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纳米将带给我们一个什么样的世界
http://www.100md.com 2001年9月20日 《中国中医药报》 第1628期
     人类对客观世界的认识从没有停止过,尤其是对浩瀚的宇宙空间和奇妙的微观世界的探索,更能激发起科学家们的兴趣。因而在新世纪到来之际,人们才刚刚熟悉了计算机和网络,对编制基因图谱还感到十分神秘的时候,以物理学的老名词“纳米”概念引发出来的一种新技术——纳米技术,又开始席卷全球,引起了科技界的广泛关注,被认为是对2l世纪一系列高新技术的产生和发展有着极为重要影响的一门热点学科,世界上很多国家已将其列为21世纪的关键技术之一。不过,对纳米级空间的最早认识,还是四十年前的事……

    “天方夜谭”变为科学现实

    1959年12月29日,美国著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者理查德·费因曼(Rinchard Feynman)在美国物理学会召开的年会上,作了一个题为:《底层大有可为》(There's Plenty of Room at the Bottom)的著名演讲。在演讲中,费因曼给我们设想了人类未来的美妙神奇图景:“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子,将会产生什么样的奇迹?”
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    众所周知,原子是组成自然界的基本单位,正是这些形形色色的原子,以千差万别的方式排列,才使我们这个世界多姿多彩。通过人为地操纵单个原子,如同用原子来搭积木一样来构造人们需要的特定功能的物质,就有可能会创造出新的物质世界。由于当时人们认识水平和科技发展水平的局限,这番高论大家听起来无异于天方夜谭。在此之后的二十多年时间内,人们对费因曼所提出的这种新奇的技术并没引起足够的重视。

    1990年7月,在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科技会议。这次会议的召开,标志着纳米科技(nano science and technology,简称Nano ST)的正式诞生。直到此时,费因曼当年的梦想才终于开始逐渐变为现实:人类已经开始了在单个原子、分子层次上对物质进行探测和控制研究,并取得了一系列激动人心的重大成果。1993年,美国科学家首次成功地在电镜下“搬动”原子团,用原子团“拼写”出斯坦福大学的英文名字。中国科学院北京真空物理实验室已能自如地操纵原子,成功地排列“中国”二字和中国地图。这些事例意味着,纳米技术已能使人类按照自己的意志操纵单个原子,组装具有特定功能的产品,制备出仅包含几十个到几百万个原子的单个粒径为1~100纳米的纳米微粒,并把它们作为基本构成单元,适当排列成三维的纳米固体。
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    2000年1月21日,美国总统克林顿宣布,美国将从2000年10月1日起实施一项新的国家计划——国家纳米科学技术计划(NNI),并将其作为美国政府当前科技研究与开发的第一优先计划。日本1991年开始实施为期10年、耗资2.25亿美元的纳米科技研究计划,将此计划作为日本政府、企业和大学合作研究的三项重大基础研究课题之一;我国的基础研究计划和“863”高技术计划对纳米科技的研究和开发都给予支持,令人欣喜的是,我们在纳米研究和开发上与发达国家基本上处在同一起跑线上。

    “纳米”到底是什么?

    纳米(nano meter,nm)是一种长度单位,1纳米等于十亿分之一米或千分之一微米,大约是三、四个原子的宽度。

    纳米尺度空间指0.1~100nm大小的尺度空间,这个空间所涉及的物质层次,处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,是既非宏观又非微观的相对独立的中间领域,被人称之为介观(mesoscopy)研究领域。
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    纳米技术(Nanotechnology)是指在纳米尺度空间下对物质进行制备、研究和工业化,以及利用纳米尺度物质进行交叉研究和工业化的一门综合性的技术体系,通俗地讲它就是一门用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米技术以多种现代先进科学技术为基础,它是现代科学(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)结合的产物。

    纳米材料又称为超微颗粒材料,包括纳米微粒与纳米固体。纳米微粒通常>1nm,需用电子显微镜才能看到;纳米固体系纳米结构材料,尺寸为1~100nm的纳米微粒凝聚而成的块体、薄膜、多层膜和纤维,又分为晶态、准晶态和非晶态三类。它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。宏观物体被细分成超微颗粒(纳米级)后,它将显示出许多奇异的特性,即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同,这就是它的神奇之处。

    纳米材料技术(包括纳米相材料技术和纳米复合改性技术)是缘于纳米颗粒的性能发生了变化,从而使纳米材料在力学、磁学、热学、光学、电学、催化等性能及生物活性方面发生变化,因而被广泛应用于各种材料领域,在医学上则用于人造骨、人造牙齿等。
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    纳米在医药领域中的应用

    目前,纳米科技主要包括纳米生物学、纳米机械学、纳米电子学、纳米材料学以及原子、分子操纵和纳米制造等很多领域。专家预测,到2020年将出现一个全新的领域——纳米医学。纳米医学对于医学的发展具有深刻的影响,对于疾病的诊断和治疗具有重大的意义。

    在医学领域中,纳米材料已经得到成功的应用。最引人注目的是作为药物载体,或制作人体生物医学材料,如人工肾脏、人工关节等。在纳米铁微粒表面覆一层聚合物后,可以固定蛋白质或酶,以控制生物反应。国外用纳米陶瓷微粒作载体的病毒诱导物也取得成功。由于纳米微粒比血红细胞还小许多,可以在血液中自由运行,因而在疾病的诊断和治疗中发挥独特作用。

    美国已发明了携带纳米药物的芯片,将其放入人体,在外部加以导向,使药物集中到患处,可提高药物疗效。纳米材料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后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。最近德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹,在水中溶解后注入肿瘤部位,使癌细胞部位完全被磁场封闭,通电加热时温度达到47℃,慢慢杀死癌细胞,而周围的正常组织丝毫不受影响,从而改变目前化疗、放疗中不管细胞组织的好坏“统统杀灭”的状况。有的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,已在治疗人骨髓癌的临床实验中初获成功。还有的用纳米药物来阻断血管“饿死”癌细胞。使用纳米诊断仪只需检测微量血液就可以从蛋白质和DNA上诊断出各种疾病。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,表面活性很大,可以在血管中自由移动,就像一个巡航导弹,能自动寻找沉积于静脉血管壁上的胆固醇,然后一一分解,也可以清除心脏动脉脂肪沉积物,疏通脑血管中的血栓,因此纳米技术在治疗心血管疾病上十分看好。
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    医药学界更看好的是纳米药物。使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细,并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。将不易被人体吸收的药物(如雌二醇)或食品做成纳米粉或悬浮液,就变得容易吸收,提高了药物的生物利用度,把纳米药物做成膏药贴在患处,可通过皮肤直接吸收而无须注射。

    目前,国内外对药物剂型的研究已达到一个新阶段,新的药物缓释、靶向给药剂型如脂质体、毫微粒、微乳剂不断出现。美国FDA于2000年初已批准阿霉素脂质体制剂进入市场,国内也有1~2种脂质体制剂获得了临床批准文号。微胶囊制剂代表着现代药物剂型的发展方向(它们的特点是缓释、低毒并具有一定的组织靶向性)。大量实验证明:微胶囊颗粒越细,其机体吸收率越高,疗效越好。

    中药需不需要“纳米化”?

    我国拥有丰富的药用动植矿物资源和悠久的中医药经验,近年来中药的产业规模日趋扩大,在全世界植物药市场上的销售额已超过了270亿美元,且以每年20%~30%速度增长。我国虽然是一个中药大国,中药产业也有一定的规模,但我国在世界植物药市场份额仅有3%~5%。制约我国中药产业可持续发展的原因是多方面的,其中重要的原因之一就是产品剂型落后,科技含量不高。目前中药大部分为传统剂型如汤剂、丸剂、冲剂等,目前已有部分中药开始应用现代剂型如滴丸、缓释剂型等,但数量少、品种单一,还未形成多品种大生产的规模。随着“中药热”和“纳米热”在全世界的兴起,这两门一古一新的学科,能否有“缘”走到一起来,为中药剂型的改革和创新带来一次机会,为人类的健康事业做出一番贡献,这也是很多中医药工作者十分关心的问题。
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    纳米技术之所以受到全世界科技界的关注,就是因为材料被加工成纳米级后,将有可能改变原来的理化性质,甚至产生一些新的性能特征。也就是说物质材料原有的性能可能被保留,也有可能被强化或被弱化,甚至丧失。这种新形式的材料在其它领域的应用,也许带给人们更多的是兴奋,然而纳米中药在给大家带来兴奋之余,却也令人难免会有几分担心。众所周知,中药比其它一般的加工材料的成分要复杂得多,如果对其进行纳米化处理,一方面可能会使原来的疗效增强,另一方面也有可能减弱;对中药的毒副作用,一方面可能会减弱,另一方面也有可能增加,当然还有可能产生一些新的尚无法预料的对人体不良的影响。

    正是因为中药纳米化后对有效成分和药效学将会带来一些不确定性,因而就有人对纳米中药持一种否定态度,提出要谨慎行事,否则将得不偿失。其实,即使是非纳米化的传统中药,我们又何尝不需要“谨慎行事”呢?反对也好,赞成也罢,这其实是一个对新生事物的认识观念和认识方法的问题,因为任何一个事物都包含着矛盾的两个方面,纳米技术也是这样,它既会给人们带来新性能、新特效的惊喜,也就有可能带来一些我们并不希望有的东西,关键是使用者如何取舍和利用,而不能因为它有一些好的特性和不好的作用就简单地予以肯定或否定。
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    如果我们只将纳米中药当作一种新的或较为特殊的加工形式来看待,也许以上的认识问题也就解决了。在传统中药加工中,同一种中药采用不同的炮制方法,会产生不同的性能特征,只是在使用时要根据不同的需要,加以区别应用。由于我们对传统中药的加工方法已经有了较为深入的认识,并取得了十分丰富的临床应用经验,因而对这种不同加工方法制成的药物予以不同用法的方式已经习以为常。然而,我们对中药纳米化形成的产品,不仅理论上认识不够,而且有价值的药效学研究基本上尚未全面开展,临床应用几乎还是空白,在这种情况下对纳米中药产生一些异议,也就不足为奇了。因此,加强对中药纳米技术的实验和临床应用研究,这是发展纳米中药产业的当务之急。

    综上所述,我们认为不能因为纳米中药存在的一些不确定性,就去否定这一技术,所谓的不确定性只是暂时的,随着人们对纳米中药的深入研究,不确定性必定会被逐渐转化成可认识性。目前我国的纳米技术与世界上基本处于同步发展水平,纳米中药只是纳米技术在中药加工中的一种应用而已,在这一特殊领域我国独具优势。需要指出的是,如果我们不去研究纳米中药这类新技术,但并不能阻止世界上其他人去研究、去开发,真让别人跑到了我们的前面,不知大家会有何感受?
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    “纳米”将给人类健康带来新希望

    科学家们已经设想,用基因芯片、蛋白质芯片组装成“纳米机器人”,通过血管送入人体去侦察疾病。纳米医学必将涉及到医学信息学、生命信息学的存储和处理,以开发物质潜在的信息结构潜力。人类有可能将强大的存储了人类全部知识的一些纳米计算机安放在人脑中,并使它像神经元那样被人脑所用,或许有一天,图书馆就在我们的头脑内,每一个人都可能成为爱因斯坦、牛顿。携带DNA去更换或修复有缺陷的基因片段,老年性痴呆、记忆丧失等病症将会得到彻底治愈。

    纳米医学也有可能改变人类自身,让人类成为能在天上飞、水中游,能进行光合作用或能在恶劣环境下生存的“超人”。将来,掌握纳米医学技术的医生,不仅能够“修理人”,治疗疾病,而且能够“改造人”,使其具有特殊功能。虽然这些设想有些离奇,但决非是毫无科学根据的幻想。即将进入临床应用的有,利用纳米传感器获取各种生化信息和电化学信息。已经取得重大成果的还有DNA纳米技术(DNA nanotechnology)。
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    纳米器件有可能成为未来保卫人类健康的一支忠实可靠的“卫队”:

    1、纳米生物传感器。用于监测、收集、播送体内细胞的健康状态和病变信息;

    2、纳米药物存储器(药泵)。用于存储、运输指定存储的药物,并按指定的部位存放,即定点给药,其体积可达数个微米;

    3、纳米生物导弹。直接用于治疗各种细胞水平的疾病,对病变组织有亲和力,对病变细胞有杀伤力,可特异性地杀灭肿瘤细胞;

    4、纳米细胞修复器。用于修复细胞内的各种病变,如线粒体、细胞核的病变;

    5、纳米细胞监督器。用于监视免疫细胞、白细胞等细胞正常功能的发挥;

    6、纳米细胞清扫器。帮助清除体内的代谢废物以及外界进入体内的有害物质;
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    7、纳米细胞检疫器。巴西和美国科学家最近发明了世界上最小的“秤”,能够称量10-9克的物体,即相当于一个病毒的重量。利用纳米“秤”可称出不同病毒的重量,以发现新的病毒。

    迎接纳米技术的挑战

    在新经济时代,如果说网络技术是新经济的血管,纳米技术则是新经济的血液。纳米材料作为一种新材料,将引起产业结构的变化,为新经济创造有形财富。纳米技术还是新旧经济的纽带,纳米技术被应用到传统工业领域,将使老产品更新换代。如果说计算机技术拉近了人与人之间的距离,基因技术使人类开始认识和变革自身,那么,纳米技术则为这两大技术的深入发展提供了最精细的工具。

    由纳米技术浪潮带来的新一轮医学技术革命、医学产业化的加速形成,对我国医疗技术既是一次难得的历史发展机遇,又是一次严峻的挑战。如何来把握这次机遇和挑战?对此有专家建议:1广泛和深入地宣传纳米科技,使医学决策部门和部门决策者以及广大医学科技工作者迅速了解和认识到纳米技术对医学的挑战;2加快培养一大批纳米技术与医学交叉研究的基础性人才与纳米技术产业化的专业技术人才;3推进医学科研与产业体制的改革,加快医学纳米技术产业化的进程,使我国已经进入世界科技前沿先进行列的纳米技术迅速向医学领域内推进,以造福于全中国人民和全人类。

    当新世纪来临之际,纳米技术已经在很多领域得到应用,正在向产业化进军。我们一定要充分意识到纳米技术在新经济和综合国力竞争中的分量,因此必须抓住这次难得的发展机遇,勇敢地参加这场世界科技大角逐。, http://www.100md.com