纳米医学概论ppt课件.ppt

纳米医学Nanomedicine田卫群tian_武汉大学基础医学院生物医学工程系,Prediction,21世纪纳米技术将出现重大进展，医生可能应用纳米机器人或机器直接打通脑血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，治疗肿瘤，到2020年将出现一个全新的领域 纳米医学（nanomedicine)。,Earth 1.2 x 107 m,Most scientists believe that nanotechnology will start seriously influence our lives around the year 2020 !,第一讲 纳米医学概论第二讲 纳米医药研究进展第三讲 纳米医学诊断技术第四讲 纳米医学治疗技术第五讲 医用纳米材料的制备与表征方法第六讲 纳米材料的安全性评价与分析,纳米医学课程内容提要,第一节 基本概念和定义第二节 纳米科技的内涵第三节 纳米粒的四大效应第四节 纳米粒的结构与形貌第五节 纳米医学的主要研究方向作 业 思考题及课外阅读文献,第一讲 纳米医学概论,1.1 什么是纳米(nanometer)？ 纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9米。 In Greek, “nano” means dwarf.,1 基本概念和定义,人高,20亿 纳米,100万纳米,针头,红血球,DNA分子,1000纳米,1 纳米,0.1 纳米,氢原子,冠状病毒,100纳米,which means one-billionth part of something.,Earth 1.2 x 107 m,1.1.1 物理意义 A nanometre is a billionth of a metre, or to put it comparatively, about 1/80,000 of the diameter of a human hair. The image below shows a further size comparison.,1.1.2 社会意义 “纳米”概念的提出标志着介观领域体系一种新的物质观，新的世界观和新的方法论的产生。,1.2 什么是纳米结构？ 纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm）的微小结构。,1.2 什么是纳米结构？,纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装成的一种新体系。,In this design, two rigid diamondoid rings are fused at a quasi-tetrahedral junction and sized, through the addition or subtraction of repeat subunits in each ring, to accommodate two carbon nanotubes of different diameters. The crimping of the nanotubes is a result of van der Waals packing of the rings, a feature that can be enhanced or removed by adjusting the ring size. (grey = carbon, white = hydrogen, blue = nitrogen, red = oxygen),In this design, two diamondoid rings replace small segments of a carbon nanotube, providing a lock for a third, larger ring. The larger ring includes a stitch-work of oxygens to create an electron-rich interior whose effective circular van der Waals packing just touches that of the nanotube framework.,Low-friction bearing assembly with two carbon allotropes,Crimp junctions for perpendicular carbon nanotube scaffolding,1.3 什么是纳米材料? 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料的基本单元可分为： 零维（三维尺度均在纳米尺度）：纳米粒，原子团簇等； 一维（两维处于纳米尺度）：纳米丝（线），纳米棒，纳米管等； 二维（一维处于纳米尺度）：超薄膜，多层膜等。,1.4 What is nanomedicine？,纳米医学是借助纳米科技在分子水平上，利用分子（操作）技术和人体的分子间相互作用知识，开展疾病预防、诊治及康复，改善健康状况等医（药）学应用的一门新型科学技术。,1.5 纳米技术,纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。目前研究的纳米技术项目有纳米半导体薄膜、纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和量子点、线等。,纳米技术就是要将分子、原子搭起来，做到从小到大，从下到上。要什么东西，就是什么东西，原材料浪费为零，能耗降到极低 ，彻底从技术上解决了环保问题。其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。,1.6 什么是纳米科学？,在纳米尺度上研究材料的制备、性质、现象及其规律的科学。 其研究领域是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的介观领域（0.11m)。,1.7 什么是纳米科技？,研究尺寸在0.1-100nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及实际应用的科学技术。,2 纳米科技的内涵,如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹？物体就能得到大量的异乎寻常的特性。当2000年人们回顾历史的时候, 他们会为直到1959年才有人想到直接用原子, 分子来制造机器而感到惊讶。,“The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.” “Put the atoms down where the chemist says, and so you make the substance.” - Richard Feynman(1959) Physics Nobel Laureate,He was talking about nanotechnology before the word existed !,2.1 原创思想的提出 Nanotechnology Vision,2.2 纳米科技的发展,Taniguchi,1974年Taniguchi 最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工;1977年美国麻省理工学院 Drexler 教授提出, 可以从模拟活细胞的生物分子的人工类似物 -分子装置开始研究, 并称之为纳米科技. 他70年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组。20世纪80年代初出现的扫描隧道显微镜（STM）极大促进了纳米科技的发展。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开。 （Note: 1996/9/8-12，Nano-ST IV, Beijing）,Eric Drexler,3. 纳米科技的科学意义,（1）纳米科技将促使人类认知的革命; （2）纳米科技将引发一场新的工业革命;（3）纳米科技是一门综合性的交叉学科.,师昌绪院士为国家自然科学基金资助纳米科技研究成果展览题词,（1）纳米科技将促使人类认知的革命,纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域,也是一片新的研究疆土。由于纳米科技是对人类认知领域新疆域的开拓，人类将面临对新理论和新发现重新学习和理解的任务。纳米科技推动产品的微型化、高性能化和与环境友好化，这将极大节约资源和能源，减少人类对其过分依赖，并促进生态环境的改善。这将在新的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证。,(2) 纳米科技将引发一场新的工业革命,纳米技术将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件，使未来的电脑、电视机、卫星、机器人等的体积变得越来越小.1）可以制造一种材料，其强度为钢的几倍，而重量仅为钢的几分之一。2）可以将国会图书馆的信息都存储在一块方糖大小的存储器上。3）可以检测出几个癌细胞。 纳米技术可能是下个世纪前二十年最重要的技术. - 克林顿纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会有一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命. - 钱学森正像20世纪70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。 -Armstrong ( IBM首席科学家 ),扫描隧道显微镜（STM）的发明人预言,许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情,而没有什么实际意义。但我确信纳米科技现在已具有与此同时150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精确标准,并成为工业革命的技术基础,最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样,未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准,并首先学习和使用它的国家。我们应当记住：微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确,微米与牛毫无关系,但它却改变了耕作方式,带来了拖拉机。 - H.Rohrer ( IBM 苏黎世实验室 ),微米与农民的“命运”,Micrometer,Note: The same fate to nanometer!,纳米技术的确是通向新世界的一扇门。 -Rita Colwell 美国国家科学基金主任,（3）纳米科技是一门综合性的交叉学科,纳米科技是多学科交叉汇合而出现的新学科生长点。纳米科技中的多种学科的交叉、渗透，势必把物理、化学和生物领城的许多学科推向一个新层次。纳米科技主要包括： (1) 纳米物理学； (2) 纳米化学； (3) 纳米材料学； (4) 纳米生物学； (5) 纳米电子学； (6) 纳米加工学； (7) 纳米力学。 ,Nanotechnology Applications,26,国家自然科学基金与纳米科技,国家自然科学基金资助纳米科技项目和经费逐年增加 (根据题目上出现纳米字样的部分基金项目的统计结果),纳米科技是一个多学科交叉的前沿领域，各科学部分别从不同角度予以了资助,3 纳米粒的四大效应,3.1 纳米粒的四大效应（1）表面效应 是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。（2）量子尺寸效应 当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。（3）小尺寸效应 当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。（4）宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。,（1）表面效应 是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。,Relationship between the ratio of the surface atoms to whole atoms and particle size,粒径为5nm时，表面将占50%；,粒径为2nm时，表面体积百分数增到80%；,（2）量子尺寸效应 当粒子尺寸极小时，费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级的现象。,尺寸及形貌导致颜色不同,（3）小尺寸效应 当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。,随着纳米颗粒尺寸的减小，与体积成比例的能量，如磁各向异性等亦相应降低，当体积能与热能相当或更小时，会发生强磁状态向超顺磁状态转变。当颗粒尺寸与光波的波长、传导电子德布罗意波长、超导体的相干长度或透射深度等物理特性尺度相当或更小时，其声、光、电、磁和热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。将导致光的等离子共振频移、介电常数与超导性能发生变化。,（4）宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。,电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者说它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。,纳米粒的奇异特性,纳米金属的熔点比普通金属低几百度；气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍；纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高倍；纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形材料技术的突破；纳米材料颗粒与生物细胞结合力很强；,纳米粒的奇异特性,纳米陶瓷的强度和韧性显著提高；纳米氧化铝粉体添加到常规85瓷、95瓷中，观察到强度和韧性均提高50以上；纳米材料具有奇特韧性，在经受弯曲不断裂；纳米材料在温度下，塑性提高。催化活性增强；以粒径小于300nm的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的效率提高到传统镍催化剂的10倍。直径几十纳米的Si3N4纳米线的弯曲强度在103Mpa量级，比块体Si3N4材料高出一个数量级。,4 纳米粒的结构与形貌,Al2O3,4.1 形貌特征,NATURE Vol. 4371 September 2005,Ag,Au,nanofibres,Nanobelt /nanoribbon,ZnOSCIENCE VOL 291 9 MARCH 2001,ZnONanotechnology 15 (2004) 622626,ZnOMaterials Letters 59 (2005) 16961700,Nano peapod,high-resolution, low-temperature scanning tunneling microscope (STM) (Science-1 February 2002),Nano rings,JACS 2005,Semiconductor Rings Fabricated by Self-Assembly of NanocrystalsBin Liu and Hua Chun Zeng*Contribution from the Department of Chemical and Biomolecular Engineering,Faculty of Engineering, National UniVersity of Singapore,10 Kent Ridge Crescent, Singapore 119260Received August 22, 2005; E-mail: chezhcnus.edu.sg,Nano-flowers,中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验室曹则贤研究员通过应力自组装在无机体系Ag/SiOx微米级的内核/壳层结构上成功地获得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。,研究内容以Report形式于2005年8月5日发表在Science上。文章发表后在国际上引起了强烈的反响。Nanotech web 和 ORF ON Science网站当天就分别以“应变的微结构形成类植物花样” 和“微观世界的花朵”作了长篇介绍。,4.2 纳米粒子形貌的观察,TEM,Four basic types of nanotech tools are available: Visualization tools, primarily scanning probe and electron microscopes; Measurement (or metrology) tools, including spectroscopic and optics based; Fabrication/production tools, including nano-manipulators and nano-lithographic devices; Simulation/modeling tools, which aid in the design and development of nanotechnology products.,SEM,AFM,STM,国产大气扫描隧道显微镜,5 纳米医学的主要研究方向,5.1 Based drug delivery SystemsNanoparticles can be used in targeted drug delivery at the site of disease to improve the uptake of poorly soluble drugs, the targeting of drugs to a specific site, and drug bioavailability. A schematic comparison of untargeted and targeted drug delivery systems.,Nanomedicine based drug delivery Systems,Drug Delivery Carriers,Applications of Nanotechnology,5.2 Diagnostics,Sensors for medical and environmental monitoring and for preparing pure chemicals and pharmaceuticals.Light and strong materials for defence, medical applications.Lab-on-a-chip diagnostic techniques.,Sunscreens with ultraviolet-light absorbing nanoparticles.The following applications are expected in the next decade: Longer-lasting medical implants. The capability to map an individuals entire genetic code almost instantaneously. The ability to extend life by 50% from present expectations.,5.3 Nanodrugs,The active compound might be inserted in a nanotube or bonded to a particles surface. Other types of nanopowders or biomolecules are also useful and are closer to the marketplace.Pharmaceutical companies do not expect nanostructured materials to become new drug compounds. However, carbon buckyballs and nanotubes might be useful as drug delivery vehicles because their nanometer size enables them to move easily inside the body.,纳米科技的前景展望,材料和制备微电子和 计算机技术环境和能源医学与健康生物技术航天和航空国家安全,FROM: www.nanoforum.org,The Futures Bright.,Health and medicine With advances in diagnostic technologies, doctors will be able to give patients complete health checks quickly and routinely. If any medication is required this will be tailored specifically to the individual based on their genetic make-up, thus preventing unwanted side-effects. As a result, the health system will become preventative rather than curative. New materials Nanomaterials such as quantum dots, carbon nanotubes and fullerenes will have applications in many different sectors because of their new properties. So quantum dots can be used in solar cells, but also in optoelectronics, and as imaging agents in medical diagnostics. Carbon nanotubes can be used in displays, as electronic connectors, as strengthening materials for polymer composites, and even as nanoscale drug dispensers. Fullerenes can be used in cosmetics, as “containers” for the delivery of drugs, in medical diagnostics, and even as nanoscale lubricants.,三位名人的名言启迪：如何进行科学研究？安德森 朱棣文 克拉克,自由宽松的研究环境,安德森说：“在工业研究实验室，你必须能做到一个以完成任务为目标的工程师做不到的创新工作，有能力发现对未来工业有重大指导意义的新的科学规律，而贝尔实验室提供了一个良好的氛围和广泛自由的创新空间。必须给科技人员提供一个他们认为对有价值的科学技术进行自由探索的机会。” 安德森还说他在任何时候都从未在外界压力之下做过科学的决定。 （获得1977年的诺贝尔物理奖获得者）,学科碰撞,朱棣文说：“美国贝尔实验室宽松的科研氛围、浓厚的学术气氛和强烈的创新意识，保证了事业的成功，在自助餐厅中的偶然谈话有时会标志着一个新合作的开始。”,科学 = 魔法,非常发达的科学和魔法没有什么区别。 -克拉克,阿瑟克拉克(ArthurC.Clarke，1917-)是英国著名科幻作家，同时也是一位著名的科学家，国际通讯卫星的奠基人。,1941年进入部队服役，从事与雷达有关的技术工作。1945年，他发表了一篇关于卫星通信的科学设想论文地球外的中继卫星能给全球范围的无线电覆盖吗？，为全球卫星通信奠定了理论基础。战争结束后克拉克进入大学深造，攻读物理学和数学。1950年起他的科幻作品太阳帆船曾引起美国国家宇航局的注意，并因此而关注这一领域的研究。,克拉克是最著名的太空题材科幻作家,童年的终结(1950)、城市和星星(1956)、2001：太空探险(1968)、与拉玛相会(1973)、天堂的喷泉(1980)等作品寓意深刻、脍炙人口。其作品善于以“定律”的方式加以总结，其中较有代表性的被称为“克拉克基本定律”，特别值得借鉴。,定律一：如果一个年高德劭的杰出科学家说，某件事情是可能的，那他可能是正确的；但如果他说，某件事情是不可能的，那他也许是非常错误的；定律二：要发现某件事情是否可能的界限，唯一的途径是跨越这个界限，从不可能跑到可能中去；定律三：任何非常先进的技术，初看都与魔法无异。,思考题,1、综述：展望纳米医学未来发展的前景,课外阅读文献,纳米技术与纳米材料 张志焜 崔作林著纳米医学 高焕民 柳耀泉 主编纳米技术与应用 黄德欢著 纳米复合材料 徐国财 张立德编 纳米材料制备技术 王世敏 许祖勋等编著 纳米材料和纳米结构 张立德 牟季美著 纳米材料学 张立德 牟季美著A lot of nano-web,E-mail: tian_,The size of things,