纳米技术的了解范文
时间：2023-12-05 17:19:03
纳米技术的了解篇1
1纳米孔生物技术的改进
从嵌入溶血素蛋白通道对血脂的试验研究开始，研究者们在过去10年中开发和探索了多种类型的纳米孔。α-溶血素是一种能天然性地连接到细胞膜中继而导致细胞溶解的蛋白质，它第一个被用来做成生物纳米孔模型。模型中，一层生物膜将溶液分为2个区域，α-溶血素蛋白嵌入生物膜中形成纳米孔。当DNA分子穿过纳米孔时阻断电流会发生变化，这时灵敏电子元件就能检测电流的变化。但是，由于4种碱基的理化性质比较接近，所以读取序列实际上比想象的困难得多。此外，有效减少电子噪声仍旧是个挑战，通过降低DNA的位移速率可以部分减少噪声。最近出现了新形式的仿生纳米孔，其中包括丝蛋白毛孔[1]和仿生核孔复合物[2]。跨孔形成的侧电极使通过纳米孔转运的生物分子的电子检测成为可能[3]。采用等离子体减薄[4]和离子束雕刻技术[5]得到的超薄纳米孔也被开发出来。通过耦合到纳米孔上的扫描探针显微镜[6]和硅纳米线晶体管[7]，证实了这种使用静电效应和场效应的替代检测方式的可行性。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，目前已经成为制作超薄纳米孔膜材料[8]的首选。石墨烯的带电特性、韧度、原子厚度以及其电子抗渗性能，使得其成为纳米孔DNA序列测序的热点材料。石墨烯薄片膜[9]和自对准碳素电击[10]形成方面的新进展，促进了碳纳米结构与纳米孔技术的整合。对进入纳米孔分子的自动捕捉可实现分子结构和动力学的检测分析。这项改进技术已经应用于对孔泡附近的扩散现象研究，这也是未来生物研究的基础。对金属孔上离子转运的研究，例如金表面的纳米孔[11]，可以作为一种方法用于创建种选择性纳米孔系统[12]，这一系统也是研究者感兴趣的生物分子检测系统。
2纳米孔在生物技术上的应用
迄今为止，DNA是纳米孔研究中最常见的聚合物，脂质嵌入式离子通道检测DNA是这项研究开创性的示范。最近，固态纳米孔已用于检测核小体亚结构的不同[13]以及RNA聚合酶催化DNA转录的关键部分，为了解染色体的结构和转录研究创造了新机遇。生物纳米孔在富含鸟嘌呤的G-四链体检测方面的应用，对基因组学和表观遗传学的发展起着重要的推动作用[14]。脱碱基位点也可以用纳米孔动态检测，通过阻断含离子载体的电解质溶液，高压辅助下的蛋白质易位以及使用配体修饰纳米孔蛋白的不同都得到了论证[15]。某些蛋白质在转运时发生“解压”，转运过程便可用于成为测量解压动力学。许多这种蛋白质的解压行为已经得到了研究，纳米孔可作为无需标记的高效力谱仪[16]动态使用。重要的神经传导物也得到了动态实时区分，以期用于研究大脑对药物的化学反应[17]。与其检测技术相比，纳米孔更具发展前景，其高效、快速且价格低廉，准确度和检测性能良好。其他纳米孔结构为生物领域提供了多种新研究和技术。大型固态纳米孔可以用来动态地捕获释放的细菌，为动态捕获单细胞提供了更快速低廉的方法。使用脂肽包被的固态纳米孔，可以探测到DNA与邻近孔膜的相互作用[18]。热反应聚合物的提出推进了智能纳米孔的发展，智能纳米孔可以作为动态响应温度的装置，电解质刷组成的生物纳米孔可控制孔附近的盐电导。DNA测序纳米孔的研究也取得了进展，一项最新的分子动力学研究显示，运用DNA聚合酶作为棘轮，通过控制石墨烯纳米孔上DNA单链的转运，可获得核苷酸序列的高精读数。使用溶血素中的链霉亲和素可选择性固定DNA链，可高分辨率区分孔上不同几何位置的核酸。P-n半导体结可放慢DNA易位的速度，移位过程中这种半导体结可以动态控制电压。运用新型的基于CMSO的放大器，可实现亚微秒时间内的电流检测。关于DNA测序的理论研究，为解决上述提到的离子电流测定速度的限制问题提出了可行性的建议和方法。模拟显示，石墨烯碳纳米带上的纳米孔可以利用孔隙边缘的电流密度，从而产生较高的分辨率。垂直于纳米通道放置的石墨烯碳纳米带上的电导变化，也被建议作为DNA碱基易位测序设备。
3结语
纳米孔领域持续不断地提供有趣的新孔隙类型和生物技术的新想法。基于折纸技术智能孔隙材料对于可重复性的孔隙结构发展有极大地帮助，而且结合纳米孔合成新技术作为技术支持，这种混合设备将很好地应用于几乎每种生物分子的检测。纳米孔测序技术价格低廉且测序速度较快，这项技术的发展将对遗传疾病的早期筛查和治疗产生深远的影响。
纳米技术的了解篇2
Abstract: Nano technology research and development is a major breakthrough for technology development and has been applied in all areas of society. Using nano technology in mechanical engineering is its core. Its performance are in many aspects. This article attempts to show off the application of nano technology in this area from examples, and comes to the change of traditional mechanical engineering.
关键词: 纳米技术;纳米材料;摩擦性能
Key words: nano technology;nano-materials;friction properties
中图分类号:TH16 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)29-0143-01
0引言
自从1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议上,正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支开始,纳米技术便一步一步进入人们的生活。纳米科技是研究由尺寸在0.1~100 nm之间的物质组成的体系运动规律和相互作用,以及实际应用中的技术问题的科学技术。从材料的结构层次来说,它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。纳米技术不是一门单一的新型学科或者技术,它广泛应用于各类学科中,其中在机械工程中的应用对于机械工程学科的技术变革起到了不可估量的作用。纳米技术运用到机械方面尤其是产生了微型机械技术已经成为21世纪研究的核心技术,很多国家在纳米技术上开始了越来越多的研究,在机械工程方面对于纳米技术的应用主要有以下几方面。
1微型纳米轴承
传统的轴承体积较大,摩擦力也只能靠来减少,但仍不可避免。美国科学家研制的这种几乎没有摩擦的微型纳米轴承主要有两个特点:第一是微型,他的直径只有一根头发的万分之一,应用在机电系统的微型轴承更是只有1nm,是微型机械的千分之一大小。第二是极小的摩擦力。若轴承体积小,那么套在一起的管子之间的摩擦力便会暴露出微型轴承的弱点,摩擦力大时甚至无法使用。这种纳米轴承与通常制造的微型机械的轴承相比,摩擦力仅为其最小值的千分之一。
2纳米材料运用
合肥大学研制成功了纳米新型陶瓷刀具,这标志着利用纳米材料制作新型金属陶瓷刀具的问世。这项研究史载金属弹词中加入了纳米氧化钛从而细化品粒。因为对于品粒的细化可以增加材料的硬度和甚至断裂任性。同时,这种纳米技术的应用也大大优化了其力学性能,纳米材料加入到传统的金属陶瓷中对其力学性能来说是个很大的提供,刀具的寿命也提高到2倍以上。
3纳米技术马达
新一代的纳米技术马达是由美国Nano Muscle公司生产,这种微型马达首次在深圳面世,该产品体积只有传统电磁马达体积的二十分之一,长度甚至比火柴杆还短,却能负载四千克的重量,寿命可达100万次。这种马达主要是用纳米技术制造的智能材料代替传统的铜线圈和磁铁,因而比传统马达更轻、成本更低,同时噪音很低,可以成为世界上最静音的马达。这种微型马达在机械中运用不多,主要用于玩具和汽车的电动车窗,这项研究也已在深圳进行研发和生产。
4纳米磁性液体用于旋转轴的动态密封
通常静态的密封都是采用橡胶、塑料或金属等材料制成的“O”形环作为密封元件。旋转条件下的动态密封一直是未能解决的问题,无法在高速、高真空条件下进行动态密封。纳米技术的出现促进了磁性液体密封技术的产生。南京大学已试制成水基、烷基、二脂基、硅油等多种类型的磁性液体。在电子计算机的硬盘转处已普遍采用磁性液体的防尘密封,除此之外磁性液体还可于制造新型剂,巧妙利用磁场原理改善效果。纳米技术在机械工程中的应用举不胜举,通过以上这些新型技术的产生,我们不难看出纳米技术对于机械工程的发展有着深远影响。同时,相对于传统机械工程来说,也正是因为纳米技术有很多优势才能取得这样显著的成果。
第一,纳米技术的尺寸效应。纳米技术的主要效果之一便是缩小了传统尺寸的单位,将毫米进化为纳米,一纳米相当于十亿分之一米。纳米技术应用在机械中,可以大大降低机械的体积,从而形成了新型机械――微型机械。这种不是传统机械单纯地在尺度上微小型化,而通常是指可以成批制作的集合微机构、微驱动器、微能源以及微传感器和控制电路、信号处理装置等于一体的微型机电系统。他们大部分都是运用纳米技术的成果,因而它远远超出了传统机械的概念和范畴,而是基于现代科学技术,并作为整个纳米科技重要组成部分和用一种崭新的思维方式与技术路线指导下的产物。
第二,纳米技术使材料多元化,应用多元化。纳米技术是原材料形成更微小的形态,功能也更加强大,不仅能改良传统材料,又能源源不断地产生出新的材料。磁性液体密封技术便是证明,利用磁性液体可以被磁场控制的特性,将纳米单位的液体置于磁场之内,从而达到密封的效果。同时在材料运用中可将微量的元素融入到基础材料中,达到更好的效果。纳米复合氧化锆是成功应用在工业上的纳米材料,这种材料提高了材料的耐高温性能和导氧及储氧功能,因此广泛运用于汽车发动机系统中。
第三,纳米材料摩擦性能。纳米技术最显著的特性就是其擦性能,在机械中,各种轴承等都存在着摩擦,但是纳米材料的出现,使得各类机械结构尺寸便小,同时对于过小的零件,摩擦力便显的尤为重要,摩擦力如果相对较大,则零件便会造成磨损。但是纳米技术也同样克服了这一问题,现已出现纳米材料几乎无摩擦的状态。美国科学家研制的这种微型纳米轴承可在运动是无磨损和撕裂,达到了理想的效果。
第四,纳米技术节能效果。纳米技术实现了“小材大用”,带来的又一优势便是节能和环保。在纳米技术的应用中,产生了很多新型材料,它们减少了很多不必要的消耗,使得传统的机械工程中需要的大量材料迅速降低,对于原材料的节约起到了惊人的效果。德国不莱梅应用物理所已研制成功并且申请了一项专利,即用纳米Ag代替微米Ag制成导电胶,可节省Ag粉50%,用这种导电胶焊接金属和陶瓷,涂层不需太厚,而且涂层表面平整,效果理想。
纳米材料在机械工程中改变甚至颠覆了传统模式的运转,显示了其强大的科技含量,但是在其运用中,我们仍有很多方面亟待解决:如何准确表征纳米材料的各种精细结构;怎样从结构上分析、解释纳米材料的新特性;能否利用某种标准来预测微区尺寸减少到多大时,材料表现出特殊的性能等等。对于这些问题,我们仍需深入研究,以便纳米技术更好地服务于机械工程领域。
参考文献:
[1]佟鹏,高建强,王兵树,曹文亮.纳米技术的研究与应用.能源研究与信息,2002,(3).
纳米技术的了解篇3
关键词 纳米技术；水处理；TiO2光催化剂
中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)021-0163-01
纳米技术是20世纪90年代出现的一门新技术，介于纳米材料能够吸收水体中某些特殊的有机物，研究学者将纳米科技引入到现代水处理中，表现出良好的应用前景。
1 传统的污水处理技术
工业生产、生活废水中常常含有大量的有机物、泥沙、细菌等物质，甚至有些物质有巨大的毒性，为了除去这些有害物质，我国常用的传统方法有物理法、化学法和生物法。
1）物理法。物理法，顾名思义就是利用物理沉降、过滤等手段将污水中的悬浮污染物、泥沙等杂质除去，常用的物理法有沉淀法、过滤法、离心法、气浮法、蒸汽冷凝法等。
2）化学法。化学法就是在污水中加入某种化学试剂，利用化学反应来分离或者转化污水中的杂质及有毒物质，常用的化学法有中和法、吸附法、混凝法、化学沉淀法、化学氧化法、离子交换法等。
3）生物法。生物法就是利用某种微生物分解废水中的某种特定有机污染物，根据微生物的类别，生物法可以分为好氧生物处理和厌氧生物处理。
上述污水处理方法是我国常用的污水处理技术，这类污水处理方法的效果差、成本高，有些处理手段可能出现二次污染等问题，降低了污水处理的效果。而纳米技术的出现，以及其在水处理中的研究发展，可以提高污水处理技术水平。
2 纳米技术和纳米材料在世界的发展情况
纳米材料和纳米技术的出现，给未来高新技术的发展提供了一个很好的研究手段，各个国家都非常重视纳米技术的研究。美国国家基金委员会（NSF）在1998年对纳米功能材料进行了大量研究，并对其加工和合成作为重要的基础研究项目；日本在近7年以来制定了大量的纳米科技研究项目，如Oglala计划、量子功能器件的原理研究等；德国科研技术委员会也制定了发展纳米科技的计划。这都说明国外对纳米材料的研究都非常重视，在今后一段时间内都是国际研究热点和方向。
我国从“八五”期间以来，对纳米材料的研究取得了非常丰富的成果：如：①大面积定向碳管阵列合成；②超长纳米碳管；③硅衬底上纳米管阵列等，但是我国纳米科技水平与国外还是有一些差距的，尤其是欧美国家，但是由于我国科研队伍梯队完善，基础研究在国际上也具有一定地位，为我国纳米材料研究奠定的基础。
3 纳米催化剂在水处理中的应用
1）纳米材料作催化剂的优点及光催化原理。纳米材料的尺寸非常小，1 nm=10-9 m，这么小的颗粒比表面积非常大，并且颗粒表面的键态与电子态与颗粒内部有很大区别，表面原子配位不全会导致表面的活性位置增加，表现出催化特性。对纳米材料表面特性进行研究发现，随着粒径的减少，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，提高了水处理中化学反应的接触面。研究学者对超微粒进行研究发现，其作为催化剂能够提高化学反应的效果。光催化材料具有无污染，使用方便、节约能源等优点，其中半导体的光催化效应是指：在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴会将周围环境的羟基电子吸引过来，使得羟基变为自由基，成为强氧化剂，将酯类最终变成CO2，保证有机物能够完全降解，但是采用这种光催化剂在催化过程中半导体的能隙不能太宽也不能太窄，否者光催化效应的效果不好。
2）TiO2光催化剂的优缺点和纳米TiO2的优势。TiO2具有良好的光催化效果，是水处理常用的光催化剂，其主要特点为：催化条件简单，只需要太阳光即可，光催化剂吸收太阳光中的紫外线，表现出较强的氧化性；在酸碱性变化较大的污水中也能保证稳定性；污水处理中不产生有毒物质和有毒气体。
但是由于TiO2的禁带宽度为3.2 eV，只能吸收太阳光中波长＜387 nm的紫外线，光利用率低，另外TiO2的光量子效率也很低，有待进一步提高。研究学者发现纳米TiO2材料比一般的半导体材料的催化效果好，主要是因为：①由于量子尺寸效应使得导电和价带能级变成了分立级能，能隙变宽，导电电位变得更低，但是价带电位变得更高，使得纳米材料表现出更强的氧化效果和还原能力；②由于纳米半导体粒子的粒径非常小，能够通过扩展效应从粒子内迁移到表面，有利于得到或失去电子，保证氧化反应的正常进行。
3）纳米TiO2在水处理中的应用。纳米科技的发展为人类治理环境开辟了一条行之有效的新途径。
①有机污染物的处理。在太阳光的照射下，纳米TiO2通过产生的电子和空穴，表现出强还原性和氧化性，提高有机物降解的速度，氧化的产物为CO2、H2O等一些简单的无机物。目前纳米TiO2能够氧化一些脂肪酸、芳香酸和酚类等有机物，也能降解燃料、除草剂、杀虫剂和表面活性剂等一类物质。在利用纳米材料进行光催化过程中，纳米TiO2作为空心小球，当有机物通过这些小球时就会附着在上面，利用太阳光中的紫外线完成降解过程。
②无机污染物的处理。除有机物外，许多无机物在纳米表面也具有光化学活性，例如对Cr2O72-离子水溶液的处理，利用TiO2悬浮粉末经光照将Cr2O72-还原为Cr3+对含氰废水的处理，以TiO2光催化剂将CN-氧化为OCN-，再进一步反应生成CO2、N和NO3-；用Ti02光催化法可从Au(CN)4中还原Au，同时氧化CN-为NH3和CO2，该法可用于电镀工业废水的处理。不仅能还原镀液中的贵金属，而且还能消除镀液中氰化物对环境的污染，是一种有实用价值的处理方法。大量试验结果表明，纳米TiO2光催化反应对于工业废水具有很强的处理能力。但值得一提的是，由于光催化反应是基于体系对光能量的吸收，因此要求被处理体系具有良好的透光性。对于高浓度的工业废水，若杂质多、浊度高、透光性差。反应则难以进行。因此该方法在实际废水处理中，适用于后期的深度处理。
③微生物的灭杀。纳米TiO2微粒本身对微生物无毒性，当他们聚集在一起形成一定规模后才会对微生物造成一定危害。纳米TiO2光催化可以通过直接或间接方式消灭微生物，直接方式主要是利用太阳光激发TiO2，使得纳米材料出现光生电子和光生空穴，直接导致细胞壁、细胞膜破损，细胞因为功能性单元失活而出现细胞坏死。在悬浮液体中，TiO2颗粒可以吸附在微生物的表面，或者被生物体细胞吞噬，这些纳米TiO2颗粒利用产生的光生空穴和活性氧化直接与细胞内的组分发生化学反应，使得细胞失活。由于太阳光激发TiO2颗粒产生空穴具有非常强的氧化效果，并且生成的活性物质具有很强的反应活性。因此，不论是在悬浮液中还是在光阳极表面，太阳光激发TiO2颗粒均能够杀死乳酸杆菌、面包酵母菌、大肠杆菌以及海拉细胞、T24细胞等。
纳米技术作为21世纪前沿科学能够在环境保护中表现出极大的应用前景，可以预见，随着纳米技术研究的不断深入和实用化进程的加快，纳米水处理技术将在本世纪得到充分的发展，在污水处理中取得令人振奋的成果。
参考文献
[1]乔仁桂,崔德明,纳米技术的发展及纳米催化剂在水处理中的应用[J].能源与环境,2007.
[2]梁奇峰,曾育才.纳米技术及其在水处理中的应用[J].广州化工,2004.
纳米技术的了解篇4
在电子技术中应运中，近似计算贯穿其始终。然而，没有近似计算是不可想象的。而精确计算在电子技术中往往行不通，也没有其必要。尽管近似计算会引入一定的误差，但这个误差控制得好，不会对分析其它电路产生大的影响。所以关键在于我们如何掌握，特别是如何应用近似计算。
在工作点稳定电路中的应用要进行静态分析，就必须求出三极管的基电压，必须忽略三极管静态基极电流。这样，我们得到三极管的基射电子的相关过程及结论。
二、纳米电子技术急需解决的若干关键问题
由于纳米器件的特征尺寸处于纳米量级，因此，其机理和现有的电子元件截然不同，理论方面有许多量子现象和相关问题需要解决，如电子在势阱中的隧穿过程、非弹性散射效应机理等。尽管如此，纳米电子学中急需解决的关键问题主要还在于纳米电子器件与纳米电子电路相关的纳米电子技术方面，其主要表现在以下几个方面。
（1）纳米Si基量子异质结加工
要继续把现有的硅基电子器件缩小到纳米尺度，最直截了当的方法是采用外延、光刻等技术制造新一代的类似层状蛋糕的纳米半导体结构。其中，不同层通常是由不同势能的半导体材料制成的，构建成纳米尺度的量子势阱，这种结构称作“半导体异质结”。
（2）分子晶体管和导线组装纳米器件即使知道如何制造分子晶体管和分子导线，但把这些元件组装成一个可以运转的逻辑结构仍是一个非常棘手的难题。一种可能的途径是利用扫描隧道显微镜把分子元件排列在一个平面上；另一种组装较大电子器件的可能途径是通过阵列的自组装。尽管，PurdueUniversity等研究机构在这个方向上取得了可喜的进展，但该技术何时能够走出实验室进入实用，仍无法断言。
（3）超高密度量子效应存储器
超高密度存储量子效应的电子“芯片”是未来纳米计算机的主要部件，它可以为具备快速存取能力但没有可动机械部件的计算机信息系统提供海量存储手段。但是，有了制造纳米电子逻辑器件的能力后，如何用这种器件组装成超高密度存储的量子效应存储器阵列或芯片同样给纳米电子学研究者提出了新的挑战。
（4）纳米计算机的“互连问题”
一台由数万亿的纳米电子元件以前所未有的密集度组装成纳米计算机注定需要巧妙的结构及合理整体布局，而整体结构问题中首当其冲需要解决的就是所谓的“互连问题”。换句话说，就是计算结构中信息的输入、输出问题。纳米计算机要把海量信息存储在一个很小的空间内，并极快地使用和产生信息，需要有特殊的结构来控制和协调计算机的诸多元件，而纳米计算元件之间、计算元件与外部环境之间需要有大量的连接。就现有传统计算机设计的微型化而言，由于电线之间要相互隔开以避免过热或“串线”，这样就有一些几何学上的考虑和限制，连接的数量不可能无限制地增加。因此，纳米计算机导线间的量子隧穿效应和导线与纳米电子器件之间的“连接”问题急需解决。
（5）纳米/分子电子器件制备、操纵、设计、性能分析模拟环境
当前，分子力学、量子力学、多尺度计算、计算机并行技术、计算机图形学已取得快速发展，利用这些技术建立一个能够完成纳米电子器件制备、操纵、设计与性能分析的模拟虚拟环境，并使纳米技术研究人员获得虚拟的体验已成为可能。但由于现有计算机的速度、分子力学与量子力学算法的效率等问题，目前建立这种迅速、敏感、精细的量子模拟虚拟环境还存在巨大困难。
三、交互式电子技术手册
交互式电子技术手册经历了5个发展阶段，根据美国国防部的定义：加注索引的扫描页图、滚动文档式电子技术手册、线性结构电子技术手册、基于数据库的电子技术手册和集成电子技术手册。目前真正意义上的集成了人工智能、故障诊断的第5类集成电子技术手册并不存在，大多数电子技术手册基本上位于第4类及其以下的水平。需要声明的是，各类电子技术手册虽然代表不同的发展阶段，但是各有优点，较低级别的电子技术手册目前仍然有着各自的应用价值。由于类以上的电子技术手册在信息的组织、管理、传递、获取方面具有明显的优点。
简单的说，电子技术手册就是技术手册的数字化。为了获取信息的方便，数字化后的数据需要一个良好的组织管理和提供给用户的形式，电子技术手册的发展就是围绕这一过程来进行的。
四、电子技术在时间与频率标准中的应用
时间和频率是描述同一周期现象的两个参数，可由时间标准导出频率标准，两者可共用的一个基准。
1952年国际天文协会定义的时间标准是基于地球自转周期和公转周期而建立的，分别称为世界时（UT）和历书时（ET）。这种基于天文方面的宏观计时标准，设备庞大，操作麻烦，精度仅达10-9。随着电子技术与微波光谱学的发展，产生了量子电子学、激光等新技术，由此出现了一种新颖的频率标准——量子频率标准。这种频率标准是利用原子能级跃迁时所辐射的电磁波频率作为频率标准。目前世界各国相继作成各种量子频率标准，如（133Cs）频标、铷原子频标、氢原子作成的氢脉泽频标、甲烷饱和以及吸收氦氖激光频标等等。这样做后，将过去基于宏观的天体运动的计时标准，改变成微观的原子本身结构运动的时间基准。这一方面使设备大为简化，体积、重量大减小；另一方面使频率标准的稳定度大为提高（可达10-12—10-14量级，即30万年——300万年差1秒）。1967年第13届国际计量大会正式通过决议，规定：“一秒等于133Cs原子基态两超精细能级跃迁的9192631770个周期所持续的时间”。该时间基准，发展了高精度的测频技术，大大有助于宇宙航行和空间探索，加速了现代微波技术和雷达、激光技术等的发展。而激光技术和电子技术的发展又为长度计量提供了新的测试手段。
总之，在探讨了近似计算在静态分析中的应用问题、纳米电子技术急需解决的若干关键问题和交互式电子技术应用手册后，广大科技工作者对电子技术在时间与频率标准中的应用知识的初步了解和认识。在当代高科技产业日渐繁荣，尖端信息普遍进入我们生活之中的同时，国家经济建设和和谐社会的构建离不开我们科技工作者对新理论的学习和新技术的应用，因此说，本文具有深刻的理论意义和广泛的实际应用价值是不足为虚的。
【参考文献】
[1]张凡，殷承良《现代汽车电子技术及其在仪表中的应用[J]客车技术与研究》，2006（01）。
[2]李建《汽车电子技术的应用状况与发展趋势》[J]，《汽车运用》，2006（09）。
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[4]刘艳梅《电子技术在现代汽车上的发展与应用》[J]，《中国科技信息》，2006（01）。
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[6]黄军辉，张南峰，管卫华《创办汽车电子技术专业——适应现代汽车技术的发展之路》[J]，《广东农工商职业技术学院学报》，2006（01）。
[7]巨永锋《汽车电子技术的发展趋势》[J]，《现代电子技术》，2003（09）。
【论文关键词】电子技术；理论与应用；近似计算；静态分析
纳米技术的了解篇5
【关键词】 纳米技术； 中药制剂； 中药现代化
【Abstract】 To introduce the definition and characteristic of nanometer Chinese drugs， and the development of nanometer Chinese drugs pharmaceutics. Problems and prospects of nanometer Chinese drugs pharmaceutics were discussed.
【Key words】 nanotechnology； Chinese drugs pharmaceutics； Modernization of Traditional Chinese Medicine
纳米即十亿分之一米，相当于10个氢原子排成直线的长度。纳米技术(nanotechnology)是指在纳米尺度下对物质进行制备、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［1］。纳米技术作为高新技术，可广泛应用于材料学、电子学、生物学、医药学、显微学等多个领域，并起着重要的作用。1998年，徐辉碧教授等［2］率先提出了“纳米中药”的概念，进行了卓有成效的探索。纳米中药是指运用纳米技术制造的、粒径小于100nm的中药有效成分、有效部位、原药及其复方制剂。因纳米材料和纳米产品在性质上的奇特性和优越性，将增加药物吸收度，建立新的药物控释系统，改善药物的输送，替代病毒载体，催化药物化学反应和辅助设计药物等研究引入了微型、微观领域，为寻找和开发医药材料、合成理想药物提供了强有力的技术保证。运用纳米技术的药物克服了传统药物许多缺陷以及无法解决的问题。将纳米技术应用于中药领域是中药现代化发展的重要方向之一。
1 纳米中药的特点
1.1 原药纳米化后呈现新的药效或增强原有疗效中药被制成粒径0.1～100 nm大小，其物理、化学、生物学特性可能发生深刻的变化，使活性增强和/或产生新的药效。如灵芝通过纳米级处理，可将孢子破壁，并采用超临界流体萃取技术萃取出灵芝孢子的脂质活性物质，从而增强抗肿瘤的功效。
1．2 改善难溶性药物的口服吸收
在表面活性剂、水等存在下，直接将药物粉碎成纳米混悬剂，增加了药物溶解度，适于口服、注射等途径给药，以提高生物利用度。
1．3 增加药物对血脑屏障或生物膜的穿透性
纳米粒能够穿透大粒子难以进入的器官组织、血脑屏障及生物膜。如阿霉素α聚氰基丙烯酸正丁酯纳米粒(NADM)可以改变阿霉素的体内分布特征，对肝、脾表现出明显的靶向性，而血、心、肺、肾中的药物分布则减少。
1．4 靶向作用
徐碧辉教授等在研究中发现，一味普通的中药牛黄，加工到纳米级水平后，其理化性质和疗效会发生惊人的变化，甚至可以治疗某些疑难杂症，并具有极强的靶向作用。
1.5 使药物达到缓释、控释
借助高分子纳米粒作载体等技术手段，可实现药物的缓释、控释。如雷公藤乙酸乙酯提取物固体纳米脂质粒有良好的缓释、控释功能。
2 纳米中药的制备技术及其进展［3］
纳米中药的制备是研究纳米中药最基础的，也是最重要的问题。将纳米技术引入中药的研究，必须考虑中药组方的多样性、成分的复杂性，例如中药单味药可分为矿物质、植类药、动物药和菌物药等，中药的有效部位和有效成分又包括无机化合物和有机化合物、水溶性成分和脂溶性成分等，因此，针对不同的药物，在进行纳米化时必须采用不同的技术路线。此外，还必需考虑中药的剂型。纳米中药与中药新制剂关系十分密切，如何在中医理论的指导下进行纳米中药新制剂的研究，将中药制成高效、速效、长效、剂量小、低毒、服用方便的现代化制剂，也是进行中药纳米化所必须考虑的问题。纳米中药是针对中药的有效成分或有效部位进行纳米技术加工处理，开发中药的新功效。聚合物纳米粒可作为药物纳米粒子和药物纳米载体。药物纳米载体系指溶解或分散有药物的各种纳米粒，药物纳米载体包括纳米脂质体、固体脂质纳米粒以及纳米囊和纳米球。而对于不同类型的纳米中药，有不同的制备方法。
2.1 药物纳米粒子的制备
药物纳米粒子的制备是针对组成中药方剂的单味药的有效部位或有效成分进行纳米技术加工处理。在进行纳米中药粒子的加工时，必须考虑中药处方的多样性、中药成份的复杂性。
纳米超微化技术［4］，是改进某些药物的难溶性或保护某些药物的特殊活性，适用于不宜工业化提取的某些中药。如矿物药、贵重药、有毒中药、有效成分易受湿热破坏的药物、有效成分不明的药物。目前比较常用的是超微粉碎技术。所谓超微粉碎是指利用机械或流体动力的途径将物质颗粒粉碎至粒径小于10 μm的过程。根据破坏物质分子间内聚力的方式不同，目前的超微粉碎设备可分为机械粉碎机、气流粉碎机、超声波粉碎机。
机械粉碎法［5］是利用机械力的作用来实现粉碎目的。边可君等采用自主开发的温度可控(-30～-50℃)的惰性气氛高能球磨装置系统制备纳米石决明。将石决明置于配有深冷外套的惰性气氛球磨罐中，同时装入磨球，磨球与石决明粉比保持在15：1～5：1范围，控制高能球磨机的转速(200～400 r／min)和时间(2～60 h)，获得了平均粒度不大于100 nm的石决明粉末。
气流粉碎法［6］是以压缩空气或过热蒸汽通过喷嘴产生的超音速高湍流气流作用为颗粒的载体。颗粒与颗粒之间或颗粒与固定板之间发生冲击性挤压、摩擦和剪切等作用，从而达到粉碎的目的。与普通机械冲击式超微粉碎机相比，气流粉碎产品粉碎更细，粒度分布范围更窄。同时气体在喷嘴处膨胀降温，粉碎过程中不会产生很大的热量。所以粉碎温升很低。这一特性对于低融点和热敏性物料的超微粉碎特别重要。世界上首项将纳米技术应用于中药加工领域的纳米级中药微胶囊生产技术，是通过对植物生理活性成分和有效部位进行提取。并用超音速干燥技术制成纳米级包囊。利用这项技术生产出的甘草粉体和绞股蓝粉体。经西安交通大学材料科学工程学院金属材料强度国家重点实验室和第四军医大学基础部药物化学研究室鉴定，均达到了纳米级。其中甘草微胶囊微粒平均粒径为19 nm。这样的纳米粒可跨越血脑障碍，实现脑位靶向［6］。
中药纳米超微化技术既丰富了传统的炮制方法，又能为中药的生产和应用带来新的活力。纳米产品目前已成为中药行业新的经济增长点。将这项技术应用于中药行业可以开发具有更好疗效、更优品种的纳米中药新产品。这将对中药行业的发展带来深远的理论和现实意义。
2.2 药物纳米载体的制备
药物纳米载体的制备主要是选择特殊的材料，它们应具备以下特征：性质稳定，不与药物产生化学反应，无毒，无刺激，生物相容性好，不影响人的正常生理活动，有适宜的药物释放速率，能与药物配伍，不影响药物的物理作用和含量测定；有一定的力学强度和可塑性(即易于形成具有一定强度的纳米粒，并能够完全包封药物或使药物较完全的进入到微球的骨架内)；具有符合要求的黏度、亲水性、渗透性、溶解性等性质。这与所用药物的性质、给药方式有关［7］。近年来，可生物降解的高分子载体材料被认为是很有潜力的药物传递体系，因为它们性能多样，适应性广，且具有良好的药物控制性质，达到靶向部位的能力及经口服给药方式能够传递蛋白质、肽链、基因等药物的性能。常见的高分子材料有淀粉及其衍生物、明胶、海藻酸盐、蛋白类、聚酯类等。
对于纳米中药载体，目前常用的是纳米包复技术［8］。纳米包复化学药品和生物制品的技术在世界药学领域是最受关注的前沿技术之一。根据待包复的中药的性质不同，可选取不同的纳米包复技术，得到纳米中药。毛声俊等［9］采用3琥珀酸3O硬脂醇甘草次酸酯作为导向分子，采用乙醇注入法制备了甘草酸表面修饰脂质体，作为肝细胞主动靶向给药的载体。杨时成等［10］采用热分散技术将喜树碱制成poloxamer188包衣的固体脂质纳米粒混悬液。陈大兵等［11］用“乳化蒸发—低温固化”法制备紫杉醇长循环固体脂质纳米粒，延长了药物在体内的滞留时间。
此外，还有乳化聚合法［12］、高压乳匀法［13］、聚合物分散法等。制备成纳米微粒载体系统的中药多为单一有效成分，如抗肝癌或肝炎药物：蓖麻毒蛋白、猪苓多糖、斑蝥素、羟喜树碱、黄芪多糖等；抗感染药：小檗碱等；消化道疾病药：硫酸氢黄连素等；抗肿瘤药：秋水仙碱、高三尖杉酯碱、泰素等；心血管疾病药：银杏叶有效成分等；其它还有鹤草酚、苦杏仁苷等。也有将多种中药成分复合后制备纳米微粒载体系统的，如口服结肠靶向给药系统——通便通胶囊，其主药成分为3种极性相似的火麻仁油、郁李仁油和莱菔子油的混合油。还有将中药复合西药后制备纳米微粒载体系统的，如多相脂质体1393，其主要成分为氟脲嘧啶、人参多糖和油酸等；中药复方“散结化瘀冲剂”浸膏和5氟脲嘧啶(5FU)相结合后制备的磁性微球制剂也属此列。总之，不同的制备技术和工艺适合不同种类纳米中药的制备。
3 问题与展望
尽管目前纳米技术的研究进展一日千里，纳米技术的飞速发展将有可能使中药的现代化迈上一个台阶，但是，目前纳米中药的研究尚处于基础阶段，纳米中药的制备技术也很不成熟，有许多问题仍需进一步研究。纳米粒制备时，载体材料多为生物降解性的合成高分子，在体内降解较慢，连续给药会产生蓄积，且降解产物有一定的毒性。另外有毒有机溶剂、表面活性剂的应用都给纳米控释系统的产业化带来了较大的困难。美国Rice大学生物和环境纳米技术中心(CBEN)主任Vicki Colvin认为至少有两点需要引起重视：“一是纳米材料微小，它们有可能进入人体中那些大颗粒所不能到达的区域，如健康细胞。二是对比普通材料纳米量级性质会有所改变” 。也就是很有可能在粒径减小到一定程度时，原本可视为无毒或毒性不强的纳米材料开始出现毒性或毒性明显加强，例如改变纳米材料表面的电荷性质，改变纳米材料所处的物理化学环境，相同的纳米材料可能会出现不同的毒性，纳米材料在生物体内可能会出现特殊的代谢情况，并且可能会与某些特定部位的器官或者组织细胞进行作用进而使其带来某些特而且纳米化后中药有效成分和药效学的不确定性，将给药物质量的稳定可控留下隐患。另外纳米中药的范围应有所限制，当一种中药粉碎到了纳米级时，药效可能会发生改变，不能为获得纳米微粒而损坏了药物的有效成分。目前对中药的微观研究尚不深入，对其有效成分与非有效成分还认识不清，仓促对其纳米化处理有可能得不偿失。在目前这个时期，进行商品化的纳米中药生产为时尚早。而应该进行开发纳米中药的制备技术研究并建立一整套纳米药理、药效和毒理学的理论与系统评价方法。
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纳米技术的了解篇6
1.1细胞分离与染色
纳米细胞分离技术的出现有助于解决生物医学中快速获取细胞标本的难题。将15~20nm的SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液中,利用梯度原理,通过离心技术快速分离所需要的细胞[1]。用这种方法很容易将怀孕仅8周左右的孕妇血样中极少量的胎儿细胞分离出来,通过对其染色体的分析,判断胎儿是否有遗传缺陷。应用纳米免疫磁珠检测早期肺癌患者循环血液中的肿瘤细胞,可以监测肺癌的转移情况[2]。
纳米颗粒也为建立新的细胞染色技术提供了新的途径。段箐华等[3]用联吡啶钌配合物[Ru(Ⅱ)(bpy)3]2+、异硫氰酸罗丹明B(TRITC)、异硫氰酸荧光素等荧光分子标记SiO2纳米颗粒,实现了体外对B淋巴细胞、肝癌细胞、早期凋亡乳腺癌细胞、系统性红斑狼疮细胞的特异性识别。异硫氰酸荧光素标记的SiO2纳米颗粒表面接特异抗体,可用于免疫学检测[4]。
1.2纳米造影剂
无机纳米粒子因其形状、尺寸和组成的不同而具有独特的物化性能,可用作新型生物造影材料,能提供良好的检测信号对比度和生物分布度,提高诊断效率,并有望将现有的解剖学层面的造影技术推向分子水平,即“分子造影”[5-7]。纳米造影剂一般需要3个组成部分:(1)无机纳米粒子核,如金、氧化铁等,用以实现造影增强效果;(2)水可分散的壳层,如聚乙二醇等,用以提高无机纳米粒子核的溶液稳定性;(3)赋予靶向功能的生物活性分子,如蛋白、多肽和抗体等。
高分子修饰的氧化铁纳米粒子,如葡聚糖包裹的超顺磁性氧化铁纳米粒子已被用于临床以提高解剖学层面的磁共振造影[8],也被用于分子造影[9]。传统的检测方法对Ⅰ、Ⅱ期癌症检出率小于15%,使用高磁共振对比度的造影剂能够提高早期癌症的检出率。例如,乳腺癌细胞过度表达人上皮增长因子受体2基因(HER2/neu)[10],将磁性纳米粒子(MNPs)偶联上HER2的抗体赫赛汀,就可以将SK-BR-3乳腺癌细胞检测出来[11]。用MNPs偶联赫赛汀探针还可以测出不同细胞的HER2表达量[12]。同样,可以用偶联了rch24抗体的Fe3O4靶向癌胚抗原来诊断结肠癌[13];用偶联了HmenB1抗体的FePt-Au来靶向成神经细胞瘤细胞(CHP134)过度表达的聚唾液酸(PSA)[14]。合金MNPs,如FePt@CoS2等兼具造影和治疗功能。
FeP@tCoS2纳米粒子被HeLa细胞摄入以后,在癌细胞的酸性环境中释放出的Pt+能导致癌细胞凋亡[15]。SiO2@Fe3O4@Au纳米粒子可以用于磁共振造影和治疗,当其与抗HER2基因抗体偶联后有明显的T2加权造影效果,再加上持续的光照,由金壳产生的能量能将癌细胞杀死,起到治疗作用[16]。
金纳米粒子因为其独特的表面等离子共振效应被用作光学造影剂和传感器[17-19]。利用金纳米粒子的表面易于功能化的特性,El-Sayed等[20]在金纳米粒子表面偶联表皮生长因子抗体(anti-EGFR),使金纳米粒子靶向富集在表皮生长因子高表达的口腔上皮癌HOC313细胞上。与普通上皮细胞HaCaT相比,经表面改性的金纳米粒子在HOC313细胞中表现出了更清晰的造影效果。以壳聚糖为纳米载体的复合微球成功地将包覆的金纳米粒子与药物一同送入细胞核,起到了细胞核给药和细胞核造影的双重功能,实现了金纳米粒子的多功能化[21-22]。
半导体纳米粒子(又称量子点)已经被用作荧光探针,用于细胞标记和光学探针[23-24]。美国华盛顿大学的研究人员用蛋白将一个量子点内核包裹在一个直径为3nm的超薄金壳中,使两部分的光电特性不受彼此的干扰,从而首次实现了将半导体和金属纳米粒子结合在一起而仍能保留各自的功能,量子点可用于荧光成像,金球则可用于散射成像。
1.3纳米传感器和新型纳米诊断技术
虽然对纳米传感器的研究时间较短,但其优点是不容置疑的。由生物大分子构成,利用化学能进行机械做功的分子马达纳米传感器,使其尖端插入活细胞内而又不干扰细胞的正常生理过程,来获取活细胞内多种反应的动态化学信息、电化学信息。如利用ATP酶作为分子马达的纳米传感器能进入人体细胞,完成在人体细胞内监测和药物释放等任务,可以连续监测体内代谢变化,对肺部小血管内NO和CO的监测结果对于高血压和心血管疾病的诊断和治疗具有重要意义[25]。其他的分子马达还包括RNA聚合酶、肌球蛋白和驱动蛋白等[26]。在糖尿病治疗中可将纳米生物传感器置于真皮层检测葡萄糖水平,从而指导给药。斯坦福大学的科学家最近利用纳米科技及电磁效应发明了一种生化传感器,这种传感器可以及早发现癌症的早期症状,利于对患者及时进行治疗。
随着隧道扫描显微镜和原子力显微镜的问世,人们能够在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系,并动态获取生命信息[27]。利用原子力显微镜可以在纳米水平揭示肿瘤细胞的形态特点,通过寻找特异性的纳米结构改变实现对肿瘤的早期诊断,从而解决肿瘤诊断的难题[28]。
2纳米药物载体和纳米药物
纳米药物与传统的分子药物(molecularmedicine)的根本区别在于它是颗粒药物(particulatemedicine)。广义的纳米药物可分为两类:一类是纳米药物载体,即指溶解或分散有分子药物的各种纳米颗粒,如纳米球、纳米囊、纳米脂质体等。二是纳米药物,即指直接将原料药物加工成的纳米颗粒,或利用崭新的纳米结构或纳米特性,发现基于新型纳米颗粒的高效低毒的治疗或诊断药物。前者是对传统药物的改良,而后者强调的是把纳米材料本身作为药物[29]。
2.1纳米药物载体
实现细胞和亚细胞层次上药物的靶向传递和智能控制释放,是降低药物毒副作用、提高治疗效果的共性问题。纳米粒子介导的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术,在药物输送方面具有许多优越性。目前,用作药物载体的材料有金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒及生物活性纳米颗粒等[30]。理想的纳米药物载体应具备以下性质:毒性较低或没有毒性;具有适宜的制备及提纯方法;具有合适的粒径与形状;具有较高的载药量;具有较高的包封率;对药物具有良好的释放特性;具有良好的生物相容性,可生物降解或可被机体排出;具有较长的体内循环时间,并能在疗效相关部位持久存在等。
2.1.1抗肿瘤药物载体肿瘤的纳米靶向治疗以纳米粒为载体,将药物或制剂定向于肿瘤部位,可以大幅度提高药物的生物利用率,提高疗效,降低用药量,减少毒副作用,已成为国际肿瘤药物研制中的热点和前沿。
恶性肿瘤周围及其实质有大量的新生毛细血管形成,这些血管通透性高,400~600nm以下的纳米颗粒可穿过血管到达肿瘤组织。Alexiou等[31]在动物模型上用磁性纳米粒负载抗癌药物进行区域动脉灌注,外加磁场定位浓集,发现纳米粒子随血液流入肿瘤部位并渗透到肿瘤组织内,提高了药物的治疗指数。Mu等[32]将生物可降解聚合物PLGA纳米粒、VitaminE、TPGS和抗肿瘤药物紫杉醇混合在一起,药物可较容易地到达肿瘤部位而发挥靶向效应作用。杨凯等[33]在治疗口腔癌颈淋巴结转移灶时,将抗癌药物葫芦素BE装载到聚乳酸纳米微粒上,发现药物可靶向到达病变部位,毒副作用和局部刺激作用显著减小。
恶性肿瘤的纳米粒磁导靶向热疗也是有效的方法,热疗本身可以破坏肿瘤细胞。将磁性纳米粒子经包裹或修饰后选择性地注射到肿瘤部位,然后施加交变磁场,纳米粒子受到交变作用而产热,可提高放疗和化疗的效果。口腔颌面部肿瘤位置相对表浅,是最适合作磁导靶向化疗和磁导靶向热疗的部位。此外,由于纳米脂质体载体具有较好的药物、基因和成影剂包封率,在肿瘤造影成像等方面显示出较好的优势[34]。
2.1.2中枢神经系统(CNS)药物载体血脑屏障对于维持CNS的相对稳定起着重要作用,但其毛细血管连接紧密,大多数药物很难通过血脑屏障进入CNS。因此,如何使CNS药物跨越血脑屏障从血液进入脑内且发挥药效是药物传递系统需要解决的一个难题。纳米粒子作为药物载体,为不能透过血脑屏障的CNS药物入脑提供了新途径。Sun等[35]以聚乳酸为基质,制备了装载异硫氰酸荧光素-右旋糖酐的纳米粒,并将纳米粒用聚山梨酯-80包衣,给小鼠尾静脉注射后发现纳米粒可主动靶向脑组织。Kepan等[36]同时给小鼠注射采用聚山梨酯-80包衣的甲氨蝶呤聚氰丙稀酸丁酯纳米粒子(PBCA-NP),未包衣NP及甲氨蝶呤溶液,通过检测脑脊液及脑组织内药物浓度显示,采用聚山梨酯-80包衣的甲氨蝶呤PBCA-NP能显著提高脑内甲氨蝶呤药物浓度。Petri等[37]研究显示,泊洛沙姆-188包衣的PBCA-NP与聚山梨酯-80包衣的PBCA-NP均能显著提高阿霉素的抗脑肿瘤活性。
Oliver[38]发现,用聚山梨酯-80修饰的PBCA-NP通过血脑屏障的机理,部分是由于载体降解产生的毒性打开了脑血管内皮的紧密连接。Ulbrich等[39]发现,用人血清白蛋白纳米粒子包无跨血脑屏障能力的药物洛哌丁胺(loperamide),并与转铁蛋白或转铁蛋白受体的单克隆抗体OX26共价结合后,能够借助血脑屏障上转铁蛋白受体介导的胞吞作用进入脑组织,产生强烈的抗伤害性药效。将神经生长因子载入表面经聚山梨酯-80修饰的PBCA-NP,注射帕金森病小鼠模型后可在21d内持续发挥抗帕金森病的疗效[40]。抗菌药物环丙沙星(ciprofloxacin)装载入表面修饰了HIV-1反式激活蛋白(TAT)的聚乙二醇纳米粒子,利用TAT能将异源蛋白导入细胞内或穿过血脑屏障的特点,通过检测发现该抗菌药物能被人类星型胶质细胞摄取,此法还可用于使其他抗生素跨越血脑屏障,从而治疗脑部感染[41]。
2.1.3其他胰岛素(insulin,INS)的降糖疗效明显,但普通制剂的INS口服给药不易吸收,且容易被胃蛋白酶、胰蛋白酶和肠激酶等降解,因此目前临床上INS的常规给药途径为注射给药。大量的研究工作证实,口服纳米囊可保护INS不被酶破坏,提高INS的生物利用度,减少用药次数。Mesiha等[42]制备的聚氰基异丁酯丙烯酸纳米粒可将药物作用时间从6h延长至72h,生物利用度更好。Merisko等[43]制得INS纳米粒,通过体外实验证明其有良好的缓释能力。Christiane等[44]用生物聚合物和非生物聚合物复配制得纳米粒子,可将INS包裹在纳米粒子的内核,对INS的包封率可达到约96%,并且实验证明有很好的缓控释效果。纳米药物控释系统还被用来防治血管再狭窄[45]。
再狭窄是冠状动脉经皮腔内成形术(PTCA)后常见而严重的并发症,运用微孔球囊介入导管将纳米粒子自由分散形成的乳状悬浮液置于PTCA部位,可以达到防治再狭窄的效果。另外,载药纳米粒子进入动脉壁后,随着可降解材料的逐渐水解,其内含的药物便缓慢持续释放出来,从而实现药物在动脉内局部定位。用纳米颗粒,包括纳米胶束、纳米脂质体等作为基因转移载体,已引起医学界广泛重视。其原理是纳米颗粒作为载体将DNA、RNA、PNA(肽核苷酸)、dsRNA(双链RNA)等基因治疗分子包裹其中,或者通过静电引力或吸附将治疗分子固定在其表面形成复合物,在胞吞作用下纳米颗粒进入细胞,释放基因治疗分子,发挥治疗效能[46]。
2.2纳米药物
直接以纳米颗粒作为药物的应用之一是抗菌药物。纳米抗菌药物具有广谱、亲水、环保、遇水后杀菌力更强、不会诱导细菌耐药性等多种性能。以这种抗菌颗粒为原料,成功地开发出了创伤贴、溃疡贴等纳米医药类产品。例如,纳米二氧化钛树脂基托材料具有一定的抗变形链球菌和抗白色念珠菌的效果,当树脂基托中抗菌剂的浓度达到3%时,即可达到满意的抗菌效果[47]。郭春兰[48]用纳米银医用抗菌敷料对142例患者的手术切口进行护理,所有切口均无感染并Ⅰ期愈合,同常规使用普通无菌敷贴覆盖切口的方法相比,平均每例的愈合时间提前1.69d。
无机纳米颗粒作为新型的抗癌药物为肿瘤治疗提供了新的思路。Liu等[49]用Gd@C82(OH)22处理荷肝癌的小鼠,在10-7mol·kg-1的注射剂量下能有效地抑制肿瘤生长,同时对机体不产生任何毒性。其抑瘤效应不是通过纳米颗粒对肿瘤的直接杀伤起作用,而是可能通过激活机体免疫来实现对肿瘤的抑制作用。纳米羟基磷灰石在体外对恶性肿瘤细胞产生明显的抑制作用,而对正常细胞作用甚微,可望通过进一步的研究获得一种区别于传统的化疗药物的纳米无机抗癌药物[50-51]。此外,有的物质纳米化后出现新的治疗作用,如二氧化钛纳米粒子可抑制癌细胞增殖[52];二氧化铈纳米颗粒可以清除眼中的电抗性分子并防治一些由于视网膜老化而带来的疾病[53]。
3组织修复和再生医学中的纳米材料
将纳米技术与组织工程技术相结合,构建具有纳米拓扑结构的细胞生长支架正在形成一个崭新的研究方向。相对于微米尺度,纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞生长的自然环境更为相似。纳米拓扑结构的构建有可能从分子和细胞水平上控制生物材料与细胞间的相互作用,引发特异性细胞反应,对于组织再生与修复具有潜在的应用前景和重要意义[54]。将纳米纤维水凝胶作为神经组织的支架,在其中生长的鼠神经前体细胞的生长速度明显快于对照材料[55]。向高分子材料中加入碳纳米管可以显著改善原有聚合物的传导性、强度、弹性、韧性和耐久性,同时还可以改进基体材料的生物相容性。研究发现,随着复合物中碳纳米管含量的增加,神经元细胞和成骨细胞在复合材料上的黏附与生长也越来越活跃,而星形细胞和成纤维细胞的活性则呈现同等程度的下降[56-57]。Freites[58]设计的人造红细胞输送氧的能力是同等体积天然红细胞的236倍,可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。Murphy等[59]成功合成了模拟骨骼亚结构的纳米物质,该物质可取代目前骨科常用的合金材料,其物理特性符合理想的骨骼替代物的模数匹配,不易骨折,且与正常骨组织连接紧密,显示出明显的正畸应用优势。
纳米自组装短肽材料RADA16-I与细胞外基质具有很高相似性,RADA16-I纳米支架可以作为一种临时性的细胞培养人工支架,它能很好地支持功能型细胞在受损位置附近生长、迁移和分化,因而有利于细胞抵达伤口缝隙,使组织得以再生。有研究人员[60]利用RADA16-I纳米支架修复了仓鼠脑部的急性创伤,并且恢复了仓鼠的视觉功能。RADA16-I形成的水凝胶可用作新型的简易止血剂,用于多种组织和多种不同类型伤口的止血。
4纳米中药
“纳米中药”是运用纳米技术制造的粒径小于100nm的中药有效成分、有效部位、原药及其复方制剂[61]。纳米中药不是简单地将中药材粉碎至纳米数量级,而是针对组成中药方剂的某味药的有效部位甚至是有效成分,进行纳米技术加工处理,赋予传统中药以新的功能。
中药纳米化可以使细胞破壁,大大提高中药有效成分的渗透性或溶解度,提高生物利用度;利用纳米化的中药所具有的缓释功能和靶向给药功能,在提高药效的同时降低毒副作用;利用中药的纳米包覆技术能改变一些中药制剂的亲水、亲油性,提高临床疗效。例如,用纳米粉碎技术将中药黄芩、黄连、黄柏、地榆超微粒化,添加纳米锌、硒等微量元素,加广谱强效纳米银系(AT)抗菌剂、麦饭石纳米粉、远红外二氧化钛、电气石在传统中药配方基础上制成的纳米中药,用于烧烫伤的治疗,提高了药物疗效[62]。将超临界二氧化碳萃取技术用于中药挥发油提取和中药有效成分的提取,通过包覆技术把中药挥发油和中药有效成分制备成纳米药物。超临界二氧化碳萃取技术已广泛用于对菖蒲根、金丝桃叶、月桂叶、肉豆蔻、苍术、高良姜等的有效成分进行提取和对紫苏、香薷、防风、辛夷、苍术、厚朴、细辛、木香等挥发油的提取[63]。
对中药挥发油采用包合技术制备包合物,用纳米尺度的分子材料(主要是环糊精类)作为载体材料,形成不到2nm的药物超微粒,其内径为0.7~0.8nm,可容纳几个药物分子,这样的包合物又称为分子型包囊[64]。由于载体是种多羟基物质,且羟基排列于筒状结构的外壁,极易分散于水中,筒内侧可包裹水难溶性的药物分子,从而大大提高水难溶性药物在水中的溶出和体内的吸收,提高生物利用度,还可降低药物的刺激性,增加药物的稳定性。药物脂质体制剂在纳米中药的研制中也得到了日益广泛的关注。如纳米雄黄脂质体[65]、辛夷挥发油纳米脂质体[66]、马钱子碱脂质体的研究[67];鱼腥草挥发油纳米脂质体的制备及其肺靶向效果[68]等。
纳米中药的研究和应用仍处于起步阶段,存在许多亟待解决的问题,如纳米中药的药效不确定性及可能的毒副作用、纳米中药的有效成分和稳定性难以控制等。但目前已经取得的一些成果表明,纳米中药的研究极大地丰富了中药的剂型,对中药的研究和开发产生了巨大的推动作用。这方面研究的深入能在纳米中药的制药技术、药效等诸方面建立更多具有自主知识产权的专利技术和创新方法,促进中药制剂的标准化和国际化,提升中药的市场竞争力。
5纳米医学材料的安全性
纳米材料在医学领域已应用于药物载体、癌症治疗、基因治疗、抗菌材料、组织工程、医学诊断等方面,给人类带来了许多好处。然而,有关纳米材料毒理学的报道也很多[69-70]。由于纳米材料具有小尺寸效应、表面和界面效应以及量子尺寸效应等特性,可能引发特殊的生物学效应,给人类健康和环境带来负面影响。例如,Yeo等[71]指出具有抗菌效果的纳米银可在水生环境中蓄积,对斑马鱼胚胎发育有毒性作用。
从纳米医学材料大小与DNA、蛋白质、病毒等生物分子的尺寸相当这一事实很容易想到,即使化学组成相同,纳米物质的生物毒性也可能不同于微米尺寸以上的常规物质[72]。根据常规物质研究所得到的毒理学数据库与安全性评价结果,可能不适用于纳米物质;现有的安全评价方法、技术又都不太适用于纳米医学材料对人体风险评价[73]。这些问题正是目前纳米医学材料安全性评价的困难所在。
纳米材料的安全性评估是一个全球性关注的问题,美国、欧盟、日本纷纷斥巨资展开纳米材料的安全性研究,我国也已将其列入国家“973”重点基础研究规划项目。纳米技术涉及很多学科,如电子、生物、物理、化学等等。因此,对医用纳米材料安全性的评估不是单一的某个学科可以完成的,而是需要临床医学、基础医学、毒理学、物理学、分子生物学、化学和环境科学等多学科的融合,充分利用各种先进的分析技术,开展多学科的综合研究。
6展望
虽然纳米医学刚刚问世,但其发展的巨大潜力已经展示在我们面前。21世纪是纳米科技的世纪,人们将以全新的角度和视野看待生物医学问题,在纳米水平上可以更加深入地研究各种组织的结构和功能,并充分发挥其优势。纳米医学技术的发展必将为基础与临床研究带来新的机遇,为现阶段尚不能解决的问题带来新的思路和方法。
纳米技术在促进医药、工业发展的同时,对人类健康和环境卫生也同样构成潜在的威胁。相同化学组成的纳米材料与其他材料相比具有许多不同的物理、化学和生物学特性,其潜在毒性、次级效应、生物降解能力也存在质疑。如何评价纳米医药的安全性和毒性,如何优化纳米技术使这些医药材料适合于人体生物系统,以及如何避免或降低可能出现的毒副反应,成为摆在人们面前的一个重要问题。但在医学方面,尚难找到只有治疗作用而没有不良反应的物质,问题的关键是怎样利用物质的性质。对于纳米技术也是一样,只要我们能够认识到其负性效应,就能够解决它、避免它,从而对其进行安全利用。
纳米技术的了解篇7
关键词：纳米材料，教学方法，教学质量
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）06（b）-0000-00
纳米科技是20世纪80年代末逐步发展起来的新兴学科领域，它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等领域[1]。目前，纳米科技与生物技术、信息技术成为推动人类未来发展的三大主流科技，在信息技术、生物与农业、环境能源、生命医学以及航空航天等方面有广泛的应用前景。纳米科技的迅猛发展将促使几乎所有的工业领域产生一场革命性的变化。
纳米材料是纳米科技的基础，对纳米材料的学习，是适应未来社会对材料专业人才的需要。在教材的方面，一直没有一本面向研究生教学的、较系统性的纳米材料的教材。本文拟从纳米材料课程教学目的、教学内容、教学方法与手段等方面对高等院校材料类研究生专业进行纳米材料课程的教学改革进行探讨。
1 教学目的制定
课程的目的是通过课堂教学，使硕士研究生能够了解、掌握纳米科学与技术的概念、分类及其特点，了解和掌握纳米材料的基本物理和化学性能；掌握纳米材料的主要制备方法和原理；掌握纳米材料的结构分析测试方法；了解纳米材料的生物毒性和安全性；了解纳米材料在不同领域的应用现状和应用前景以及最新研究进展，以便使学生了解和把握当今纳米科学的最新研究前沿
2 教学内容的选择
目前，纳米材料正蓬勃发展，其涉及的面也越来越广泛，涵盖原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面等多中学科，内容广泛[2]。随着纳米科技的兴起，也出现了很多介绍纳米效应、纳米技术应用及纳米材料制备技术文献和资料，对推动纳米科技的健康发展起了很好的作用。但是，在教材的方面，一直没有一本面向研究生教学的、较系统性的纳米材料的教材。根据笔者从事纳米材料课程教学的实践，认为要达到前面提出的纳米材料课程教学目的。课程的教学主要内容应包含以下几方面： 纳米材料的基本概念、发展史；纳米材料的分类及其特点；纳米材料的基本物理和化学性能；纳米材料的主要制备方法和原理；纳米材料的结构分析测试方法；纳米材料的生物毒性和安全性；纳米材料最新研究进展。根据教学内容特点，可以考虑将教学内容分会以下6个部分。
2.1 绪论
从纳米材料的新奇特性开始，讲述纳米材料的内涵和基本概念以及发展史。根据材料的分类方法讲述纳米材料的分类方法及特点。讲述纳米材料的基本结构单元及其特性。重点讲述纳米材料的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等基本性能。并结合我国纳米材料研究现状和学生研究方向进行相关讨论，激发学生对纳米材料的好奇心和求知欲。
2.2 纳米材料物理化学性能
主要内容涉及纳米材料的结构和形貌特征；纳米材料的热学、磁学、光学等物理特性；纳米材料的吸附、分散、团聚等化学特性。将纳米材料的物理化学特性与结构关联，按照基本结构-基本特性-特殊结构-特殊效应-特殊功能-特殊应用这一思路，引领学生深入思考，可以起到举一反三效果。
2.3 纳米材料的制备方法和原理
按照纳米材料维数分类方法，讲述零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料、三维纳米材料的特征、制备方法和基本原理。重点讲述蒸发-冷凝法、溅射法、气相化学合成法等气相方法和沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、溶剂热法等液相方法。并结合学生研究方向对相关材料和方法进行详细讨论，使学生掌握相关制备方法，为随后的研究奠定坚实的基础。
2.4纳米材料的结构分析测试方法
主要包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、X射线粉末衍射仪、激光粒度仪等纳米材料表征仪器。通过学习，使学生掌握纳米材料测试的主要方法和仪器，并掌握各种仪器的优缺点和适用范围。同时，也使同学们认识到纳米材料研究的高技术特点。
2.5纳米材料的生物毒性和安全性
主要包括纳米材料的生物毒性和安全性。根据已有的相关研究报道，介绍一些纳米材料的生物毒性，让学生们了解纳米材料的不足之处，掌握相关的安全操作规则，以便在随后的纳米材料相关研究中避免出现安全事故。
2.6最新研究进展
根据纳米材料的最新研究热点，如石墨烯、锂离子电池灯，讲述纳米科技领域国际最新研究动态，让学生了解国际最新研究热点。
3. 教学方法与手段
3.1 多媒体教学
针对纳米材料课程内容广泛，知识点多的特点，采用多媒体教学方式。利用多媒体教学图、文、声、像融为一体的优点，可以使教与学的活动变得更加丰富多彩，又可以将信息量大的课程内容在有限的时间内呈现给同学们。从而激发学生的学习兴趣，促进学生思维发展，丰富学生的想象力。例如，讲述纳米材料宏观量子隧道效应时，可以动画的形式展现，方便学生们理解。讲述纳米材料的制备方法时，可以通过示意图的形式展现，更容易让学生理解和掌握。
3.2交互式讨论
利用交互式讨论教学方式。根据学生的兴趣，结合课程内容，将学生划分多个课题小组，进行课堂讨论。例如，讲述微乳液法制备纳米材料时，首先让学生通过文献查阅等方式了解该方法；其次，在课堂上就该方法、原理和实践应用进行充分讨论和分析；最后老师指出该内容的重点和难点。通过这种交互式讨论，在课堂教学中，确立学生的主体地位，尊重学生的主体意识；创设民主、平等的课堂氛围，让学生充分发表自己对问题的看法，发挥学生的主管能动性，变被动接受为主动探索；使学生的创新意识、创造性思维能力得到不断的发展[3]。
3.3实践操作相结合
纳米材料是一门实践性很强的课程。在课程教学中要充分与实践相结合，根据学生的研究方向，结合课程内容，安排学生进行相关实验。通过具体的实验使学生对纳米材料有更多的感性认识。涉及透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪、激光粒度仪等纳米材料表征仪器内容时，结合具体情况，可安排一定时间上机观察和操作。
4 结语
纳米材料是纳米科技的基础，对纳米材料的学习，是适应未来社会对材料专业人才的需要。本文从纳米材料课程教学目的、教学内容、教学方法与手段等方面对高等院校材料类研究生专业进行纳米材料课程的教学改革进行系统的探讨，实践证明，这些举措的实施取得了良好的教学效果，为培养学生的创新思维和科研精神起到了一定的作用
参考文献
[1]白春礼.纳米科技及其发展前景，新材料产业[J].2001，4：8-11.
[2]张立德，牟季美.纳米材料和纳米结构[M].北京：科学出版社，2001，2：11.
纳米技术的了解篇8
【关键词】纳米技术；精细化工；催化剂；添加剂
0.引言
纳米技术是指使用纳米材料的特殊性质的技术，纳米材料是指尺寸处于1-100nm的微小粒子组成的材料，这样的微小粒子既不是微观的原子簇，也不是宏观物体，是出于微观与宏观之间的介观系统，这种材料往往因为其表面效应、量子尺寸效应、体积效应以及宏观量子隧道效应具有传统物质所不具备的特殊性质。纳米材料通常具有很高的特殊催化性，在冶金、涂料、精细化工等工业领域应用非常广泛。本文对纳米技术在精细化工领域的应用方法及特点进行了详细的论述，为纳米技术在精细化工领域的推广应用提供了有效的支撑。
1.纳米技术在精细化工中的应用
1.1纳米材料的制备方法简介
纳米材料的制备通常包括机械法、物理法和化学法。机械法是指机械粉碎法和机械合金化法，其制作方法简单、成本低，但颗粒不均匀，纯度低；物理法是指溶液蒸发法和蒸发冷凝法，其制作方法较为复杂、成本较高，但粒度可控、纯度很高、结晶组织好；化学法则是通过化学反应制备纳米材料，其粒度可控、纯度很高，而且其成本不是很高、操作相对简单，常用的有水热法、沉淀法、溶胶-凝结法、化学气相反应法、微乳液法、有机配合前驱体法以及超重力沉淀法等。纳米材料的制备方法很多，而且正在不断的被发现，越来越多的制备更细颗粒、更好分散性的方法出现，为纳米技术的进一步发展提供了较好的支撑。
1.2纳米技术在催化方面的应用探讨
大量研究表明，纳米催化剂的稳定性好，催化效率高，如：在乙炔加氢反应中，加入纳米的Pb/TiO2作为催化剂，可以是乙炔的转化率达到100%，并且使乙炔的选择性达到80%以上；在液态加氢法制备2-氨基-4，6二氯苯酚时，采用纳米Ni-B/SiO2作为催化剂，其催化效果明显比其他Ni催化剂好得多，转化率达到了100%，选择性达到了98%。在化学电源领域，纳米材料具有很好的电化学活性，作为电极能很好的减轻电池重量，如：纳米二氧化锰作为锂电池正极可以做成高能电池；纳米的银粉、镍粉和二氧化镍混合烧结体作为光化学电池的电极，效果远超过其它材料；碳管纳米材料的奇异电学性能已经广泛应用于场发射元件、锂离子电池、燃料电池等。
另外，纳米材料的光催化特点被广泛应用与环境保护领域，如：（1）污水处理，硫化物或金属氧化物的纳米材料是半导体材料，其特殊的电子结构可以通过氧化或还原反应降解并矿化H2O、CO2、无机离子以及某些毒性较小的有机物等，其特点是分解完全，没有二次污染、成本低、操作简单，常见的纳米催化剂材料有二氧化镍、三氧化铝、氧化锌等，尤其是二氧化镍对染料废水、农药废水的处理效果极好。
（2）空气污染处理，纳米催化材料对空气中的硫氧化物和氮氧化物的处理效果极好，在汽车尾气处理方面应用广泛，比传统的贵金属和稀土催化剂的效果好得多，尤其是贵金属催化剂，价格昂贵。易失活，纳米光催化剂成本低、稳定性好，活性高，能有效的提高汽车尾气中的一氧化碳、一氧化氮、碳化氢等物质的转化效率；另外，纳米材料还用于陶瓷制品的除臭抗菌以及分解有机物等作用，也用于汽车或建筑玻璃的自洁等。
1.3纳米技术在添加剂领域的应用
纳米技术在添加剂领域的作用也非常广泛，通常是纳米材料加入到其它物质中，改变其它物质的性质，达到普通物质所达不到的效果，常用的有：
（1）化妆品添加剂。将纳米材料氧化锌、二氧化镍、氧化铁作为添加剂可以提高化妆品的药物利用率、增强抗菌作用，减轻对皮肤的刺激，而且自身无毒无味、化学稳定、热稳定，是目前化妆品领域的研究热点。
（2）黏合剂、剂和密封胶。纳米二氧化硅作为添加剂，可以有效提高黏合剂等黏结效果、剂的效果和密封胶的密封效果。
（3）涂料。将纳米材料加入到涂料中，可以有效的改善传统涂料的性能，并使涂料具有新的功能，如纳米氧化锌添加剂可以使涂料具有吸收红外线、屏蔽紫外线、杀菌防霉等效果，纳米二氧化硅可以增加涂料的耐磨性、抗氧化性等。除此之外，纳米材料还可增加橡胶的力学性能、硫化活性，改变塑料综合力学性能、纤维的分散性、有机玻璃的冲击韧性等。
另外，纳米技术在医药领域也有广泛的应用，可以提高药效的吸收，降低药物的不良反应，还能有效的丰富制药技术，提高药物的效果。
2.结论
纳米技术是一种新兴的技术，纳米材料具有一般材料所不具备的特性，在精细化工领域已经取得了广泛应用，也为人类解决环境保护、能源合理开发利用提供了有效的新途径。目前纳米技术的推广使用还受纳米材料制备、纳米改性技术工业化等限制，但随着纳米技术的发展和影响，纳米技术在精细化工领域必然得到广泛的使用。 [科]
【参考文献】
[1]陈建锋，邹海魁，刘润静，等.超重力反应沉淀法合成纳米材料及其应用[J].现代化工，2001，21（9）：9-12.
[2]朱雷，宋宏娇.TiO2光催化氧化技术在水处理中的应用[J].国外建材科技，2006，27（3）：92-94.