微纳米生物技术是纳米科学与生命科学的前沿交叉领域，有着广泛的发展前景。主要是利用纳米科技领域的最新研究成果开展应用基础研究，深入探索多种纳米材料的性质，研究制备既有良好的生物相容性，又具有独特光、电性能的应用型功能纳米材料，并拓展其在生物学领域的应用前景。研究工作也将着重于加强重大疾病、传染病及遗传病的早期诊断与检测，研制新型纳米生物探针和纳米药物载体，发展分子细胞生物学研究的新方法和新技术，探索纳米生物学发展的新途径。
国内外现阶段主要研究方向及对微纳米生物技术的应用主要有：
（1）生物分子微分析技术 (Microanalysis of Biomolecules)：许多的生物分子相当微小，其大小通常就在纳米范围，因此若能利用纳米尺度的检测设备或系统，将有助于进一步观察及探讨生物分子、细胞表面与细胞内分子层级的活动及变化。例如新型生物荧光探针的研究与开发基于功能纳米材料(如量子点、硅纳米微球等)的新型荧光标记物，用于目标生物分子(如蛋白、核酸等) 的靶向标记与细胞成像，为分子细胞生物学的研究提供新方法。新型纳米生物传感器：研究与开发基于功能纳米材料(如硅纳米线、硅纳米微球等) 的生物传感器和功能纳米器件，实现对目标生物分子的高灵敏度和高特异性检测，为重大疾病、传染病及遗传病的早期诊断提供新技术；
（2）分子模板技术 (Molecular Templates) ：在生物分子的辨识上，可善用分子形状互补的特性，由于不同的生物分子往往具有不同的特殊形状，此时它就像一把形状特殊的钥匙，如果想要把这个分子从众多不同分子中分离出来，只要有
个正确的锁就可以，也就是说只要先在某种材料上弄出一个可以和分子特殊形状相对应的模板，即可用来检测或分离特定分子。此外，经由设计特殊的分子模板，可达成如控制生化反应、纳米结构效应等功能。例如：新型纳米药物载体：研究与开发基于低生物毒性、低免疫原性、高生物相容性的功能纳米材料，并将其与生物分子(如短肽、蛋白等)结合，发展高效、安全、高靶向性、可控的纳米药物载体及基因治疗载体。
（3）生物选择性表面技术 (Bioselective Surfaces)：指在微纳米尺度下改变材料表面几何与化学性质，以控制细胞在材料表面的贴附、生长、运动等，进而调控细胞与组织的生理状况。例如以微影图案基质控制神经细胞的生长、透过生物选择性表面技术重建血脑屏障、以生物互动表面分析真菌生长等。
（4）分子过滤技术 (Molecular Filtration) ：通常指的是利用孔径在纳米级大小的透膜、微管、多孔材料等来有效过滤大小不等的分子，以达到分离与浓缩等目的。例如以胶原蛋白（Collagen）覆于硅芯片表面的过滤装置、以纳米结构进行酵素传输等。
（5）特殊细胞分离技术 (Sparse Cell Isolation) ：有些细胞特别表现出和其它细胞不同的特性与特殊的生理功能，而这类细胞的数目比例往往很小，因此能否有效将它们从其它细胞中分离出来就显得格外重要。通常本技术会通过开发或使用纳米尺度的仪器或设备达到分离特殊细胞的目的。例如从混合组织中分离被病毒感染的细胞、恶性肿瘤细胞、免疫细胞、胚胎细胞、干细胞及微生物等；或构建亚细胞（Subcellular）等级细胞分类及分析系统。
（6）生物传感器及生物芯片 (Biosensor/Biochip) 生物传感器的原理是利用待测分析物与生物物质产生的特异反应，将反应所产生的特性，配合光学、电学、
热学、声学、压力、质量变化等相对应的换能器（Transducer），将反应转换成可处理的讯号输出。生物传感器的基本结构包括：生物物质层、换能器、讯号处理系统、讯号输出系统。根据感测物质的种类可将生物传感器的种类区分为：酵素传感器、免疫传感器、受体传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器及核酸传感器等。
篇二：纳米材料在生物医学中的应用纳米材料是指尺度在1nm—100nm范围内的材料，常见的有零维纳米颗粒和一维纳米材料，后者包括纳米棒、纳米线和纳米管等等。纳米技术是指在纳米尺度范围内，操纵原子、分子或原子团、分子团，使它们重新排列组合,创造具有特定功能的新物质的科学技术。纳米材料的研究和纳米技术在最近几年得到了广泛的重视和发展，并被应用到很多领域。
纳米材料自从在微电子和半导体工业中得到了成功应用之后，现在正逐渐被应用于生物医学方面，并取得了良好的效果。纳米微粒在性能上与通常所用的宏观材料完全不同，具有很多特殊性。这些特殊的性能主要是与其特殊的体积所引起，主要表现为表面与界面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等。纳米微粒的这些特殊性能使得其在实际应用中具有很多特殊的效果，如比表面积大、表面活性中心多、表面反应活性高、强烈的吸附能力、较高催化能力、低毒性以及不易受体内和细胞内各种酶降解等。这些特殊的表现，使得其在生物医学方面得到广泛的应用。纳米微粒在生物医学应用上占据了很大的地位，但一维纳米材料如纳米管在一些特殊的生物应用中具有独特的优势，也开始受到重视。纳米管具有较大的内部空腔体积，从小分子到蛋白质分子等许多化学或生物物质都可被填充其中；此外，纳米管具有明显的`内、外表面和开放的端口，便于进行不同的化学或生物化学修饰改性。下面分别介绍两者在生物医学方面的应用。
1、纳米微粒在生物医学上的应用
应用于生物体内应用的纳米材料，它本身既可以是具有生物活性，也可以不具有生物活性，但它在满足使用需要时还必须易于被生物体接受，而不引起不良反应。目前纳米微粒在这方面的应用十分的广泛，如生物芯片、纳米生物探针、
核磁共振成像技术、细胞分离和染色技术、作为药物或基因载体、生物替代纳米材料、生物传感器等很多领域。下面对一些比较成熟的技术作一些介绍。
1.1 生物芯片
生物芯片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，从而获得生命微观活动的规律。其主要分为蛋白质芯片和基因芯片(即DNA芯片)两类，具有集成、并行和快速检测的优点，其发展的最终目标是将样品制备、生化反应到分析检测的全过程集成化以获得所谓的微型全分析系统。纳米基因芯片技术正是利用了大多数生物分子自身所带的正或负电荷，将电流加到测试板上使分子迅速运动并集中，通过电子学技术，分子在纳米基因芯片上的结合速度比传统方法提高一千倍。与常规技术相比，纳米基因芯片具有很多优点，如微电子技术使带电荷的分子运动速度加快，分子杂交的时间仅以分钟计而非传统技术的以小时计；灵活性强，测试基板可安排为各种点阵结构，可同时对一个样本进行多种测试，分析多种测试结果；用户容易按自己的要求建立测试点阵；可现场进行置换扩增，使测试敏感，更有力度等等。生物芯片最典型的应用就是进行分子诊断，用于基因研究和传染病研究等等。
1.2 纳米生物探针
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。一些高选择性和高灵敏度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感兴趣的其他生物化学物质。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，以确定那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。使用能够接受激光产生荧光的半导体量子点（一种半导体纳米微晶粒），可以改善由于传统有机荧光物质激发光谱范围窄、发射峰宽而且容易脱尾等现象。使用纳米生物荧光探针可以快速准确的选择性标记目标生物分子，灵敏测试细胞内的失踪剂，标记细胞，也可以用于细胞表面的标记研究。此外进行其它改造可以用以检测很多其他东西，如Cognet等人用10 nm的金颗粒标记膜蛋白用于蛋白质的成像检测，克服了荧光标记的褪色及闪动的缺点，检测灵敏度高，信号稳定。另有人选用葡萄糖包覆超顺磁性的Fe3O4纳米粒子，通过葡萄糖表面的酞基化实现与抗体的偶联，制得Fe3O4/葡萄糖/抗体磁性纳米生物探针，将此探针进行层析实验，结果表明，该探针完全适用于快速免疫检测的需要。
1.3 核磁共振成像技术
该技术是现在医学中使用较多的一种技术，其使用的纳米微粒主要是纳米级的超顺磁性氧化铁粒子。根据产品的颗粒大小可以分为两种类型，一类是普通的超顺磁性氧化铁纳米粒子，一般直径在40—400 nm；另一类是超微型超顺磁性氧化铁纳米粒子，其最大直径不超过30 nm。该技术是因为人体的网状内皮系统具有一分丰富的巨噬细胞，这些吞噬细胞是人体细胞免疫系统的组成部分，当超顺磁性氧化铁纳米粒子通过静脉注射进入人体后，与血浆蛋白结合，并在调理素作用下被网状内皮系统识别，吞噬细胞就会把超顺磁性氧化铁纳米粒子作为异物而摄取，从而使超顺磁性氧化铁集中在网状内皮细胞的组织和器官中。吞噬细胞吞噬超顺磁性氧化铁使相应区域的信号降低，而肿瘤组织因不含正常的吞噬细胞而保持信号不变，从而可以鉴别肿瘤组织。使用纳米颗粒可以使得检测出的病灶直径从使用普通颗粒的1.5cm下降到0.3cm。
1.4 细胞分离和染色技术
血液中红细胞的大小为6000—9000 nm，一般细菌的长度为2000—3000 nm，引起人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米，因此纳米微粒的尺寸比生物体内的细胞和红细胞小的多，这就为生物学研究提供了一条新的途径，即利用纳米颗粒进行细胞分离和细胞染色等。如研究表明，用SiO2纳米颗粒可进行细胞分离。在SiO2纳米颗粒表面，包覆一层与待分离细胞有较好亲和作用的物质，这种纳米颗粒可以分散在含多种细胞的胶体溶液，通过离心技术使细胞分离。这种方法有明显的优点和实用价值。使用不同的纳米颗粒与抗体的复合体与细胞、某些组织器器官和骨骼系统相结合，就相当于给组织贴上了标签，利用显微技术可以分辨各种组织，即用纳米颗粒进行细胞染色技术。
1.5 作为药物或基因载体
传统的给药方式主要是口服和注射。但是，新型药物的开发，特别是蛋白质、核酸等生物药物，要求有新的载体和药物输送技术，以尽可能降低药物的副作用，并获得更好的药效。粒子的尺寸直接影响药物输送系统的有效性。纳米结构的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术，具有提高药物的生物可利用度、改进药物的时间控制释放性能、以及使药物分子精确定位的潜能。纳米结构的药物输送系统的优势体现在能够直接将药物分子运送到细胞中，而且可以通过健康组织把药物送到肿瘤等靶组织。如通过制备大于正常健康组织的细胞间隙、小于肿瘤组织内孔隙的载药纳米粒子，就可以把治疗药物选择性地输送到肿瘤组织中去。当前研究的用于药物输送的纳米粒子主要包括生物型粒子、合成高分子粒子、硅基粒子、碳基粒子以及金属粒子等。用纳米控释系统输送核苷酸有许多优越性，如能保护核苷酸，防止降解，有助干核苷酸转染细胞，并可起到定位作用，能够靶向输送核苷酸等。还可以对于一些药材，如中药加工成由纳米级颗粒组成的药，有助于人体的吸收。
纳米微粒在生物医学上的应用远不止上面提到的这些，利用纳米微粒技术制备生物替代纳米材料、生物传感器等也已有很大发展。如纳米人工骨的研究成功，并已进行临床试验。功能性纳米粒子与生物大分子如多肽、蛋白质、核酸共价结合，在靶向药物输运和控制释放、基因治疗、癌症的早期诊断与治疗、生物芯片和生物传感器等许多方面显示出诱人的应用前景和理论研究价值。
2、纳米管在生物医学上的应用
如前面所述，纳米管以其特殊的性能，在生物医学方面得到较多的研究和应用。目前研究较多的纳米管有碳纳米管、硅纳米管、脂纳米管和肽纳米管等。这些纳米管主要是用于生物分离、生物催化、生物传感和检测等生物技术领域。
2.1 纳米管用于生物分离技术
对纳米管的内、外表面进行不同修饰后,可用作纳米相萃取器，如用其进行手性异构分子的分离。由于异构体分子之间的理化性质差别非常小，因此传统分离方法的选择性往往都很低。将抗体通过一定的化学试剂固定在硅纳米管的内外表面，利用抗体对异构体的特异结合作用，赋予纳米管手性识别能力，可以实现对特定手性异构体的拆分，该思路使得纳米管在手性生物物质分离方面的应用前景大为拓展。将用模板法制备的纳米管可以留在膜孔内可以用于分离。其分离机理之一即是上面提到的对纳米管的修饰，另一机理是调节纳米管的直径尺寸使之与混合物中相对较小的物质分子的尺寸相匹配，实现小分子与大分子物质的分离，即所谓的筛分法。纳米管的应用使得对生命体中各种氨基酸、核酸分子的手性研究有了很大的进展。
2.2 纳米管用于生物催化技术
纳米管用于生物催化技术的最主要的一个原因就是其大的比表面积，如含酶纳米管可以在生物催化反应器中使用。通过醛基硅烷将葡萄糖氧化酶( GOD)结合到硅纳米管(管径60 nm) 的内外表面，形成的GOD纳米管催化剂可催化葡萄糖的氧化反应,且无泄漏。虽然与目前常用的其他共价法固定化酶介质(如聚合物、硅胶)相比，纳米管固定化酶的活性降低幅度还较大，但纳米管的微小尺寸、大比表面(120～700 m2·g - 1 )和优良的机械性使其更适合作为催化剂或载体用于生物微反应器。这些纳米管可以携带酶参加反应，其自身还能起到催化作用，如对于神经组织还是骨组织而言，使用碳纳米管含量较高的复合材料，均能促进组织再生，同时显著地抑制对植入设备产生不利影响的胶质痕迹和纤维组织的形成。
2.3 纳米管用于生物传感和检测
纳米管生物传感器是目前纳米管生物技术中研究最为活跃的领域。使用酶修饰电极是生物传感器的基本构件和关键，但实际上在酶的电化学反应中通常需要外加促进剂和电子媒介。研制适宜的电极材料和固定化方法对实现酶的直接电子转移反应和生物活性的维持非常重要。一般用聚合物膜来达到此要求，但由于其稳定性较差，制约其应用。相比之下，碳纳米管的机械强度高，比表面大，化学稳定性高，导电能力强且对环境和被吸附分子的变化敏感，是生物传感器中理想的固定化酶介质。除此之外，碳纳米管还有其它特点，如它可以改善参加反应的生物分子的氧化还原可逆性；降低氧化还原反应中的过电位；还可以直接进行电子传递，用于电流型酶传感器。由于碳纳米管具有一定的吸附特性，吸附的气体分子与碳纳米管发生相互作用，改变其费米能级引起其宏观电阻发生较大改变，可以通过检测其电阻变化来检测气体成分，因此碳纳米管还可用于制造气敏传感器。将碳纳米管用作原子力显微镜（AFM）的探针是比较理想的，它具有直径小、长径比大、化学和机械性能好、刚性极大等优点，制的AFM分辨率比普通的高，可用于分子生物学的研究。
纳米管还被用作养料或药物定向释放工具，还可以对单细胞进行操作，有望在人工器官与组织工程、药物(基因) 运载、重大疾病的早期诊断、生物医学仪
篇三：独家揭秘纳米与生物材料全球顶尖实验室-在上期关注了全球顶尖高分子材料研究所之后，本期理财周报将聚焦纳米材料和生物材料的全球顶尖实验室。
众所周知，纳米材料和生物材料属前沿新材料，代表着未来材料科学的发展方向。由于这两种材料具有重要的战略意义，各个国家在这两个领域的研发竞争可谓白热化。
美国将信息材料、生物医用、纳米材料、环境材料和材料技术科学等列为重点发展方向，日本重点加强信息通信、环境、生命科学和纳米材料方面的优势，欧盟则重点发展光电、有机电子、超导复合、催化剂、光学、磁性、纳米和智能材料。
由此可见，纳米、生物材料已成兵家必争之地。根据我国的新材料产业“十二五”规划，纳米材料和生物材料也是材料科学的重点发展方向。20X年6月，四年一度的世界生物材料大会首次落户中国，尼古拉·佩帕斯、钱煦、威廉·邦菲尔德、师昌绪等一大批国际顶尖生物材料专家汇聚成都，显示出了中国在生物材料方面日益增加的影响力。
显然，争夺纳米和生物材料话语权关键还是研究所和研究人才的竞争。
19XX年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学一个新分支，美国也成为了全球纳米技术研究的中心。
大学研究所方面，走在纳米材料研究前沿的美国大学包括纽约州立大学阿尔巴尼分校、哈佛大学、北达科他州立大学、史丹佛大学、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校、加州大学圣地亚哥分校和斯坦福大学等。
其中，纽约州立大学阿尔巴尼分校的纳米技术与工程学院拥有55亿的公众和私人投资，是全球纳米技术研究中心之一，也是世界上第一个专门研究纳米科学与纳米工程的高等院校。 在国家/独立研究所方面，橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、美国阿贡国家实验室和美国加州纳米技术研究院等均享有国际盛誉。
此外，美国跨国也走在纳米研究的前列：IBM和NEC都是最早进入纳米技术研究领域的，最先取得碳纳米管这一纳米科技基石之一的基础专利，Nantero则是第一家开发微电子级碳纳米管材料、并使用碳纳米管开发下一代半导体设备的。
美国生物材料方面的研究同样全球领先，著名的斯坦福大学、哈佛大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州理工学院、约翰霍普金斯大学、普林斯顿大学、加州大学旧金山分校、耶鲁大学、康乃尔大学、圣路易斯华盛顿大学、杜克大学、芝加哥大学美国顶尖院校生物工程研究排名靠前。
刚刚结束的2013年诺贝尔奖获得者中，迈克尔·莱维特和托马斯·C·苏德霍夫等两位生物化学领域的科学家出自同一所大学：斯坦福大学。
大名鼎鼎的MIT生物材料研究也走在世界顶尖水平，该校拥有44个与生物材料研究相关的研究中心/研究室。
美国同样还有一批生物材料研究领先的跨国企业，如安捷伦科技，英斯特朗、Ceramtec、泰科纳（Ticona）、冶联科技、CRS）、美敦力(Medtronic)等等。
这些的产品垄断了全球大部分的高端生物材料市场份额，其研发实力也可见一斑。 欧日朝迎头赶上在如此众多顶尖大学实验室、国家研究所和跨国实验室的支撑下，美国在纳米材料、生物材料方面建立的优势已基本上无人可以撼动。
不过即便如此，以欧洲和日韩为代表的研究力量同样不可小觑，部分领域甚至已经可以和美国匹敌，并呈现出德国、英国、日本和韩国四足鼎立之势。
德国在纳米材料领域的研究起步较早，在全国范围内建立了六大纳米研究中心，分别是纳米结构、纳米应用开发、纳米技术、纳米化学、纳米加工和纳米分析中心，形成一张遍布全国的纳米科技研究协作网，而马普学会、弗朗霍夫协会、海姆霍茨大研究中心联合会和莱布尼茨研究联合会则是德国纳米研究的核心力量。
纳米材料方面的大学研究室，则主要是卡尔斯鲁厄理工学院，德国不伦瑞克理工大学半导体技术研究所。
生物材料方面，德国柏林柏林——勃兰登堡地区是德国生物技术研究机构分布密集最高的地区，同时也是欧洲最大的“全方位服务型生物科技区”，共拥有6个生物科技园和2个特别实验室。
与德国相比，英国的纳米材料相对逊色，不过生物工程技术却有过之而无不及。在英国，诞生了世界上第一只克隆羊“多莉”。英国在生物材料领域次于美国，居世界第二。据理财周报材料科学实验室的不完全统计，迄今为止，英国在生物和医学领域已获得了20多个诺贝尔奖。
大学研究室方面，剑桥大学材料科学与冶金系拥有生物材料的全球顶尖研究院，Zeneca、GlaxoWelle和SmithKliheBeacham等跨国生物材料研究能力也是全球领先。
在日本，研究中心是其主要研究阵地。日立的“纳米技术管理推进中心”、日本电器“基础研究实验室”；日本电报电话的“厚木实验室”、富士通的纳米技术研究中心等企业研究中心是其纳米材料研究的核心力量。
韩国则凭借着三星等巨头在纳米材料技术的研究领域迎头赶上。
中国研究阶段性突破
在国内，中科院的纳米材料和生物材料研究仍旧首屈一指。理财周报记者获悉，中科院国家纳米科学中心主要从事纳米技术理论研究，该中心在20年在铋系化合物超结构制备，基于新型Te化物纳米材料的宽带光谱光学探测器，新型微纳加工方法等诸多方面的研究均取得获得突破性新进展。
国家纳米中心现有6个研究室、2个实验室和1个发展研究中心、人员方面，纳米中心目前科技人员159人、科技支撑人员23人，包括研究员31人、副研究员及高级工程技术人员39人。20年，纳米中心科研人员共发表SCI251篇。
此外，北京航空航天大学，南京理工大学，北京科技大学，大连理工大学等院校纳米材料研究起步较早。
生物材料方面，中科院上海硅酸盐研究所和清华大学、四川大学、南开大学、上海交通大学、华南理工大学、华东理工大学等大学研究室在国内处于领先地位。20年的世界生物材料大会承办方便是四川大学。
