纳米医学
纳米一词源出于希腊，意指“侏儒”，现作为微观世界里的长度单位，一纳米等于十亿分之一米，大约是三、四个碳原子的宽度。美国物理学家、两次诺贝尔奖得主费恩曼教授(R. Feynman)早在1950年代末就指出，人类若能控制物体微小规模上的排序，将可获得许多具有特殊性能的物质，这是对纳米技术最早的构想。纳米技术一词则始见于1974年，出自科学家谷口纪南(Norio Taniguchi)对精密机械加工的描述。
1982年扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)的发明，使得纳米科技迅速发展。近年来，在STM基础上又发明了原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)，AFM克服了STM只适用于具导电性样品的不足之处，为纳米科技的发展开辟了康庄大道。纳米粒子是指尺寸在100纳米以下的超微颗粒，由纳米粒子组成的材料称为纳米材料；而纳米科技是直接运用单个原子或分子，通过使其重新排列组合，来产生新的物质或制造出具有特定功能的产物；真正的纳米技术必须具备两个条件，一是纳米尺寸，二是自然界里所没有的新物性。纳米材料的性能和结构特殊，使其具有小尺寸效应、表面效应、量子效应三大特性。纳米医学则是利用纳米技术和人体的分子知识和分子工具，进行诊断、医疗和保健，从而改善身体状况。预期纳米技术将给医学界带来一场深刻的革命。
, 百拇医药
纳米生物芯片
芯片一般多用于电子计算机或机器人的设计，但科学家正研发以纳米技术为基础的芯片作为界面来进行生物检测。纳米生物芯片是一门融会分子生物学、化学、医学、计算机、自动化等多学科交叉的产物。利用一颗米粒大小的纳米芯片，附着或植入人体皮肤表层，通过纳米机电技术进行人体呼吸、心跳、血液等感应及检测功能，甚至还可以通过无线传输等系统整合，将病人的监测资料传输至远端的手机或电脑资料平台上，一旦病人心跳不正常或血液出现异常而有危险时，便可以提早诊断并提出预警。
以糖尿病患者为例，进行血糖检查需经常扎针，而抽血更是许多病患必做的检验项目。装置了纳米芯片后，即可发挥检测、无线网路传输、医疗监控等功能，患者安坐家中便能让医生在远端进行诊断，提供合适的居家照顾。此外，纳米芯片亦能针对心脏病的发病危险指标解读病人的生理反应，直接撷取检测标的并进行分析。这种纳米芯片的研制目前仍在试验阶段，有望在不久的将来应用在临床检测上。
, 百拇医药
亦有科学家研制可对血液进行病毒检测的纳米芯片，几分钟即可获得检验结果。此外，通过纳米放大技术的可视化基因诊断芯片，将为肝炎临床诊断提供崭新的方法。
由于纳米技术可在微小尺度里重新排列遗传密码，纳米基因芯片结合纳米科技和基因工程技术，小小的纳米基因芯片能容纳上百万个人类基因片段，可用来开发新药、改进疾病诊断和治疗方法。若研制成功，人类可以利用纳米基因芯片查出自己遗传密码中的错误，并迅速利用纳米技术进行修正，使各种遗传性疾病或缺陷得以改善。
纳米药物
在药学方面，将常规治疗药物纳米化，可大大增加药物颗粒的表面积，使之与组织的接触面积增大，从而提高药效，并能减少用量及降低副作用。另外，纳米化药物容易透过血管和组织屏障，易被巨噬细胞吞噬，故亦能增强药物的靶向性。
近年美国发明了携带纳米药物的芯片，把它放入人体，可在外部加以导向，使药物集中到患处，提高药物疗效。
, 百拇医药
若将不易被人体吸收或难溶性的药物制成纳米粉粒或悬浮液，可使其变得容易吸收，提高了药物的利用度。若把纳米药物制成膏药贴在患处，则有可能通过皮肤直接吸收而无需注射。以纤维结构比较特殊的西洋参来说，其有效成分不易为人体充分吸收，经过纳米技术的超细粉末加工后，就有助解决吸收问题。通过纳米技术改造传统制剂加工工艺，可提高中药的疗效。如以纳米技术开发的雷公藤新剂型，有助解决其毒性问题。
中国科学家已成功开发出一种直径只有25纳米的广谱速效抗菌颗粒，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物有强烈抑制和杀灭作用。这种纯天然抗感染原料药，性能远远优于现有的抗感染药，将广泛用于人体皮肤和黏膜组织的抗菌治疗。目前以这种抗菌颗粒为原料药的创伤贴、溃疡贴和烧烫伤敷料等纳米医药产品，已进入规模化生产阶段，并开始陆续投放市场。
纳米医疗器件
众所周知，每个人都是从一个受精卵来到这个世界，以30亿对碱基作为生命的蓝本，决定着细胞乃至生命的基础。细胞、基因组、蛋白质组、细菌、病毒等均属纳米级尺寸，它们全活在一个超微世界里。事实上，人体就如同一所微型工厂，要对其深入了解并进行改造，若能利用与其相当大小的器件，定能取得更好的效果。科学家们设想纳米医疗器件和药物可以畅游于人体各处，甚至进出细胞，在体内完成特定的监视、控制、防御、治疗和修复使命。例如运用纳米传感器进入体内监测生物或化学变化，适时释放所需药物和养分；或捕捉入侵的细菌和病毒并把它们消灭，杀灭癌细胞、修复畸变的基因等。
, 百拇医药
分子马达是目前纳米医疗器件的重点研究项目。分子马达是分子水平的复合体，能够作为机械部件的最小实体，通过外部刺激(如采用化学、电化学、光化学等方法改变环境)使分子结构发生变化。美国科学家正研制可以进入人体细胞的分子马达，该设备包括两个金属推进器和一个金属杆，由生物分子组件将人体的腺苷三磷酸转化为机械能量，驱使金属推进器运转。这种纳米机电设备仍处于研制初期，但将来有望能应用在人体细胞内发放药物等医疗任务上。
此外，也有科学家尝试把新型的纳米诊断仪器植入人体，根据不同的诊断和监测目的，定位于体内不同部位，或随血液运行，随时将体内各种生物信息反馈于体外记录装置。
纳米诊断技术
使用纳米诊断技术只需通过血液中的DNA或蛋白质检测，便能诊断出很多早期疾病；如应用分子雷达光学相干层析术(optical coherence tomography，OCT)这种先进的纳米成像技术，每秒钟能完成生物体内活细胞的动态成像2 000次，以此来观察活细胞的动态。在发现单个细胞病变的同时不伤及正常细胞，其分辨率可达1微米级，精密度较计算机X射线断层成像(CT)或核磁共振高上千倍；而运用超顺磁性氧化铁纳米粒子脂质体，则可以诊断直径3毫米以下的肝肿瘤。
, http://www.100md.com
利用纳米级荧光微粒接上抗体，就能进行免疫学的间接凝集试验。如只需0.5克金便可制备10 000毫升纳米金溶胶，研制成的金溶胶妊娠试剂，可验孕10 000人次，其诊断快速而可靠。
纳米技术还有助诊断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕8个星期时，血液中开始出现少量胎儿细胞。利用具有纳米级大小孔洞的半透膜或特殊的合成纳米管等，可把胎儿细胞分离出来进行诊断，以判断胎儿是否有遗传缺陷，比往常采用的羊水诊断技术更简便安全。目前美国已将此项技术应用于临床诊断中。
纳米医用材料
科学家们正研究将磁性纳米粒子表面涂覆高分子材料后与蛋白质结合，作为药物载体注入人体，在外磁场作用下，通过纳米磁性粒子的导向性，使其向病变部位移动，从而达到靶向治疗的目的。美国已利用树形聚合物作为药物载体，制成纳米陷阱，其超小分子能在病毒进入细胞致病前与病毒结合，使其丧失致病能力。中国科学家正在研制一种让针剂长“眼”的纳米级脂质颗粒，它能带领药物向肝脏聚集，通过肝脏代谢，不仅提高了药效，还大大降低了药物副作用，有望能成为中国一个具有自主知识产权的抗乙肝西药。
, http://www.100md.com
纳米骨材料具有很好的生物兼容性和重塑性，把它植入体内填充各类型的骨缺损，其网状结构可生长出很多新生的骨细胞，所有充填的纳米骨材料最后会降解消失，骨缺损部能完全被新生骨取代。应用纳米技术还可以制出只有几毫米的“人造手”，植入病人体内，医生在体外控制操作，进行精细的手术，此研究仍在模型阶段。
在治疗上的应用举例
科学界与医学界正合力研究应用纳米技术诊治人类三大重症：恶性肿瘤、心血管疾病和糖尿病，并已初见成效。
恶性肿瘤
把磁性纳米粒子结合抗癌药物注入人体内作靶向治疗，将大大提高肿瘤的药物治疗效果。科学家用金纳米材料开发出一种内含药物的纳米球，外面有二氧化硅涂层，注射入人体后可发放“近红外线”，从而识别癌细胞，并把光转化为热量直接杀死癌细胞，却不会对健康组织造成损害。还有一种超微颗粒乳剂载体，极易和游散于人体内的癌细胞融合，若用它来包裹抗癌药物，可望制成克癌“导弹”。最近德国将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入患鼠肿瘤部位，使癌细胞完全被磁场封闭，通过可变磁场将铁氧体纳米粒子加热到45～47℃来杀死癌细胞。由于周围的正常组织中不存在磁性微粒，故丝毫不受伤害。亦有科学家用磁性纳米颗粒成功分离了动物的癌细胞和正常细胞，并已在治疗人骨髓癌的临床实验中初见成效。此外，用纳米药物来阻断血管“饿死”癌细胞的研究亦在进行中。另有体外实验证明，二氧化钛纳米粒子容易积聚和依附在细胞膜上，并能轻易通过吞噬进入细胞质，藉着光线照射，可激发二氧化钛纳米粒子杀灭人体结肠癌细胞。
, 百拇医药
心血管疾病
医学界所广泛使用的人工心脏瓣膜，目前是由钛金属与不锈钢合金所构成，但在移植入人体后仍有损坏的可能性。结晶纳米氧化镐是一种具有高度抗生物损耗的可能替代材料。另一方面，美国现在已能制备出包含几百、几千个原子的颗粒，长度只有几十个纳米，表面活性却很大。若能让颗粒在血管中自由移动，将会像一个巡航导弹，能自动寻找沉积于静脉血管壁上的胆固醇，然后逐一分解；也可以清除心脏动脉中的脂肪沉积物，疏通脑血管中的血栓。
糖尿病
中国正研制对糖尿病人呼气中的丙酮气体特别敏感的“纳米鼻”，只要呼气中含有百万分之一的丙酮，便会立刻发出警报，为糖尿病的早期诊断和大面积普查带来了希望。此外，纳米智能葡萄糖检测系统亦正在研制中，它能够植入皮下，监测血糖水平，在必要时释放出胰岛素，使病人体内的血糖和胰岛素含量维持正常状态。
[1] Hood E. Nanotechnology: Looking As We Leap. Environmental Health Perspectives，2004， 112(13)：A740
, 百拇医药
[2] Mainardes R M，Silva L P. Drug Delivery Systems: Past, Present, and Future. Curr Drug Targets， 2004，5(5)：449
[3] Yang C X， Xu X H， Dong Y. Advances in the Research on Targeted Preparations of Traditional Chinese Medicine and Natural Drugs. Zhongguo Zhong Yao Za Zhi，2003，28(8)：696
[4] Fujihara K， Kotaki M， Ramakrishna S. Guided Bone Regeneration Membrane Made of Polycaprolactone/Calcium Carbonate Composite Nano-fibers. Biomaterials，2005， 26(19)：4139
, http://www.100md.com
[5] Chen R F, Chen J S. Application of Nano-technique in Early Diagnosis and Therapy for Malignant Tumors. Ai Zheng， 2004， 23(12)：1714
[6] Brongersma M L. Nanoshells: Gifts in a Gold Wrapper. Nature Materials， 2003， 2：296
[7] Montemagno C D. Integrative Technology for the Twenty-first Century. Ann N Y Acad Sci， 2004， 1013：38
[8] Hueso L, Mathur N. Nanotechnology: Dreams of a Hollow Future. Nature， 2004， 427(6972)：301, 百拇医药(曹志成 )
1982年扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)的发明，使得纳米科技迅速发展。近年来，在STM基础上又发明了原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)，AFM克服了STM只适用于具导电性样品的不足之处，为纳米科技的发展开辟了康庄大道。纳米粒子是指尺寸在100纳米以下的超微颗粒，由纳米粒子组成的材料称为纳米材料；而纳米科技是直接运用单个原子或分子，通过使其重新排列组合，来产生新的物质或制造出具有特定功能的产物；真正的纳米技术必须具备两个条件，一是纳米尺寸，二是自然界里所没有的新物性。纳米材料的性能和结构特殊，使其具有小尺寸效应、表面效应、量子效应三大特性。纳米医学则是利用纳米技术和人体的分子知识和分子工具，进行诊断、医疗和保健，从而改善身体状况。预期纳米技术将给医学界带来一场深刻的革命。
, 百拇医药
纳米生物芯片
芯片一般多用于电子计算机或机器人的设计，但科学家正研发以纳米技术为基础的芯片作为界面来进行生物检测。纳米生物芯片是一门融会分子生物学、化学、医学、计算机、自动化等多学科交叉的产物。利用一颗米粒大小的纳米芯片，附着或植入人体皮肤表层，通过纳米机电技术进行人体呼吸、心跳、血液等感应及检测功能，甚至还可以通过无线传输等系统整合，将病人的监测资料传输至远端的手机或电脑资料平台上，一旦病人心跳不正常或血液出现异常而有危险时，便可以提早诊断并提出预警。
以糖尿病患者为例，进行血糖检查需经常扎针，而抽血更是许多病患必做的检验项目。装置了纳米芯片后，即可发挥检测、无线网路传输、医疗监控等功能，患者安坐家中便能让医生在远端进行诊断，提供合适的居家照顾。此外，纳米芯片亦能针对心脏病的发病危险指标解读病人的生理反应，直接撷取检测标的并进行分析。这种纳米芯片的研制目前仍在试验阶段，有望在不久的将来应用在临床检测上。
, 百拇医药
亦有科学家研制可对血液进行病毒检测的纳米芯片，几分钟即可获得检验结果。此外，通过纳米放大技术的可视化基因诊断芯片，将为肝炎临床诊断提供崭新的方法。
由于纳米技术可在微小尺度里重新排列遗传密码，纳米基因芯片结合纳米科技和基因工程技术，小小的纳米基因芯片能容纳上百万个人类基因片段，可用来开发新药、改进疾病诊断和治疗方法。若研制成功，人类可以利用纳米基因芯片查出自己遗传密码中的错误，并迅速利用纳米技术进行修正，使各种遗传性疾病或缺陷得以改善。
纳米药物
在药学方面，将常规治疗药物纳米化，可大大增加药物颗粒的表面积，使之与组织的接触面积增大，从而提高药效，并能减少用量及降低副作用。另外，纳米化药物容易透过血管和组织屏障，易被巨噬细胞吞噬，故亦能增强药物的靶向性。
近年美国发明了携带纳米药物的芯片，把它放入人体，可在外部加以导向，使药物集中到患处，提高药物疗效。
, 百拇医药
若将不易被人体吸收或难溶性的药物制成纳米粉粒或悬浮液，可使其变得容易吸收，提高了药物的利用度。若把纳米药物制成膏药贴在患处，则有可能通过皮肤直接吸收而无需注射。以纤维结构比较特殊的西洋参来说，其有效成分不易为人体充分吸收，经过纳米技术的超细粉末加工后，就有助解决吸收问题。通过纳米技术改造传统制剂加工工艺，可提高中药的疗效。如以纳米技术开发的雷公藤新剂型，有助解决其毒性问题。
中国科学家已成功开发出一种直径只有25纳米的广谱速效抗菌颗粒，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物有强烈抑制和杀灭作用。这种纯天然抗感染原料药，性能远远优于现有的抗感染药，将广泛用于人体皮肤和黏膜组织的抗菌治疗。目前以这种抗菌颗粒为原料药的创伤贴、溃疡贴和烧烫伤敷料等纳米医药产品，已进入规模化生产阶段，并开始陆续投放市场。
纳米医疗器件
众所周知，每个人都是从一个受精卵来到这个世界，以30亿对碱基作为生命的蓝本，决定着细胞乃至生命的基础。细胞、基因组、蛋白质组、细菌、病毒等均属纳米级尺寸，它们全活在一个超微世界里。事实上，人体就如同一所微型工厂，要对其深入了解并进行改造，若能利用与其相当大小的器件，定能取得更好的效果。科学家们设想纳米医疗器件和药物可以畅游于人体各处，甚至进出细胞，在体内完成特定的监视、控制、防御、治疗和修复使命。例如运用纳米传感器进入体内监测生物或化学变化，适时释放所需药物和养分；或捕捉入侵的细菌和病毒并把它们消灭，杀灭癌细胞、修复畸变的基因等。
, 百拇医药
分子马达是目前纳米医疗器件的重点研究项目。分子马达是分子水平的复合体，能够作为机械部件的最小实体，通过外部刺激(如采用化学、电化学、光化学等方法改变环境)使分子结构发生变化。美国科学家正研制可以进入人体细胞的分子马达，该设备包括两个金属推进器和一个金属杆，由生物分子组件将人体的腺苷三磷酸转化为机械能量，驱使金属推进器运转。这种纳米机电设备仍处于研制初期，但将来有望能应用在人体细胞内发放药物等医疗任务上。
此外，也有科学家尝试把新型的纳米诊断仪器植入人体，根据不同的诊断和监测目的，定位于体内不同部位，或随血液运行，随时将体内各种生物信息反馈于体外记录装置。
纳米诊断技术
使用纳米诊断技术只需通过血液中的DNA或蛋白质检测，便能诊断出很多早期疾病；如应用分子雷达光学相干层析术(optical coherence tomography，OCT)这种先进的纳米成像技术，每秒钟能完成生物体内活细胞的动态成像2 000次，以此来观察活细胞的动态。在发现单个细胞病变的同时不伤及正常细胞，其分辨率可达1微米级，精密度较计算机X射线断层成像(CT)或核磁共振高上千倍；而运用超顺磁性氧化铁纳米粒子脂质体，则可以诊断直径3毫米以下的肝肿瘤。
, http://www.100md.com
利用纳米级荧光微粒接上抗体，就能进行免疫学的间接凝集试验。如只需0.5克金便可制备10 000毫升纳米金溶胶，研制成的金溶胶妊娠试剂，可验孕10 000人次，其诊断快速而可靠。
纳米技术还有助诊断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕8个星期时，血液中开始出现少量胎儿细胞。利用具有纳米级大小孔洞的半透膜或特殊的合成纳米管等，可把胎儿细胞分离出来进行诊断，以判断胎儿是否有遗传缺陷，比往常采用的羊水诊断技术更简便安全。目前美国已将此项技术应用于临床诊断中。
纳米医用材料
科学家们正研究将磁性纳米粒子表面涂覆高分子材料后与蛋白质结合，作为药物载体注入人体，在外磁场作用下，通过纳米磁性粒子的导向性，使其向病变部位移动，从而达到靶向治疗的目的。美国已利用树形聚合物作为药物载体，制成纳米陷阱，其超小分子能在病毒进入细胞致病前与病毒结合，使其丧失致病能力。中国科学家正在研制一种让针剂长“眼”的纳米级脂质颗粒，它能带领药物向肝脏聚集，通过肝脏代谢，不仅提高了药效，还大大降低了药物副作用，有望能成为中国一个具有自主知识产权的抗乙肝西药。
, http://www.100md.com
纳米骨材料具有很好的生物兼容性和重塑性，把它植入体内填充各类型的骨缺损，其网状结构可生长出很多新生的骨细胞，所有充填的纳米骨材料最后会降解消失，骨缺损部能完全被新生骨取代。应用纳米技术还可以制出只有几毫米的“人造手”，植入病人体内，医生在体外控制操作，进行精细的手术，此研究仍在模型阶段。
在治疗上的应用举例
科学界与医学界正合力研究应用纳米技术诊治人类三大重症：恶性肿瘤、心血管疾病和糖尿病，并已初见成效。
恶性肿瘤
把磁性纳米粒子结合抗癌药物注入人体内作靶向治疗，将大大提高肿瘤的药物治疗效果。科学家用金纳米材料开发出一种内含药物的纳米球，外面有二氧化硅涂层，注射入人体后可发放“近红外线”，从而识别癌细胞，并把光转化为热量直接杀死癌细胞，却不会对健康组织造成损害。还有一种超微颗粒乳剂载体，极易和游散于人体内的癌细胞融合，若用它来包裹抗癌药物，可望制成克癌“导弹”。最近德国将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入患鼠肿瘤部位，使癌细胞完全被磁场封闭，通过可变磁场将铁氧体纳米粒子加热到45～47℃来杀死癌细胞。由于周围的正常组织中不存在磁性微粒，故丝毫不受伤害。亦有科学家用磁性纳米颗粒成功分离了动物的癌细胞和正常细胞，并已在治疗人骨髓癌的临床实验中初见成效。此外，用纳米药物来阻断血管“饿死”癌细胞的研究亦在进行中。另有体外实验证明，二氧化钛纳米粒子容易积聚和依附在细胞膜上，并能轻易通过吞噬进入细胞质，藉着光线照射，可激发二氧化钛纳米粒子杀灭人体结肠癌细胞。
, 百拇医药
心血管疾病
医学界所广泛使用的人工心脏瓣膜，目前是由钛金属与不锈钢合金所构成，但在移植入人体后仍有损坏的可能性。结晶纳米氧化镐是一种具有高度抗生物损耗的可能替代材料。另一方面，美国现在已能制备出包含几百、几千个原子的颗粒，长度只有几十个纳米，表面活性却很大。若能让颗粒在血管中自由移动，将会像一个巡航导弹，能自动寻找沉积于静脉血管壁上的胆固醇，然后逐一分解；也可以清除心脏动脉中的脂肪沉积物，疏通脑血管中的血栓。
糖尿病
中国正研制对糖尿病人呼气中的丙酮气体特别敏感的“纳米鼻”，只要呼气中含有百万分之一的丙酮，便会立刻发出警报，为糖尿病的早期诊断和大面积普查带来了希望。此外，纳米智能葡萄糖检测系统亦正在研制中，它能够植入皮下，监测血糖水平，在必要时释放出胰岛素，使病人体内的血糖和胰岛素含量维持正常状态。
[1] Hood E. Nanotechnology: Looking As We Leap. Environmental Health Perspectives，2004， 112(13)：A740
, 百拇医药
[2] Mainardes R M，Silva L P. Drug Delivery Systems: Past, Present, and Future. Curr Drug Targets， 2004，5(5)：449
[3] Yang C X， Xu X H， Dong Y. Advances in the Research on Targeted Preparations of Traditional Chinese Medicine and Natural Drugs. Zhongguo Zhong Yao Za Zhi，2003，28(8)：696
[4] Fujihara K， Kotaki M， Ramakrishna S. Guided Bone Regeneration Membrane Made of Polycaprolactone/Calcium Carbonate Composite Nano-fibers. Biomaterials，2005， 26(19)：4139
, http://www.100md.com
[5] Chen R F, Chen J S. Application of Nano-technique in Early Diagnosis and Therapy for Malignant Tumors. Ai Zheng， 2004， 23(12)：1714
[6] Brongersma M L. Nanoshells: Gifts in a Gold Wrapper. Nature Materials， 2003， 2：296
[7] Montemagno C D. Integrative Technology for the Twenty-first Century. Ann N Y Acad Sci， 2004， 1013：38
[8] Hueso L, Mathur N. Nanotechnology: Dreams of a Hollow Future. Nature， 2004， 427(6972)：301, 百拇医药(曹志成 )