纳米生物工程包括哪些

目前市场上是否有纳米技术的产品~

8位粉丝
现在所谓的那么多什么纳米纳米的，基本上都是广告，目前我可以告诉你，没有多少东西真正需要那纳米技术，目前只有那么几类东西真正用到了
芯片，特别是处理器的芯片，比如你电脑里边那， 这个才真的是用到了纳米技术
看看现在INTEL和AMD的那些处理器，65纳米制程，45纳米制程，已经是在纳米尺度内，他们是通过改变硅原子位置，进行切割硅片，制造电路的，所以，这就是纳米技术
而其他的那些什么电灯泡，冰箱，电视都说什么纳米，简直就是广告吹的，一点意义都没有，因为根本上，在那些地方根本不需要什么纳米技术。
编辑于 2007-06-27
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7条评论
别白看，评论几句再走~
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说的好
热心网友2
我觉得这位老师答的不是很好。不过还是算可以。
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有关纳米的技术应用的报道
纳米材料技术在汽车上的应用 　　汽车技术的发展有赖于材料技术的发展,而现在风靡全球的纳米技术在汽车上的应用,为新材料技术的发展奠定了基础。 　　纳米是一个计量单位,1纳米为百万分之一毫米。这么微小的空间,实际上就是组成物质的基本单位,成为原子和分子的空间。自从80年代初发明了电子扫描隧道显微镜后,世界就诞生了一门以纳米为单位的微观世界研究学科——纳米科学。在100纳米以下的微小结构中对物质进行研究处理的技术称为纳米技术。进入90年代,纳米科学得到迅速的发展,产生了纳米材料学、纳米化工学、纳米机械学及纳米生物学等等,由此产生的纳米技术产品也层出不穷,并开始涉及汽车行业。那么汽车纳米技术又是怎么回事呢? 　　专家预测,纳米界面材料技术即超双亲性二元协同界面材料技术(亲水亲油)和超双疏型界面材料技术(疏水疏油),可以在任何材质表面实现。因此,如果国产橡胶材料应用这两种技术,那么困扰国产汽车的漏油、渗油等问题将得到解决。 　　汽车制造中应用的塑料数量将越来越多。纳米塑料可以改变传统塑料的特性,呈现出优异的物理性能:强度高,耐热性强,比重更小。由于纳米粒子尺寸小于可见光的波长,纳米塑料可以显示出良好的透明度和较高的光泽度,这样的纳米塑料在汽车上将有广泛的用途。经过纳米技术处理的部分材料耐磨性是黄铜的27倍、钢铁的7倍,例如纳米陶瓷轴承已经应用在奔驰等高级轿车上。 　　目前我国已经研制出一种用纳米技术制造的乳化剂,以一定比例加入汽油后,可使像桑塔纳一类的轿车降低10%左右的耗油量。更令人注意的是,纳米技术应用在燃料电池上,可以节省大量成本。因为纳米材料在室温条件下具有优异的储氢能力。根据实验结果,在室温常压下,约2/3的氢能可以从这些纳米材料中得以释放,故其能替代昂贵的超低温液氢储存装置。 　　武汉大学化学与分子科学院在纳米级二氧化钛的研究方面取得了突破。采用武汉大学专利技术生产纳米级二氧化钛,其成本只有国外成本的1/4左右。纳米级二氧化钛的问世是上世纪80年代后期二氧化钛研究领域的一个新进展。日、美科学家发现该物质可以广泛应用于高级轿车金属色面漆等方面。日本已在高速公路两侧和隧道内设置涂覆了纳米级二氧化钛的光催化板除氮氧化物防汽车尾气。目前,世界上仅有少数几家公司能够生产纳米级二氧化钛。 　　相信在不久的将来,纳米技术必将在汽车的制造领域得到更广泛的应用。 纳米技术在光电领域的应用 纳米静电屏蔽材料，是纳米技术的另一重要应用 纳米技术在生物工程上的应用
43赞·386浏览2016-12-01
纳米技术是怎样造成的？
纳米技术是以纳米科学为基础，研究结构尺度在0.1～100nm范围内材料的性质及其应用，制造新材料、新器件、研究新工艺的方法和手段。纳米技术以物理、化学的微观研究理论为基础，以当代精密仪器和先进的分析技术为手段，是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)相结合的产物。 1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳米计量学等6个分支学科。 其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。纳米科技是90年代初迅速发展起来的新兴科技，其最终目标是人类按照自己的意识直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。 纳米科技以空前的分辨率为我们揭示了一个可见的原子、分子世界。这表明，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高了前所未有的高度。有资料显示，2010年，纳米技术将成为仅次于芯片制造的第二大产业。
1赞·20浏览2020-03-30
纳米科技在生活中的应用举例
纳米在生活中的应用 纳米科技实际上涵盖了一切在纳米范围的物理、化学的技术和工艺，说它包罗万象也不算过分。用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。不过现在有很多都在炒作概念，很多都局限于实验室的理论阶段，比较现实的是机械方面的润滑剂，化工方面的催化剂，还有医学方面的定点超效药剂。 建筑领域 在建筑领域中使用纳米技术可以使结果相差很大. 的确,一些纳米技术的已经在市场上得到了应用. 举例来说, 在环保项目上我们所看到的新的智能材料和纳米二氧化钛粒子混合，应用于窗户自我清洁，建筑物和道路上。（在米兰，有7000平方米道路应用了这些能材料从而减少了减少60%的二氧化氮水平）。 还有一些纳米物质加在了新的施工材料中，从而提高机械强度，耐久性和绝缘性，同时相对于传统的材料降低了重量。举例来说, 纳米陶瓷被应用于水泥中增加强度。传感器系统将越来越多地用于施工中，包括监察楼宇的环境和任何机械的强度。 传感器系统 一些传感器系统被应用于建筑中, 类似于在环境一节中讨论的，但这传感被更多的应用于测试建筑物的结构构强度, 磨损等, 从而让人们知道在建筑物中存在的安全隐患。 当传感器连接到采暖/空调系统选用最佳设定，基于传感器搜集到的数据能为建筑物提供环境监测甚至温度控制。 纳米技术也可以帮助提供一个系统范围内查看“建筑物的感觉“的详细信息。所有传感器和监测数据传达到中央节点处理后付诸实施。 电子参与会较小,但是同样(甚至更多)强大. 他们将更有效率使用能源,甚至可以把小型太阳能电池,有效地使他们自己的权力. 作为一个结果,有可能使这一系统的免维护和长久的。 纳米家电 目前有很多电器公司已相继推出了新颖的纳米家电。所谓纳米家电，就是采用纳米技术生产出来的家用电器。 在纳米世界里，物质发生了质的飞跃。如导电性能良好的铜在纳米级就不导电了，而绝缘的二氧化硅在纳米级就开始导电了；二氧化硅陶瓷在通常情况下是很脆的，但当二氧化硅陶瓷颗粒缩小到纳米级时，脆性的陶瓷竟然具有了韧性。 当把物质细化到纳米级，制造出来的纳米材料性质特殊，用途极大。将纳米材料加入飞机中，可以吸收雷达波，于是隐性飞机问世了。用纳米材料制成的刀具，比钻石刀具还硬。将电脑芯片和光盘，加工成纳米级，其运算速度和记录密度高于常态的各个数量级。 目前纳米技术在家电领域还主要用于抗菌、抑菌等“健康”方面。如目前市面上销售的纳米冰柜，即是在人手易接触及细菌易侵入的部位，使用了经纳米化处理的材料，这种材料可有效抑制细菌的生长，从而提高冰柜的抗菌能力。 纳米洗衣机，就是洗衣机的外桶采用了纳米材料，这样使洗衣机不仅能防高温，耐磨 擦，而且有很强的防垢能力。 可以预见，随着纳米技术被更多的家电企业所采用，纳米家电将成为未来市场的流行产品。同时，我国重大基础研究纳米材料科学家专家组首席专家张立德研究员明确指出：“纳米科技要像信息技术一样产生广泛而深刻的影响，那将是二三十年以后的事情。”
204赞·10,869浏览2020-03-04
哪些方面应用到了纳米技术？
纳米技术的应用： (1)用纳米技术在纤制品和纺织品中添加纳米微粒，可以除味杀菌； (2)用纳米材料做衣服既漂亮又能防静电，可称“绿色”服装； (3)用纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经问世； (4)用纳米粉末，可以使废水彻底变成清水，完成能够饮用； (5)用纳米做的食品色香俱全，还有益于健康； (6)用含纳米微粒的建筑材料还可以吸收对人体有害的紫外线； 用纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机发动机部件的理想材料，大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。 神奇的纳米技术以渗透到我们日常生活的方方面面，它将创造许多新的奇迹，带给我们新的生活！
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哪些地方使用了纳米技术
纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如下领域： 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 7、纳米技术在农业中的应用 8、 纳米技术在日常生活中的应用 衣 在纺织和化纤制品中添纳米微粒，可以除味杀菌。化纤布挺括结实，但有烦人的静电现象，加入少量金属纳米微粒就可消除静电现象。 食 利用纳米材料，冰箱可以抗菌。纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经面世。利用纳米粉末，可以使废水彻底变清水，完全达到饮用标准，纳米食品色香味俱全，还有益健康。 住 纳米技术的运用，使墙面涂料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，根本不用擦洗。含有纳米微粒的建筑材料，还可以吸收对人体有害的紫外线。 行 纳米材料可以提高和改进交通工具的性能指标。纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料，能大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。纳米卫星可以随时向驾驶人员提供交通信息，帮助其安全驾驶。 医 利用纳米技术制成的微型药物输送器，可携带一定剂量的药物，在体外电磁信号的引导下准确到达病灶部位，有效地起到治疗作用，并减轻药物的不良的反映。用纳米制造成的微型机器人，其体积小于红细胞，通过向病人血管中注射，能疏通脑血管的血栓。清除心脏动脉的脂肪和沉淀物，还可“嚼碎”泌尿系统的结石等。纳米技术将是健康生活的好帮手。 纳米技术应用前景十分广阔，经济效益十分巨大，美国权威机构预测，2010年纳米技术市场估计达到14400亿美元，纳米技术未来的应用将远远超过计算机工业。纳米复合、塑胶、橡胶和纤维的改性，纳米功能涂层材料的设计和应用，将给传统产生和产品注入新的高科技含量。专家指出，纺织、建材、化工、石油、汽车、军事装备、通讯设备等领域，将免不了一场因纳米而引发的“材料革命”现在我国以纳米材料和纳米技术注册的公司有近100个，建立了10多条纳米材料和纳米技术的生产线。纳米布料、服装已批量生产，象电脑工作装、无静电服、防紫外线服等纳米服装都已问世。加入纳米技术的新型油漆，不仅耐洗刷性提高了十几倍，而且无毒无害无异味。纳米技术正在改善着、提高着人们的生活质量 查看全部28个回答 泛普纳米黑板支持多种书写方式，防水防暴 纳米黑板采用自动感应识别技术，表面大量积水仍可正常触控!纳米黑板纯平外观，具备信号拼接转换功能，单屏，双屏自由组合 苏州泛普科技股份有..广告 溧阳朝阳是球形活性炭 厂家直销 当天发货 朝阳活性炭是专业的球形活性炭，供应污水处理活性炭，脱色/除臭/吸附活性炭。朝阳柱状废气处理活性炭，比表面积大，吸附迅速快，平均使用寿命长，诚信厂家。当天发货 溧阳市朝阳活性炭厂广告 相关问题全部 我们的生活中什么地方已经用到纳米技术？纳米技术是通过什么方式予以实现的？ 我们生活中冰箱已经用到了纳米技术，纸张也用到了纳米技术。纳米技术是通过科技来实现的。 61 浏览51892020-03-17 你会把纳米技术运用到生活中的哪些地方？ 纳米技术运用到生活中的哪些地方？这个一般情况下就是很多的衣食住行都会用的像我们穿的一些衣服都是用纳米的材料做的。 243 浏览17542020-03-05 纳米技术应用在那些地方 美国军用方面，日本医疗方面。 中国目前就一家安然纳米公司，运用在民用上面。 17 浏览1962017-09-12 如果让你利用纳米技术你会把它应用在生活中的哪些地方？ 如果让我利用了纳米技术，我会把它应用在生活的方方面面。 首先就是日常的衣食住行使用纳米技术。 我们可以穿使用纳米纤维织成的衣服，不仅气密性更好，而且还可以防水。 另外还可以使用纳米材料建造房屋，肯定更加牢固可靠，抗震性更好。 而且使用纳米技术制造的汽车飞机之类的也就会更加牢固，不容易产生破碎或者变形。 187 浏览5122020-03-15 纳米技术运用在哪些方面？ 纳米技术在生活中的应用体现在衣食住行。 1、衣 在纺织和化纤制品中添加纳米微粒，可以除味杀菌。化纤布虽然结实，但有烦人的静电现象，加入少量金属纳米微粒就可消除静电现象。 2、食 利用纳米材料，冰箱可以抗菌。纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经面世。利用纳米粉末，可以使废水彻底变清水，完全达到饮用标准。纳米食品色香味俱全，还有益健康。 3、住 纳米技术的运用，使墙面涂料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，根本不用擦洗。含有纳米微粒的建筑材料，还可以吸收对人体有害的紫外线。 4、行 纳米材料可以提高和改进交通工具的性能指标。纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料，能大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。纳米卫星可以随时向驾驶人员提供交通信息，帮助其安全驾驶。 扩展资料： 纳米材料是80年代中期发展起来的新型材料，它比负氧离子先进50年。由于纳米微粒(1-100nm)的独特结构状态，使其产生了小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，从而使纳米材料表现出光、电、热、磁、吸收、反射、吸附、催化以及生物活性等特殊功能。 纳米材料具有许多独特功能，而且用量少，但却赋予材料意想不到的高性能，附加值甚高。纳米复合高分子材料、纳米抗菌、保鲜、除臭材料等等，由于纳米材料的尺寸小，比血液中的红血球小一千多倍，比细菌小几十倍，气体通过其扩散的速度比常规材料快几千倍。纳米颗粒与生物细胞膜的化物作用很强，极易进入细胞内。 194 浏览21292020-03-05 85评论 zrd0103great98 真是有文化的人😊 热心网友51 我 热心网友42 哈
304赞·9,951浏览2020-03-23
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纳米科技已在国际间形成研究开发的热潮，世界各国将发展纳米科技作为国家科技发展战略目标的一部分，纷纷投入巨资用于纳米科技和材料的研究开发。纳米材料是纳米科技的重要组成部分，日益受到各国的重视。各国（地区）制定了相应的发展战略和计划，指导和推进纳米科技和纳米材料的发展，将支持纳米技术和材料领域的研究开发作为21世纪技术创新的主要驱动器，纳米科技和材料展现了其广阔的发展前景和趋势。
各国纳米科技／材料发展战略计划和重点研究领域
当前世界上已有30多个国家从事纳米科技的研究开发活动，各国对纳米科技的投资增长加快，已从1997年的4．32亿美元增加至2002年的21．74亿美元， 2002年世界各国（地区）政府投资纳米科技领域的经费比1997年增加了503％（见表1）。从表1可以看出，2000年以来，各国（地区）政府投入纳米科技的研究开发经费增长速度加快。美国、日本和西欧是纳米科技投资的大国（地区），其他国家和地区对纳米科技投资总额还不及美国和日本单个国家的投资多。
美国自2000年2月提出“国家纳米技术计划”（NNI），纳米科技研究开发经费从2001财年的4．22亿美元增至2004财年的8．49亿美元（见表2）。2000 年NNI实施计划确定了5个重点发展的战略领域（见表3），近几年来这5个战略研究领域所包含的研究内容有调整。2003财年重大挑战项目涉及的重点研究领域：
1） “设计”组装更强、更轻、更硬并具有自修复和安全性的纳米材料：10倍于当前工业、运输和建筑用钢材强度的碳和陶瓷结构材料；强度3倍于目前遇100摄氏度高温就融化的汽车工业用材料的聚合物材料、多功能智能材料；
2）纳米电子学、纳米光电子学和纳米磁学：提高计算机运行速度并使芯片的存储效率提高百万倍；使电子的存储量增加到数千太比特�将单位表面积的存储量提高1千倍；增加数百倍的带宽改变通信方式；
3）在卫生保健方面，通过诊断和治疗器件减少卫生保健的昂贵费用并增强其有效性；利用基因的快速排序和细胞内传感器进行诊断和治疗；探测早期癌细胞并传递药物；研究能使人工器官的排斥率降低50％、探测早期疾病的生物传感器；研制最大限度减少人体组织损害的小型医疗器件；
4）在纳米尺度加工和环境保护方面，清除水中小于300纳米和空气中小于50纳米的污染微粒，以促进环境和水的清洁；
5）提高能源转换和存储效率，使太阳能电池的能效提高1倍；
6）研制探索太阳系外层空间的低功率（lowpower）微型空间飞行器；
7）研究纳米生物器件，以减轻人类因治疗产生的痛苦：快速有效的生物化学探测器；保护健康、修复受损组织的纳米电子／机械／化学器件；
8）在经济与安全运输方面，引入新型材料、电子学、能源和环境等方面的概念；
9）在国家安全方面，密切注视纳米电子学、多功能材料和纳米生物器件的重大挑战。
2003财年能源部新增3个有关纳米材料特性方面的基础研究项目：
●在纳米材料的合成和处理方面，基本了解涉及材料变形和断裂的纳米加工，利用定模技术有序排列纳米粒子以合成纳米材料。利用统一尺寸和形状的纳米材料来合成更大尺寸的纳米材料；
●在凝聚态物理方面的纳米材料研究，重点了解怎样使宏观分子平衡构造并自组织成为更大的纳米结构材料；
●从事了解纳米材料的特性在转化和控制催化变化的过程中所扮演的角色等方面的基础研究。
2004财年NNI支持的5个重点发展战略领域仍然与2003年相同（见表3）。重点强调支持在原子和分子水平上操纵物质的长期研究，充分发挥创造力以构造如分子和人体细胞大小的先进新器件，从而进一步改进应用于信息技术的电子器件；研究开发应用于制造、国防、运输、空间和环境等方面的高性能低维护材料（lower－maintenance materials）；加速纳米技术在生物技术、卫生保健和农业等方面的应用。研究开发重点领域：生物－化学－辐射－爆炸探测和保护�CBRE　方面的纳米技术创新解决方法；纳米制造研究；纳米生物系统；纳米标准仪器开发；教育和培训适应未来产业发展需要的新一代工人；扩大参与纳米技术革命的产业阵容。
日本政府在第二个“科学技术基本计划”（2001－2006年）中，将纳米技术和材料与生命科学、信息通信、环境保护等作为国家的科技重点发展战略的重中之重领域。该计划在2001年投入纳米科技的研究经费达142亿日元，比2000年度增加了88亿日元。该计划确定的纳米技术与材料重点研究领域：纳米物质与材料及其在电子、电磁、光学上的应用；纳米物质与材料及其在结构材料中的应用；纳米信息元件；纳米科技在医疗、生命科学、能源科学及环境科学方面的应用；有关表面和界面控制的物质及材料；纳米计量和标准技术；纳米加工、合成和工程技术；纳米技术的计算、理论和模拟技术；形成安全空间的材料技术等。
日本通产省2001年制定了“纳米材料计划”（NMP），每年经费3500万美元，为期7年（2001－2007年），由政府部门、政府研究机构、大学和产业界联合研究，旨在为产业界建立集研究开发新的纳米功能材料和教育功能于一体的纳米技术材料研究开发平台（见表4）。通产省2001年还制定并实施了“下一代半导体技术开发计划”，开发50－70纳米的下一代半导体处理基础技术，政府每年投资6000万美元。
日本“先进技术的探索研究”计划涉及了许多有关纳米粒子、纳米结构、纳米生物学和纳米电子学等方面的探索性研究。项目研究期限定为5年，均由政府出资，5年间政府对项目的平均资助金额为1600万美元。每个项目通常由15－25名科学家和技术人员组成，分为3个研究小组。该计划鼓励国内外的产业界、大学和研究机构合作研究。该计划已完成了许多项目，主要在研项目。
日本文部科学省发布了2003年的科技预算，其中纳米技术和材料的预算总计为1491亿日元（见表6）。日本内阁府综合科学技术会议于2003年7月14日召开了“纳米技术及材料研究开发推动项目”第6次会议，确定了研究开发的重点领域：“纳米药物传输系统”、“纳米医疗设备”以及“创新性纳米结构材料” 。这些项目由内阁府牵头、多个政府部门联合推动，于2004年实施。
欧洲共同体力争在纳米科技方面的国际地位，一方面积极创建欧洲新的纳米技术产业，另一方面，力促现有产业部门提高纳米技术能力。欧洲共同体在第6个框架计划（2002－2006年）中，将纳米技术和纳米科学作为7个重点发展的战略领域之一，经费为12亿美元，确定了具体的战略目标和重点研究领域：
一、纳米技术和纳米科学
将长期的跨学科研究转向了解新现象、掌握新工艺和开发研究工具：将重点研究分子和介观尺度现象；自组织材料和结构；分子和生物分子力学与马达；集成开发无机、有机、生物材料和工艺的跨学科研究的新方法。
纳米生物技术：其目标是支持一体化的生物和非生物体的研究，有广泛应用的纳米生物技术，如能用于加工、医学和环境分析系统的纳米生物技术。重点研究领域涉及芯片实验室（lab－on －chip），生物实体的界面，纳米粒子表面修复，先进的药物传递方式和纳米电子学；生物分子或复合物的处理、操纵和探测，生物实体的电子探测，微流体，促进和控制在酶作用基础上的细胞生长。
创造材料和部件的纳米工程技术：通过控制纳米结构，开发超高性能的新的功能和结构材料，包括开发材料的生产技术和加工技术。重点研究纳米结构合金和复合材料，先进的功能聚合物材料， 纳米结构的功能材料。
开发操作和控制器件及仪器：开发分辨率为10纳米的新一代的纳米测量和分析仪器。重点研究领域涉及各种先进的纳米测量技术；突破探索物质自组织特性的技术、方法或手段和开发纳米机械。
纳米技术在卫生、化学、能源、光学和环境中的应用。重点研究计算模拟，先进的生产技术；开发能改性的创新材料。
二、智能多功能材料
高知识含量、具有新功能和改性的新材料将是技术创新、器件和系统的关键。
开发基础知识：目标是了解与材料有关的复杂的物理－化学和生物现象，掌握和处理有助于试验、理论和模拟工具的智能材料。重点研究领域：设计和开发已定义特性的新结构材料；开发超分子和微观分子工程，重点是新型的高复杂性分子及其复合物的合成、探索和潜在的应用。
技术与生产的结合：以知识为基础的多功能材料和生物材料的运输和加工：目标是生产能构造更大结构的新型的多功能“智能”材料。重点研究领域：新材料；自修复的工程材料；包括表面技术和工程技术的跨技术。
对材料开发的工程支持：目标是在知识生产和知识使用之间架起一座桥梁，克服欧洲共同体的产业在材料和生产一体化方面的弱点。通过开发新工具，使新材料能够在稳定竞争的环境下生产。重点研究领域：优化材料设计，加工和工具；材料试验；使材料成为更大的结构，考虑生物兼容性与经济效益。
三、新型的生产工艺和器件
新生产的概念包含更灵活、集成度更高、更安全和更清洁，这将依赖组织创新和技术的发展。
欧洲委员会在“纳米技术信息器件倡议”5年计划（1999－2003年）中确定了3个目标：设计出超越互补金属氧化物半导体硅兼容器件性能的器件；在化学、电子学、光电子、生物学和力学等学科的基础上，设计原子或分子尺度的新型器件和系统，利用分子的特性解决专门的计算问题。欧洲科学基金会提出了于2003年开始实施的“自组织纳米结构”5年计划，将分子自组织、与力学机制相联系的软物质或超分子研究、自组织纳米结构的功能和制备列为第一阶段的研究重点。
英国政府在《科学研究重点》中，确定了2001－2004年的科学研究战略和研究重点，其中的材料科学（研究经费为444，000，000英镑）和基础技术（研究经费为2100英镑）两个领域涉及纳米材料和纳米技术的研究重点：促进前瞻性的材料模拟研究；促进纳米技术的研究，促进跨机构管理的跨学科纳米技术研究合作中心（IRCs）的发展。英国工程与物质科学研究委员会在材料科学发展5年计划（1994－1999年）中投资700万美元左右，其中约100万美元专用于纳米粒子的研究，这项计划于2000年继续资助纳米材料领域的研究。英国政府2003年投资纳米技术的经费约为3000万英镑。
英国政府的纳米技术应用分委员会咨询专家组调查了上百个科学家和发明者后，在2002年6月题为“英国纳米技术发展战略”的报告中勾画了英国纳米技术发展战略（见表7），选定了认为英国具有研究优势和产业发展机会的6个纳米技术领域：电子与通信；药品传递系统；生物组织工程、药物植入和器件；纳米材料，尤其是生物医学和功能界面纳米材料；纳米仪器、工具和度量；传感器和致动器（actuators）。
法国政府目前主要资助3个纳米科技项目：“法国微纳米技术网络”（1000万欧元）；“纳米结构材料”（230万欧元）；“独立纳米对象”（1200万欧元）。
德国联邦教育与研究部和德国联邦经济部资助6个纳米技术能力中心，每年投资6500万德国马克，资助的领域主要是：超薄功能薄膜；纳米结构在光电子领域的应用；新型纳米结构的开发；超精细表面测量；纳米结构的分析方法。
2002年德国联邦教育与研究部发布了提升纳米研究能力的新战略，将纳米技术的研究经费从 1998年的2760万欧元增至2002年的8850欧元，4年增长了200％。重点研究领域涉及增强用于纳米技术研究的基础设施的安全性；重建集成和创新型研究机构；将纳米技术商业化；促进创新企业的建立；增强SMEs的作用，评估与其他国家合作的机会；缩短相关的专利或授权的期限；促进下一代科技研究和发展相关的科技法律。资助下一代的材料研究的经费达7500万欧元，其中包括资助纳米结构材料。
英、法、德国等欧盟国家除本国政府支持的纳米科技研究外，还要参加上述欧盟在第6个框架计划中的有关纳米材料等方面的项目。
韩国政府在2002－2006年“科学技术发展基本计划”中，将纳米技术与生物技术、信息技术和航空航天技术等作为国家科技发展的重点战略领域。2000年制定的“纳米生物技术发展10年计划”，重点研究开发纳米诊断器件、纳米治疗系统和纳米生物仿生器件。 “2001－2010年太比特纳米器件计划”确定了太比特纳米电子学、自旋电子学、分子电子学和核心技术为研究重点领域。政府投资该计划的经费总计为1．42亿美元。科学技术部积极鼓励私营企业设立纳米技术专项投资金作为匹配经费。“2002年度纳米技术开发行动计划”，预算为2031亿韩元，比2001年的1052亿韩元增加了93．1％。旨在开发纳米核心技术，新建国家纳米制造研究中心（250亿韩元），以及信息技术和纳米技术融合中心。到2010年，使韩国将拥有13000名纳米技术领域的专家并跻身纳米技术领域世界10强之列。
澳大利亚在2003财年将纳米材料与生物材料作为重点战略研究领域，主要研究通过原子和分子的纳米自组织形成块材。
中国台湾自1999年开始，相继制定了“纳米材料尖端研究计划”（1999年）； “纳米科技研究计划”（2001－2005），5年预计投入的经费每年达上亿元新台币。中国台湾计划从2002－2007年在纳米技术相关领域中投资总额为6亿美元的预算，每年稳中有增，平均每年达1亿美元。
世界纳米科技／材料的发展
各国（地区）通过实施纳米科技计划，纳米材料和技术水平有很大发展。
在纳米材料方面，仅以近两年世界部分研究成果为例，纳米科技／材料的发展是显而易见的。美国IBM和康耐尔大学于2002年相继开发出碳纳米晶体管。威斯康星州立大学研制出存储密度是目前光盘100万倍的原子级的硅记忆材料。
麻省理工学院和美国陆军合作建立的纳米技术研究所研制了具有防水性和灭菌作用的纳米涂层。美国依利诺斯州西北大学Stupp领导的材料研究小组首次设计并制备出了骨状纳米纤维（Science，23，11，2002）；美国加州伯克利大学化学系的Joshua Goldberger领导的研究小组，与美国劳伦斯国家实验室的科学家合作，利用外延镀膜新技术，首次成功地合成了具有单晶结构的氮化镓�GaN　纳米管，这种新技术也可以应用于合成其它材料的单晶纳米管。氮化镓�GaN　纳米管还可应用于纳米毛细现象电泳、生物化学纳米流体感应，以及纳米尺度的电子与光电元件等方面（ Nature 422� 599 2003）。
俄国莫斯科大学化学系首次研制出氧化铝纳米管。俄科学院电化学研究所成功研制出具有良好杀菌和环保性能的新型纳米涂料。
日本产业综合研究所开发出利用碳纳米管在常温下工作的单电子半导体。名古屋大学在此基础上开发出可控制电传导性的碳纳米管。日本东芝研究开发中心利用碳氢化合物催化分解法，在氧化锌（ZnO2）多孔介质材料中覆上一层作为催化剂的铁铝系复合氧化物，而制备出在其表面能形成每平方毫米约4万根纳米纤维、直径为5～8纳米、5层左右的多层高密度填充碳纳米纤维。研究该材料的目的是为研制以吸附氢气等燃料的储氢能量材料。日立研究所利用纳米技术，将软磁金属与高电阻陶瓷通过机械力的作用，使混合物质在固态下达到原子级的相互混合，以便在软磁金属纳米晶粒的周围形成高电阻陶瓷结构。软磁金属的纳米晶粒之间通过高电阻隔断而形成高电阻，可降低高频段上由于涡电流而引起的损耗，从而成功地合成了高频电磁波吸收纳米材料。通过这种方法制备的电磁波吸收纳米材料能将电磁波吸收材料的厚度减小约50％，有望作为涂层电磁波吸收材料投入实际应用。日本国家物质材料研究所的Yoshio Bando领导的研究小组，成功研制出了在内径约 20～60 纳米的氧化镁单晶结构纳米管内填充了液态金属镓�gallium　的纳米复合材料温度计，该温度计利用氧化镁耐高温和在高温下结构稳定的物理特性，使纳米温度计的温度测量范围大幅度增加，估计其测量温度可达摄氏1000度（App． Phys． Lett． 83 999 ，2003），该测量温度比Yoshio Bando所在的研究小组于2002年研究的碳纳米管温度计的测量温度摄氏50－500度要高得多（Nature 415 599 ，2002）。
法国国家科研中心图卢兹结构研究和材料制造中心与丹麦阿尔霍斯大学天文物理学系合作，联合设计出一种能在铜表面自动聚集原子线功能的纳米“模具”分子，为未来单分子电路分子元器件的电子相互连接打开了通道。
纳米科技在医学应用、纳米电子学、纳米加工、纳米器件等方面也有新进展和新突破。本文就不在此列举了。
中国通过“国家攻关计划”、“863计划”、“973计划”的实施，纳米材料和纳米技术已取得较为突出的成果，并引起了国际上的关注。例如，在纳电子方面，成功地研制出波导型单电子器件晶体管和对电荷超敏感的库仑计；实现6纳米宽的半导体量子线台面和6纳米宽的线条金属栅，制备出间隔仅为10纳米的多种“纳米电极对”；用GMR效应进行高灵敏度传感器和硬盘磁头原型的研制工作。在纳米材料方面，中科院化学研究所有机固体重点实验室与北京大学人工微结构及介观物理国家重点实验室共同合作，利用C60粉末直接构筑C60纳米管。所获得的C60纳米管是由C60晶体在500℃下生长而成，它保留了C60分子的结构和性质，同时作为新的聚集态结构又具有准一维纳米材料的特点（J．Am．Chem．Soc，2002年11月13日）。研制出了碳纳米管准一维纳米材料及其阵列体系、非水热合成纳米材料；纳米铜金属的超延展性、块体金属合金、纳米复相陶瓷、巨磁电阻、磁热效应、介孔组装体系的光学特性、纳米生物骨修复材料、二元协同纳米界面材料等领域的研究，在国际上有一定的影响。在纳米器件的构筑与自组装、超高密度信息存储、纳米分子电子器件等方面也取得了许多有意义和有影响的成果。
纳米技术／材料的 未来发展趋势
从科技发展史来看，新技术的发展往往需要新材料的支持。如果没有1970年制成的使光强度几乎不衰减的光导纤维，可能不会有现代的光通信；如果没有高纯度大直径的硅单晶，很难想象集成电路、先进的计算机及通信设备的高速发展。纳米材料是受纳米尺度控制、具有新特性和行为的纳米尺度材料。纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础，纳米材料是构建两维和三维复杂功能纳米体系的单元，在此基础上可产生许多纳米新器件和功能器件。许多科技新领域的突破迫切需要纳米材料和纳米科技支撑，传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持。纳米材料和技术对许多领域都将产生极大的冲击和影响。从文献计量的角度来看，纳米技术涉及的研究领域达87个之多。
从世界范围来看，纳米科学和技术在各国（地区）政府的大力支持、各界的努力研究开发下不断得到发展，将有许多纳米新材料、新特性和新应用不断发现，纳米科技／材料的发展已展现了诱人的前景。如上所述，纳米技术／材料涉及的研究领域和对科技经济及社会的影响很广，其未来发展方向涉及多个方面，本文在此重点表明纳米材料的未来发展趋势。
●纳米材料及其性能向着更加优质的方向发展，从而将有更多性能优越价格低廉的纳米粉末、纳米粒子和纳米复合材料得到更加广泛的应用。如纳米粒子可以被用于创造新的光学薄膜和创造具有光、磁特性的新功能材料。磁性纳米粒子和量子点将可用于生产10倍于目前芯片存储容量、数百千兆赫速度的超小光盘驱动器。
●在纳米材料与加工方面，将通过控制纳米晶体、纳米薄膜、纳米粒子和碳纳米管等创造新的功能结构材料；开发超轻、超强结构材料；开发长寿命材料、支撑能量转换的材料和具有新功能的电子材料；了解涉及材料变形和断裂的纳米工艺，利用仿制技术有序排列纳米粒子合成纳米材料；
●纳米材料将成为化学和能源转化工艺方面具有高度选择性和有效性的催化剂。这不仅对能源和化学生产非常重要，而且对能源转换和环境保护极具经济价值；
●纳米材料的发展将对生物医学领域，如对植入性和弥补性生物兼容材料、诊断器件、治疗学等产生很大影响，纳米材料将有更多的机会用于药物传递系统。新型的生物兼容性纳米材料和纳米机械元件将创造更多的植入性新材料、人造器官新材料和纳米新元件。
●开发基于天然纤维材料和具有环境兼容性、保证人类健康和安全的纳米聚合物纤维新材料：开发利用细菌精细纤维制造的纳米生态材料；用于食品等工业的小麦生物聚合物（淀粉）复合材料；将纳米粒子与生物可降解的聚合物结合，提高聚合物的物理和化学特性；开发来自糖的纳米晶增强剂以净化废品；开发用于聚合物复合材料的局部化学改性的植物纤维素纳米粒子；开发利用谷壳（rice husk）生产纳米结构的纳米硅炭化物；开发通过表面分离的自组织植物纤维素薄膜。
总之，纳米技术／材料将向着与信息技术、现代生命科学和认知科学融合的方向发展，它们的融合将促进所有科技经济领域的创新和新发现。
21世纪的健康科学，将以出入意料的速度向前发展，人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。
微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。
纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分子应用工程。在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质特别是酶，从而控制生化反应。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器，可以获取细胞内的生物信息，从而了解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。

纳米生物工程
靳刚 应佩青
中国科学院力学研究所
（2000年11月-2001年2月）
自中国科学院纳米科技网
　　
　　纳米生物工程是什么意思？它究竟包括哪些内容？笼统地讲它包括纳米医学、纳米生物技术和纳米生物材料等。实际上，医学、生物技术和生物材料都是人们熟悉的名词和内容，当戴上一顶纳米的帽子就似乎有了悬念。这里我们先来回顾一下和我们所熟悉的名词相关的物质和事物，然后再把这些与纳米概念联系起来，看看有了哪些新的变化，通过观察一些相关的科学研究结果和应用实例，来理解纳米生物工程。

一、纳米医学

　　大多数人都有生病、吃药、打针的经历，医学就是研究疾病，治病救人的科学。那么纳米医学又是什么呢？我们知道人体是由多种器官组成的，如：大脑、心脏，肝，脾，胃，肠，肺，骨骼，肌肉和皮肤；器官又是由各种细胞组成的，细胞是器官的组织单元，细胞的组合作用才显示出器官的功能。那么细胞又是由什么组成的呢？按现在的认识，细胞的主要成份是各种各样的蛋白质、核酸、脂类和其它生物分子，可以统称生物分子，它的种类在数十万种。生物分子是构成人体的基本成分，它们各自具有独特的生物活性的，正是它们不同的生物活性决定了它们在人体内的分工和作用。由于人体是由分子构成的，所有的疾病包括衰老本身也可归因于人体内分子的变化。当人体的分子机器，如合成蛋白质的核糖体，DNA复制所需的酶等，出现故障或工作失常时，就会导致细胞死亡或异常。从分子的微观角度来看，目前的医疗技术尚无法达到分子修复的水平。而纳米医学则是在分子水平上，利用分子工具和人体的分子知识，所从事的诊断、医疗、预防疾病、防止外伤、止痛、保健和改善健康状况等科学技术，广义地讲都属于纳米医学的范畴。换句话讲，人们将从分子水平上认识自己，创造并利用纳米装置和纳米结构来防病治病，改善人类的整个生命系统。首先需要认识生命的分子基础，然后从科学认识发展到工程技术，设计制造大量的具有令人难以置信的奇特功效的纳米装置，这些微小的纳米装置的几何尺度仅有头发丝的千分之一左右，是由一个个分子装配起来的，能够发挥类似于组织和器官的功能，并且更准确和更有效地发挥作用。他们可以在人体的各处畅游，甚至出入细胞，在人体的微观世界里完成特殊使命。例如：修复畸变的基因、扼杀刚刚萌芽的癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒，并在它们致病前就消灭它们；探测机体内化学或生物化学成分的变化，适时地释放药物和人体所需的微量物质，及时改善人的健康状况。最终实现纳米医学，使人类拥有持续的健康。未来的纳米医学将是强大的，它又会是令人惊讶得小，因为在其中所发挥作用的药物和医疗装置都是肉眼所无法看到的。但是它的功能会令世人惊叹。
　　需要说明，不要马上跑到大夫那儿去要纳米处方。上面所谈的纳米医学景观尚处于设计和萌芽阶段，还有很多的未知需要去探索，例如：这些纳米装置该由什么制成？他们是否可以被人体接受？并发挥所预期的作用？科学家们正在全力以赴地把纳米医学的科学想法变成医学现实。终有一天，医药柜越小，效力越大。
　　一定有人会问：纳米医学是不是科学幻想？它离我们到底有多远？还要等多久才能看到医学实现？事实上，它已经开始步入现实，并获得蓬勃发展。下面让我们看一看这一领域所取得的科学进展。

　　(1) 智能药物
　　这是纳米医学中的一个非常活跃的领域，适时准确地释放药物是它的基本功能之一。科学家正在为糖尿病人研制超小型的，模仿健康人体内的葡萄糖检测系统。它能够被植入皮下，监测血糖水平，在必要的时候释放出胰岛素，使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。最近，美国麻省理工学院的研究者做出了微型药房的雏形：一种具有上千个小药库的微型芯片，每一个小药库里可以容纳25纳升的任何药物，例如止痛剂或抗生素等。它的研究者之一Robert Langer说，目前这个芯片的尺寸还相当于一个小硬币，可以把它做得更小，并计划装上一个"智能化"的传感器，使它可以适时和适量地释放药物。能否在形成致命的肿瘤之前，早期杀灭癌细胞？美国密西根大学的James R. Baker Jr.博士正在设计一种纳米"智能炸弹"，它可以识别出癌细胞的化学特征(chemical "signatures")。这种"智能炸弹"很小，仅有20纳米左右，能够进入并摧毁单个的癌细胞。此装置的研制刚刚开始，而初步的人体实验至少要五年以后才能进行。

　　(2) 人工红血球
人工红细胞的结构和工作示意图
随着转子的转动，气体分子与转子上的结合位点结合再释放，从金刚石腔体进入到血浆中

　　纳米医学不仅具有消除体内坏因素的功能，而且还有增强人体功能的能力。我们知道，脑细胞缺氧6至10分钟即出现坏死，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。设想一种装备超小型纳米泵的人造红血球，携氧量是天然红血球的200倍以上。当人的心脏因意外，突然停止跳动的时候，医生可以马上将大量的人造红血球注入人体，随即提供生命赖以生存的氧，以维持整个机体的正常生理活动。美国的纳米技术专家Robert Freitas初步提出的人造红血球(respirocyte)的设计,已成为纳米技术的标志性结果。这个血球是个一微米大小的金刚石的氧气容器，内部有1000个大气压，泵浦动力来自血清葡萄糖。它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的236倍，并维持生物炭活性。 它可以应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等。它的基本设计和结构功能，以及与生物体的相容性等已有专著详细论述。在此仅对其结构功能做简单介绍。图是此人工红细胞的结构和工作示意图。

　　它的腔体外壳是与生物体相容的金刚石，腔内储氧，开口处是一个可以从腔内向外传递氧的转子，随其旋转，将氧分子输入血液。

　　(3)纳米药物输运
　　纳米微粒药物输送技术也是重要发展方向之一。按目前的认识，有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题。由于药物颗粒缩小时，药物与胃肠道液体的有效接触面积将增加，所以药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小而提高。药物的吸收又受其溶解率的限制，因此，缩小药物的颗粒尺度成为提高药物利用率的可行方法。 纳米晶体技术可将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，同时提高溶解性，以提高难溶性药物的药效率。粉碎过程会使粒子间的相互作用力增加，为了避免纳米颗粒在粉碎过程中聚合，加工中，不溶的药物是被悬浮在含一般认为安全的稳定剂和赋形剂的悬浮液中。深入研究的制粉技术已经能够将药物缩小到400纳米以下。 同时，这些赋形剂在胃肠道中起表面活性剂的作用，也提高了纳米药物颗粒的溶解率。一旦，不溶性药物转变成稳定的纳米颗粒，就适合于口服或者注射了。
　　纳米医学将给医学界，诸如癌症、糖尿病和老年性痴呆等疾病的治疗带来变革，已经获得越来越多的认同。利用纳米技术能够把新型基因材料输送到已经存在的DNA里，而不会引起任何免疫反应。树形聚合物(dendrimers) 就是提供此类输送的良好候选材料。因为，它是非生物材料，不会诱发病人的免疫反应，没有形成排异反应的危险；所以，可以作为药物的纳米载体，携带药物分子进入人体的血液循环，使药物在无免疫排斥的条件下，发挥治病的效果。这种技术用于糖尿病和癌症治疗是很有希望的。

　　(4) 捕获病毒的纳米陷阱
　　密西根大学的Donald Tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病毒的纳米陷阱。体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染细胞之前就捕获它们，同样的方法期望用于捕获类似爱滋病病毒等更复杂的病毒。此纳米陷阱使用的是超小分子，此分子能够在病毒进入细胞致病前即与病毒结合，使病毒丧失致病的能力。
　　通俗地讲，人体细胞表面装备着含硅铝酸成分的"锁"，只准许持"钥匙"者进入。不幸的是，病毒竟然有硅铝酸受体"钥匙"。Tomalia的方法是把能够与病毒结合的硅铝酸位点覆盖在陷阱细胞(glycodendrimers)表面。当病毒结合到陷阱细胞表面，就无法再感染人体细胞了。陷阱细胞由外壳、内腔和核三部分组成。内腔可充填药物分子；将来有可能装上化疗药物，直接送到肿瘤上。陷阱细胞能够繁殖，生成不同的后代，个子较大的后代可能携带更多的药物。尽管原因尚不明确，所观察的特点是越大效果越好。研究者希望发展针对各种致病病毒的特殊陷阱细胞和用于医疗的陷阱细胞库。

　　(5)识别血液异常的生物芯片
　　美国圣地亚国家实验室的发现实现了纳米爱好者的预言。正像所预想的那样，纳米技术可以在血流中进行巡航探测，即时地发现诸如病毒和细菌类型的外来入侵者，并予以歼灭，从而消除传染性疾病。 Micheal Wisz做了一个雏形装置，发挥芯片实验室的功能，它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞血症和感染了爱滋病的细胞。血液细胞被导入一个发射激光的腔体表面， 从而改变激光的形成。癌细胞会产生一种明亮的闪光；而健康细胞只发射一种标准波长的光，以此鉴别癌变。

二、纳米生物技术

　　纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物，它即可以用于生物医学，也可以服务于其它社会需求。所包含的内容非常丰富，并以极快的速度增加和发展，难以概述。在此仅举一些研究结果为例。

　　(1) 生物芯片技术
　　生物芯片是不同于半导体电子芯片的另一类芯片。半导体电子芯片是集成具有特定电子学功能的微单元，所形成的电子集成电路；而生物芯片则是在很小几何尺度的表面积上，装配一种或集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样，即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性，以及它们之间的相互作用，获得生命微观活动的规律。生物芯片可以粗略地分为细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等几类，都有集成、并行和快速检测的优点，已成为二十一世纪生物医学工程的前沿科技。
　　近两年，已经通过微制作(MEMS)技术，制成了微米量级的机械手，能够在细胞溶液中捕捉到单个细胞，进行细胞结构，功能和通讯等特性研究。美国哈佛大学的Whitesides教授领导的研究人员，发展了微电子工业普遍使用的光刻技术在生物学领域的应用，并研制出效果更好的软光刻方法(soft lithography)。以此，制出了可以捕捉和固定单个细胞的生物芯片，通过调节细胞间距等，研究细胞分泌和胞间通讯。此类细胞芯片还可以作细胞分类和纯化等。它的功能原理非常简单，仅利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面改性，即可达到选择和固定细胞，及细胞面密度控制。

图2：多元蛋白质芯片模型 图中按顺时针方向分别表示：
1）在格式化的改性表面上，固定配基；
2）含配基的芯片与蛋白溶液相互作用，蛋白特异性结合形成蛋白复合物；
3）对芯片进行检测以确定蛋白间的相互作用。

　　蛋白质芯片的发展已经经历了约十年的时间，现已出现了相对成熟的技术，如瑞典的BIACORE的单元芯片，中科院力学所的多元蛋白质光学芯片和美国的SELDI质谱芯片等。它们的共同特点都是将生物分子作为配基，固定在固体芯片表面或表面微单元上，以单一、或面阵、或序列式。利用生物分子间的特异结合的自然属性，待测分子与配基分子在芯片表面会形成生物分子复合物。然后，检测此复合物的存在与否，达到对蛋白质的探测、识别和纯化的目的。以上不同技术的差异仅在探测方法的不同。BIACORE技术利用表面等离子体共振技术检测芯片，进行单一蛋白质检测；多元蛋白质光学芯片是光学成象法，可以同时检测多种混合的蛋白质；SELDI技术则采用质谱法，以时间顺序检测序列蛋白质。

图3：研究蛋白相互作用的芯片 Protein G、p50和FRB等三种蛋白分别以点状阵列固定到玻片上。三种荧光标记的探针IgG（蓝）、 I B （绿） 、FKBP12（红）分别以其中的一种（A、B、C）或三种（E）同时出现进行探测。三种探针分别与三种蛋白发生特异性相互作用。D表示无任何探针的状态。

　　随着人类基因工程的发展，基因芯片(即DNA芯片)得到迅速的发展。DNA 芯片又称为寡核苷酸阵列或杂交阵列分析，它是根据DNA双螺旋原理而发展的核酸链间分子杂交的技术。它的基本结构类似于面阵型蛋白质芯片，在芯片表面能够制备成千上万的基因单元作为配基，对待测基因进行筛选。待测基因通过PCR扩增技术得到数量放大，再进行荧光标记，使其在筛选过程中产生可识别的荧光发射或光谱转移。此荧光信号被荧光显微镜检出，达到基因识别的目的。将已知的DNA（探针）和未知的核酸序列之间的一方以有序的阵列固定到载玻片或硅片上，再与荧光标记的另一方进行杂交。当荧光标记的一方在DNA芯片上发现互补序列时即发生杂交，杂交的结果以荧光和模式识别分析来检测。DNA芯片技术可以快速分析大量的基因信息，从而使生物医学工作者可以研究并收集基因表达和变异信息。目前国内外已有公司生产并销售的DNA芯片有两类，一类是在芯片上原位合成待测的寡核苷酸，再与荧光标记的DNA探针放在一起，当DNA探针杂交到寡核苷酸阵列上后，互补序列通过荧光扫描确定。该寡核苷酸阵列格式可用于检测变异，在基因中定位目标区域，和基因表达的研究，以及确定基因功能。另一类DNA芯片利用微量点样技术在芯片上制作互补DNA（cDNA）阵列，再与荧光标记的DNA探针杂交。cDNA阵列格式用于快速筛选。如位于Santa Clara, CA 的Affymetrix公司生产的GeneChip? 含高密度的DNA探针阵列，可以用于人类基因组中遗传信息的分析。具特殊用途的DNA探针阵列可以在人类基因组中快速筛选已知的DNA序列。
DNA芯片还可用于监测不同的人体细胞和组织基因表达，以检测癌症或其它疾病所对应的基因的变化。随着DNA芯片及杂交技术的发展，DNA芯片将有可能直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。

图4：基因表达的微阵列图 以两种颜色的荧光标记来自于两种细胞的样品，杂交后，对微阵列的每一位点进行荧光扫描。每一位点的光强度正比于它所结合的荧光cDNA的量。光强越强，样品中该基因的表达水平越高。如微阵列的位点无荧光，说明两种细胞均不表达该基因。如某一位点显示一种荧光，说明该标记的基因只在此细胞样品中表达。同一位点显示两种荧光，说明该基因在两种细胞样品中均表达。

　　（2）分子马达
　　分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。分子马达包括线性推进和旋转式两大类。其中线性分子马达是将化学能转化为机械能，并沿着一条线性轨道运动的生物分子，主要包括肌球蛋白（myosin）、驱动蛋白（kinesin）、DNA解旋酶（DNA helicase）和RNA聚合酶(RNA polymerase)等。其中肌肉肌球蛋白是研究得较为深入的一种，它们以肌动蛋白（actin）为线性轨道，其运动过程与ATP水解相偶联。而驱动蛋白则以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。目前对于驱动蛋白运动机制提出了步行（"hand-over-hand"）模型，驱动蛋白的两个头部交替与微管结合，以步行方式沿微管运动，运动的步幅是8 nm（图5）。目前， ATP水解与肌球蛋白和驱动蛋白的机械运动之间的化学机械偶联的关系还不清楚。近来的研究发现它们有相同的中心核结构，并以相似的构象变化将ATP能量转变为蛋白运动。DNA解旋酶作为线性分子马达，以DNA分子为轨道，与ATP水解释放的能量相偶联，在释放ADP和Pi的同时将DNA双链分开成两条互补单链。RNA聚合酶则在DNA转录过程中，沿DNA模板迅速移动，消耗的能量来自核苷酸的聚合及RNA的折叠反应。

图5：肌肉肌球蛋白（左）和驱动
蛋白（右）的运动周期模型

　　旋转式分子马达工作时，类似于定子和转子之间的旋转运动，比较典型的旋转式发动机有F1-ATP酶。ATP酶是一种生物体中普遍存在的酶。如图所示：它由两部分组成，一部分结合在线粒体膜上，称为F0；另一部分在膜外，称为F1。F0-ATP酶的a、b和c亚基构成质子流经膜的通道。当质子流经F0时产生力矩，从而推动了F1-ATP酶的g亚基的旋转。g亚基的顺时针与逆时针旋转分别与ATP的合成和水解相关联。F1-ATP酶直径小于12 nm，能产生大于100 pN 的力，无载荷时转速可达17转/秒。F1-ATP酶与纳米机电系统（nanoNEMS）的组合已成为新型纳米机械装置。

图6：ATP酶的结构示意图

　　美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备--"纳米直升机"。该设备共包括三个组件，两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件。其中的生物分子组件将人体的生物"燃料"ATP转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。

图7：美国康纳尔大学研制成的"纳米直升机"示意图

　　（3） 硅虫晶体管
　　美国和北爱尔兰的研究者偶然发现了一种活的半导体(half bacterium, half microchip)，它能够嗅出生物战所用的毒气。这一发现竟来自科学家为消除计算机芯片生产线上的某些特殊细菌的屡屡失败。为消除这些微生物，研究者试用了从紫外线到强氧化剂，但是，细菌仍可幸存。纽约州立大学的生物学家Robert Baier解释了此现象。在清洗半导体芯片时，超纯水能够溶解一些半导体材料，如氧化锗，而这些半导体材料会围绕细菌结晶，使细菌在晶体的"家"中存活得极好，而不会受到损伤。微生物用半导体材料建立了一个"活"的单元。此现象提出了广阔的想象空间。亚利桑纳大学的物理学家O'Hanlon 和 Baier认为外面包上硬壳的细菌可以用于制造生物晶体管。在普通三极管中，由源极到漏极的电流受门极电压的控制。而这种细菌半导体晶体恰好可以用作生物晶体管的门极。当在呼吸和光合作用等产生电子转移的生物过程中，光照或者器官的水汽能诱导细菌产生电子，犹如打开了这个生物晶体管。这种精巧的灵敏装置能够探测到生物战毒气。
　　他们在半导体表面用纯水制作细菌晶体单元，下一步是使它发挥晶体管的功能，并获得更多的应用。

图8： 载激光束（蓝色）的纳米传感器探针穿过活细胞，以检测该细胞是否曾置于致癌物质下

　　（4） 纳米探针

　　一种探测单个活细胞的纳米传感器，探头尺寸仅为纳米量级，当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。
　　为了模仿暴露于致癌物质，将细胞浸入含有苯并吡 (BaP)的代谢物的液体中。 苯并吡是城市污染空气中普遍存在的致癌物质。在一般暴露情况下，细胞摄取苯并吡,并代谢掉。苯并吡和细胞DNA的代谢反应形成一种可水解的DNA加合物BPT （ benzo(a)pyrene tetrol)。纳米探针是一支直径50纳米，外面包银的光纤，并传导一束氦-镉激光。它的尖部贴有可识别和结合BPT的单克隆抗体。325纳米波长的激光将激发抗体和BPT所形成的分子复合物产生荧光。此荧光进入探针光纤后，由光探测器接收。Tuan Vo-Dinh和他的同事认为此高选择和高灵敏的纳米传感器，可以用于探测很多细胞化学物质，可以监控活细胞的蛋白质和其它所感兴趣的生物化学物质。
　　此传感器还可以探测基因表达和靶细胞的蛋白生成，用于筛选微量药物，以确定哪种药物能够最有效地阻止细胞内，致病蛋白的活动。随着纳米技术的进步，最终实现评定单个细胞的健康状况。

　　
　　三、纳米生物材料

　　生物材料已是大家熟知的内容，例如：用于制衣、皮带的动物皮革是生物材料；用于镶牙和制作隐形眼睛的材料，尽管不是生物制品，但是被用于生物体内，也可以归于生物材料。纳米生物材料也可以分为两类，一种是适合于生物体内应用的纳米材料，它本身即可以是具有生物活性的，也可以不具有生物活性，而仅仅易于被生物体接受，而不引起不良反应。另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料，它们可能不再被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。

　　(1) 活的电线
　　在很多方面，DNA几乎是构筑纳米尺度结构的理想材料。近来，科学家通过在DNA的表面覆盖金属原子的培植方法，合成了导电的DNA链。然而，由于DNA完全被金属覆盖，仅起一种支架的作用，不再具备选择性结合其它生物分子这一很有价值的特性。 Saskatchewan大学的研究者逐渐发现了将DNA发展成新一代生物传感器和半导体导线的途径。生物化学教授Jeremy Lee 实验室的研究者发现DNA很容易把锌、镍、钴等离子并入它的双螺旋的中心，并找到了在高pH值等基本条件下，稳定DNA含有金属离子的状态，获得了新的DNA导电体。 并且，此类金属DNA仍然保持选择性结合其它分子的能力。正在开发的应用之一是遗传畸变探测生物传感器。类似于其它的DNA探测，在此传感器上装配上所要探测的特制DNA序列。在此，DNA链是导电的。杂交DNA所引起的删除或变化，均起阻碍电流的作用，计算机能够简单地通过测量电导的变化，来识别DNA的异常。
　　这种生物传感器还能用于鉴别混合物，如：环境毒素、毒品、或蛋白质等，当这类分子结合到金属DNA上，将把金属离子排斥出来，导致电流中断。由于，信号强度的减小正比于污染物的浓度，所以，能够很容易地确定环境毒素的量。金属DNA还可以用于筛选结合于DNA的抗肿瘤药物，用作微细半导体线路的导线等。

　　（2） 组织工程中的纳米生物材料
　　材料支架在组织工程中起重要作用，因为贴壁依赖型细胞只有在材料上粘附后，才能生长和分化。模仿天然的细胞外基质--胶原的结构，制成的含纳米纤维的生物可降解材料已开始应用于组织工程的体外及动物实验，并将具良好的应用前景。国内清华大学研究开发的纳米级羟基磷灰石/胶原复合物在组成上模仿了天然骨基质中无机和有机成分，其纳米级的微结构类似于天然骨基质。多孔的纳米羟基磷灰石/胶原复合物形成的三维支架为成骨细胞提供了与体内相似的微环境。细胞在该支架上能很好地生长并能分泌骨基质。体外及动物实验表明，此种羟基磷灰石/胶原复合物是良好的骨修复纳米生物材料。
　　通过以上所述，可以明显地看出纳米医学、纳米生物技术和纳米生物材料等内容，并无明显的界线，可以说是相互交叉，相互依赖，共同发展的。这正是纳米生物工程的含义。
随着进入21世纪，纳米技术的发展将使今天的科学幻想成为明天世人普遍接受的实用技术。

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