过基元粘性末端杂交构建的超结构具有一定局限性，例如合成耗时，需精确控制DNA单链化学计量比，并且所用的基元纯度要求高，结构的复杂性有限。为了解决这些问题，Ke等采用不同的单链基元取代多链基元合成了复杂的三维纳米结构＼[22＼]。

2006年，Rothemund设计的DNA折纸＼[23＼]开辟了DNA纳米技术的新纪元。DNA折纸以一条长DNA骨架单链为基础，在数百条订书钉链的帮助下折叠成所需结构。典型的DNA折纸有二维平面折纸＼[23＼]（图1G）、三维曲率折纸＼[24＼]（图1H）和不对称折纸＼[25＼]（图1I）。由于多条订书钉链与骨架链相互作用，因此不需要严格控制化学计量比，从而大大提高了组装效率。更重要的是，这种方法可以构建具备分子尺度可寻址性的复杂纳米物体。

目前，这种精确构建的DNA纳米结构已在多个领域应用，例如DNA管状纳米结构可作为模板诱导蛋白质排布，进而用于蛋白质结构的核磁共振分析＼[26＼]；二维DNA纳米结构可以位点特异性地固定生物分子探针，用于制备纳米传感阵列＼[27＼]。此外，DNA纳米结构可用于制备磷脂膜通道和生物反应器＼[28＼]；还可作为模板，用于构建质子化结构，在纳米设备中引导和转换光路＼[29＼]。本文重点综述DNA纳米结构作为药物转运载体应用的相关研究。

3DNA纳米结构与细胞的作用过程

DNA纳米结构作为一种药物载体，其与细胞的相互作用直接影响药物的治疗效果。DNA纳米结构在细胞内能够稳定存在是其发挥作用的前提条件，而高摄取效率则可以保证其能载带足量的药物分子进入细胞内发挥作用。DNA纳米结构进入细胞的过程和进入细胞后，均涉及一系列复杂的生理过程，与稳定性、作用模式、运动模式等多个因素密切相关。

3.1DNA纳米结构在生理条件下的稳定性

DNA纳米结构作为药物转运载体功能的实现，极大依赖于其在细胞内外环境中的稳定性。DNA纳米结构必须维持足够长时间的稳定性，才能发挥其预期功能。Surana等＼[30＼]通过荧光实验，研究了不同DNA纳米结构在细胞内的稳定性，他们发现，DNA纳米结构的灵活性可避免其与核酸酶接触，从而避免被核酸酶降解。Keum等＼[31＼]的研究表明，DNA四面体在10%胎牛血清（Fetalbovineserum，FBS）中能够在42h内维持结构的稳定性。Mei等＼[32＼]的研究表明，DNA折纸在细胞裂解液中能维持其结构和功能的稳定。Walsh等＼[33＼]的研究表明，DNA纳米结构在细胞内吞48h后仍保持结构完整。Shen等＼[34＼]发现DNA折纸完全降解大约需要60h。这些研究均证明DNA纳米结构在复杂生理条件下具备足够的稳定性，能够作为药物载体得到应用。

3.2DNA纳米结构与细胞膜的相互作用

细胞膜是DNA寡核苷酸的天然屏障，由于细胞膜带负电荷，一般的DNA单链和双螺旋等很难透过膜进入细胞内部。然而最近研究表明，DNA纳米结构能以极高的效率自由进入细胞＼[33＼]。造成这一区别的原因在于，简单的DNA由于表面负电荷的排斥作用，难以靠近细胞膜；而DNA纳米结构虽然带有负电荷，但其独特的纳米尺寸特性使其可以通过内吞作用（包括胞吞和胞饮作用）进入细胞内部，这一过程是能量依赖的主动运输过程，而非简单扩散。2011年，Turberfield和Fan的研究组都发现，DNA纳米结构可不依赖转染试剂进入细胞，并且证明了是细胞的内吞作用介导了这一过程＼[33，35＼]。随后，Liang等＼[36＼]利用单颗粒追踪技术揭示了DNA四面体进入Hela细胞的途径，发现四面体通过网格蛋白介导的胞饮途径进入溶酶体。他们还发现DNA纳米结构的形状和尺寸都会影响细胞的摄取效率，长宽比较大的结构更易被细胞摄取＼[37＼]。

3.3DNA纳米结构在细胞内的去向

DNA纳米结构进入细胞后的运动过程和在细胞内的最终去向等相关研究尚处于起步阶段，还存在争议。目前主要存在两种观点，一种认为DNA纳米结构的最终去向是溶酶体，另一种则认为细胞质是它们的终点。Zhao等＼[38＼]构建了阿霉素（Doxorubicin，Dox）和DNA纳米结构的复合物，该复合物在内吞体内缓慢降解，同时缓慢释放Dox进入细胞质，最后进入细胞核。@一过程展示了DNA纳米结构在细胞内沿内吞体溶酶体途径的运输过程。Tay等＼[39＼]发现在四面体上修饰特殊分子信标后，可以使四面体分布在细胞质中，而非进入溶酶体。Charoenphol等＼[40＼]构建了核酸适配体DNA纳米结构复合物，该复合物可通过胞饮途径进入癌细胞，随后逃脱内吞体溶酶体而免于被降解，但是，该复合物仍旧进入正常细胞的内吞体并被降解。

3.4溶酶体逃逸

DNA纳米结构能够在溶酶体的酸性环境中发生降解、构象变化等反应。对于纳米药物而言，尽管溶酶体中的酸性环境有利于药物分子从DNA纳米结构中释放，然而由于多数药物的作用靶点不在溶酶体，药物分子在溶酶体中释放会导致药物无法被运输到靶点，影响药物的作用效果。溶酶体逃逸的路径包括胞饮作用和非吞噬作用的摄取过程（如小窝蛋白介导的内吞途径），这两种方式都可避免DNA药物载体和药物被溶酶体降解＼[41＼]。2014年，Liang等＼[36＼]在DNA四面体上修饰核定位序列（Nuclearlocalizaitonsignals，NLS），从而引导四面体逃脱溶菌酶，进入细胞核。此外，Chen等＼[42＼]合成了长度为0.5～1.5μm的纳米带，由于其尺寸超过溶酶体，使得部分结构突出溶酶体，最终实现溶酶体逃逸。

4静态DNA纳米结构在药物转运载体中的应用进展

基于受外界刺激时能否发生明显的形态改变，DNA纳米结构可大致分为两类：静态DNA纳米结构和动态DNA纳米结构。本部分文将总结静态DNA纳米结构在药物转运载体中的应用进展。

4.1转运化疗药物

20世纪以来，能够快速杀死癌细胞的化疗药物成为临床治疗癌症的首选。传统的化疗药物具有毒副作用大、选择性低、易在肝肾等部位富集的缺陷。化疗药物中研究较多的Dox在实验室和临床研究中都易引发多药抗性＼[43＼]，极大限制了它的应用。

Dox通过嵌入DNA双链，干扰大分子生物合成，从而抑制癌细胞生长。使用DNA纳米结构载带Dox，对提高Dox药效、降低副作用，并克服细胞抗药性，具有重要意义＼[44＼]。

Jiang等使用DNA折纸作为Dox载体（图2A），获得了极高的Dox荷载效率，同时发现该DoxDNA折纸复合物不但对人乳腺癌细胞（MCF7）具有毒性，也对Dox抗性癌细胞具有杀伤效果＼[45＼]。DNA折纸增加了细胞对Dox的内吞效率，从而显著提高了对Dox抗性癌细胞的杀伤效果。Zhao等＼[38＼]设计两种DNA纳米结构载带Dox杀伤3种癌细胞（图2B），这两种结构的不同扭曲程度造成了嵌入DNA双螺旋的Dox数量有差异。他们发现，通过调整DNA纳米结构的构型，可以调节Dox装载效率和药物释放动力学；与游离Dox相比，DoxDNA纳米结构的细胞毒性明显提高，并且清除效率下降。

4.2转运功能核酸

功能核酸包括核酸适配体（Aptamer）、反义寡核苷酸、小干扰RNA（siRNA）、microRNA等具有特殊功能的核苷酸序列，在疾病的诊断治疗中广泛应用。由于载体与药物均为核酸，可以便捷地通过核酸杂交或嵌入的方式实现药物分子的载带。

57BerzofskyJA，AhlersJD，BelyakovIM.Nat.Rev.Immunol.，2001，1（3）：209-219

58NishikawaM，MizunoY，MohriK，MatsuokaN，RattanakiatS，TakahashiY，FunabashiH，LuoD，TakakuraY.Biomaterials，2011，32（2）：488-494

59FuY，ZengD，ChaoJ，JinY，ZhangZ，LiuH，LiD，MaH，HuangQ，GothelfKV.J.Am.Chem.Soc.，2012，135（2）：696-702

60LiuD，BalasubramanianS.Angew.Chem.Int.Edit.，2003，42（46）：5734-5736

61TianY，MaoC.J.Am.Chem.Soc.，2004，126（126）：11410-11411

62TianY，HeY，ChenY，YinP，MaoC.Angew.Chem.Int.Edit.，2005，44（28）：4355-4358

63WickhamSF，EndoM，KatsudaY，HidakaK，BathJ，SugiyamaH，TurberfieldAJ.Nat.Nanotechnol.，2011，6（3）：166-169

64PeiH，LiangL，YaoG，LiJ，HuangQ，FanC.Angew.Chem.Int.Edit.，2012，51（36）：9020-9024

65GeZ，PeiH，WangL，SongS，FanC.Sci.ChinaChem.，2011，54（8）：1273-1276

66ZhuD，PeiH，YaoG，WangL，SuS，ChaoJ，WangL，AldalbahiA，SongS，ShiJ.Adv.Mater.，2016，28（32）：6860-6865

67AndersenES，DongM，NielsenMM，JahnK，SubramaniR，MamdouhW，GolasMM，SanderB，StarkH，OliveiraCLP，PedersenJS，BirkedalV，BesenbacherF，GothelfKV，KjemsJ.Nature，2009，459（7243）：73-75

68DouglasSM，BacheletI，ChurchGM.Science，2012，335（6070）：831-834

纳米技术的解释篇6

以下介绍几种新技术（主要是药剂学的方法）在黏膜给药系统中的应用：

1微球

药物被包埋在微球中或吸附、偶联在微球表面。研究表明，微球具有生物黏附性和溶胀能力，能延长清除半衰期，能抵抗酶解作用，使基底细胞脱水，细胞间隙扩大，细胞旁通透性增强。常用的微球材料是一些白蛋白、明胶、淀粉和壳聚糖等具有生物黏附性的物质，可以延缓药物释放、延长微球与黏膜接触时间，从而达到缓慢释药，缓慢吸收的目的。

2智能化凝胶

以智能化凝胶为载体，设计药物制成供黏膜给药发挥局部治疗作用或经黏膜吸收进入体循环发挥全身治疗作用的新型给药系统，在新药研发进程中已显示出广阔的应用前景。

在智能化凝胶中，原位凝胶具有独特的性质，尤其适用于黏膜部位给药。原位凝胶亦称在位凝胶，指能以溶液状态给药后，在用药部位对环境刺激响应，立即发生相转变，形成非化学交联的半固体制剂。它在黏膜组织形成半固体凝胶状态，与黏膜组织亲和力强，滞留时间长，具有良好的生物黏附性和控制药物释放能力，而且使用方便舒适，没有异物刺激不适感，不易泄露，更易被患者接受，临床用药顺应性好。目前应用研究最多的是温度敏感型、pH敏感型及离子敏感型原位凝胶控释给药系统。

3脂质体

3.1普通脂质体

脂质体作为一种定向药物载体，属于靶向给药系统。它具有生物膜的特性和功能，进入人体后药物主要在肝、脾、肺等组织器官中蓄积。脂质体的磷脂双分子层对药物能实现控缓释放的作用，能平稳血药浓度，同时保护药物在吸收和转运过程中不被酶分解，有效避免和减少药物对黏膜产生刺激性和毒性，从而增加药物疗效。

脂质体作为经皮给药的载体具有显著的促渗效果，尤其是对多肽和蛋白质类大分子药物。但是蛋白质、多肽类等水溶性药物的包封率较低，在制备过程中与有机溶剂接触也易造成这些药物的变性，因此将脂质体用于多肽和蛋白质类给药时要特别注意这种情况。

3.2纳米脂质体

将药物粉末或溶液包埋在直径为纳米级的微粒中，纳米尺度的微粒具有更大的比表面积，粒子的胶体稳定性也显著提高，在循环系统中的循环时间较普通颗粒明显延长，在一定时间内不会像普通颗粒那样迅速地被吞噬细胞清除，有效延长药物释放的时间，并保持有效的血药浓度。脂质体包覆药物达到纳米级后，更容易被组织及细胞吸收，不仅能达到组织或器官的靶向给药，还能提高药物的生物利用度。

3.3非离子表面活性剂囊泡

非离子表面活性剂囊泡是由非离子形式的两亲性物质和胆固醇在亲水介质中自组装形成的具有闭合双分子层膜结构的封闭结构。它具有减小皮肤表面张力的性质，能在一定程度上对经皮药物起促渗作用，同时提高药物的生物利用度，增加药物在角质层、上皮组织的停留时间，延长药物的作用时间。

3.4柔性纳米脂质体（商品名为传递体）

柔性纳米脂质体是将曲率半径大的单链表面活性剂加入到制备脂质体的类脂材料中制成的。由于表面活性剂可增强脂质双分子层的流动性和变形性，因此柔性纳米脂质体可穿过比其自身小数倍的皮肤孔道，使一些难以透皮的大分子药物成功地进入皮肤甚至进入体循环。

尽管柔性纳米脂质体可有效促进药物的经皮透过，但也存在一定的局限性：1.柔性纳米脂质体应用时皮肤表面不能被覆盖，否则将会降低水化梯度，减弱柔性纳米脂质体经皮通透的效果。

2.柔性脂质体失水或透皮时，囊泡可能破损而丧失变形，堵塞皮肤孔道。另外，有文献报道柔性纳米脂质体只能改善药物在皮肤中的滞留情况，想要进一步透过皮肤进入体循环，药物则不得不从载体中释放出来，单独进入。

3.5醇质体

醇质体是由磷脂、乙醇和水构成的另一种新型柔性脂质体，系统中含有相对高浓度的乙醇（含量20%～50%)。由于乙醇取代了脂质双分子层头基附近的水分子，使醇质体的柔性和流动性增强。与普通脂质体相比，它粒径较小，结构稳定，可穿过角质层的屏障，甚至可穿透细胞膜进入细胞内释放药物，提高透皮速率及皮肤滞留药量，提高药物的局部作用，增加生物利用度。由于高浓度醇的增溶作用和多层膜结构的存在，醇质体可有效地包裹亲水性、亲脂性小分子药物及多肽蛋白类药物，最近还有生物免疫制剂的报道。近年来，许多新的技术和方法应用于醇质体的研究，不断扩展其应用范围，使得醇质体在生物和化学药品的透皮制剂及相关产品的研发方上具有更广阔的前景。

4微乳

微乳由水相、油相、表面活性剂和助表面活性剂组成，特点是外观透明；热力学稳定（即便高速离心也无法破坏其结构）；各向同性；黏度低；能自发形成，不需加热，工艺简单；适合蛋白多肽类给药；分散相液滴粒径小且均匀，使被包容的药物能高度分散，利于吸收，可大大提高药物体内生物利用度。其中，o/w型微乳可增加亲脂性药物溶解度，保护易水解的药物。w/o型微乳可延长水溶性药物释放的时间。而含有酯类的微乳可以同生物膜相互作用，导致生物膜的流动性改变，从而具有较强的促透能力。

微乳对药物较高的渗透作用是由于其疏水区和亲水区对皮肤角质层的共同作用，其促渗作用机制主要有以下几点：1.微乳对药物有良好的溶解性，可增大微乳与皮肤间的浓度梯度。2.微乳界面张力较低，易润湿皮肤，改变角质层的结构。3.作用于毛囊以增大其开口，有利于药物的透过和吸收。

以微乳为载体的透皮制剂目前只适用于低分子量药物。近年来，一些研究者提出了微乳凝胶的概念，即将微乳加到凝胶基质（如卡波姆940等）中形成凝胶。该系统与常规微乳相比，可能更适于作为水溶性药物的透皮给药。

5β-环糊精包合物

由于β-环糊精具有表面活性，因此将药物制成β-环糊精包合物可以提高药物的溶解度、渗透性，从而促进药物的经皮吸收。

6纳米粒

药物以纳米粒的形式给药后，可使药物具有靶向性和控释作用，改变药物在体内的动力学，从而提高药物的生物利用度，降低毒副作用。但是不可变形的聚合物纳米粒只能在皮肤表面粘附，在毛囊聚集并不能透过皮肤，只能减小局部皮肤的通透阻力并不能克服皮肤的通透屏障，因此很少应用于透皮制剂。为克服上述缺点，近年来研究较多的有固体脂质纳米粒（SLN）和纳米脂质载体（NLC）。它们既保留了传统脂质体的安全性，又具备与聚合物纳米粒相似的稳定性。尤其是NLC具有一定变形性和柔韧性，使其易于通过融合和穿透机制经皮通透，其纳米尺度效应使药物能与角质层紧密接触，极大增加药物与角质层的接触时间和面积，有利于药物的经皮吸收。

然而脂质纳米粒也存在不足：目前多数方法得到的可以稳定存在的纳米粒的粒径均在100nm以上，不能透过角质层，只能通过皮肤的毛囊渗透，若想用于透皮给药等特殊给药系统尚显不足。如何发展新技术，在保持其稳定性的同时，继续减小粒径至一个新的水平，将可能成为今后新的研究目标。另外，脂质纳米粒促进药物经皮通透的机制与皮肤脂质的相互作用及其对药物在皮肤各层分布的影响及安全性还需进行持续深入的研究。

可见以上几项新技术具有提高药物的化学稳定性、促进药物经皮吸收、控制药物释放以及靶向给药等优点，在黏膜给药方面具有广阔的应用前景。

如果将它们与促进药物经皮吸收的其它技术，如离子导入技术、微针技术等相结合可能会更有利于药物的经皮吸收。但是这些新技术的具体机制以及其在黏膜给药系统应用中的安全性、有效性仍不十分清楚，尚待进一步研究。

参考文献

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[2]李丽，方亮.纳米药物载体在经皮给药系统中应用的研究进展[J].沈阳药科大学学报，2010.27(12).998-1002.

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[4]李理宇，王洪权.新型经皮给药载体—醇质体的研究进展[J].中国新药杂志，2010，19(1):33-38.