納米生物技術

主要包含兩個方面：（1）利用新興的納米技術解決和生物學問題；（2）利用生物大分子製造分子器件，模仿和製造類似生物大分子的分子機器 ^[1]  。

納米材料的特性主要有：量子尺寸效應、小尺寸效應、表明和界面效應、宏觀量子隧道效應。當微粒小於100 nm時，物質的很多性能發生質變，從而呈現不同於宏觀物質的奇異現象：低熔點、高比熱容、高膨脹係數；高反應活性、高擴散率；高強度、高韌性；奇特磁性 ^[2]  。

納米微粒的尺寸一般比生物體內的細胞小得多，這就為生物學研究提供了一個新的研究途徑，利用納米生物技術操縱生物大分子，被認為有可能引發第二次生物學的革命 ^[1]  。

以下是納米生物技術的5種重要應用，包括生物芯片、納米探針、生物熒光標記、分子馬達和分子納米篩。

生物芯片主要包括2方面：（1）納米複合材料在生物芯片製備方面的應用，增強核酸、蛋白質與片基間靜態與動態粘附力，促進小型化、高分辨率與多功能化；（2）拓寬生物芯片應用範圍，如植物藥有效成分的高通量篩選，癌症等疾病的臨牀診斷，作為細胞內部信號傳感器。

結合微電子磁技術，生物芯片已用於單細胞分離、單基因突變分析、基因擴增與免疫分析。在微小硅材料表明製出能對微量樣品進行變性、分離、純化、電泳、PCR擴增、加樣和檢測等的微小結構，將普通實驗的各步驟微縮在一個芯片上。生物芯片不同於半導體電子芯片，它在很小几何尺度的表面積上裝配一種或集成多種生物活性，僅用微量生理或生物採樣，即可同時檢測和研究不同的生物細胞、生物分子和DNA特性及它們之間的相互作用，從而獲得生命微觀活動的規律。生物芯片有集成、並行和快速檢測的優點，成為21世紀生物醫學工程的前沿科技。生物芯片分為細胞芯片、蛋白質芯片（生物分子芯片）和基因芯片（DNA芯片）。

利用納米技術製成納米探針，可直接對生物分子在其生命環境中進行檢測，以獲得更真實更詳盡的信息。

納米探針可探測多種細胞化學物質，監控活細胞蛋白質和其他生物化學物質；還可用於篩選微量藥物，最終實現評定單個細胞的健康狀況。利用納米探針製成納米傳感器，其納米級探頭可探測單個活細胞並插入活細胞中探知導致腫瘤的早期DNA損傷。

採用生物分子的納米粒子（如量子點）標記的納米生物分析技術平台突破了常規熒光標記法熒光易猝滅的限制。量子點是膠狀納米晶態半導體，有獨特發光性。與傳統有機熒光團相比，量子點寬帶激發、發射帶寬窄的特性很適於用作多元分析的探針且分析靈敏度更高。通過發光量子點與細胞表面或內部蛋白特性結合，可觀察細胞工作狀態並用於藥物設計與治療 ^[3]  。我國現已研發出熒光磁性細胞靶向多功能納米生物器件，發明了簡便、安全、高效和廉價的核/殼型半導體熒光量子點的合成方法，並研製出一系列性能優良的量子點產品和新型納米生物器件。

分子馬達是由生物大分子構成並利用化學能進行機械做功的納米生物器件。天然分子馬達如驅動蛋白、RNA聚合酶和肌球蛋白等在生物體內參與胞質運輸、DNA複製、細胞分裂和肌肉收縮等一系列重要生命活動。目前研究較多的分子馬達是F1-ATP酶。

分子馬達是微型機器人的核心元件，在分子上連接特異分子可實現多種功能。如可探測有害物質的納米傳感器，在生物芯片中實現液體制動或混合，將藥物分子輸送至特定位置，在人體細胞內釋放藥物等 ^[4-6]  。

通過電壓門控的分子納米篩可控制物質在納米孔的流通 ^[7]  。將圓柱狀金納米小管排列在膜上，小管內徑僅1.6 nm；小管帶正電時，正離子受排斥，僅負離子能通過膜；膜帶負電時，負離子受排斥，僅正離子能通過膜。同時控制門控電壓、孔徑、孔形狀和電荷限制，可更精確地控制離子運輸。由於納米孔能快速區分少量DNA分子，因此該方法有望成為快速、低成本、高通量的基因測序方法 ^[8]  。

後基因時代為納米生物技術的發展提供了良好的契機。可以預計，隨着化學、生物學、材料學等領域的不斷進步，納米生物技術會得到更為廣泛和深入的研究。在生物芯片、分子馬達、生物探針、納米生物材料等迅速發展的同時，還會誕生出納米生物技術其他一些新領域 ^[9]  。

納米生物技術是國際生物技術領域的前沿和熱點問題，在醫藥衞生領域有着廣泛的應用和明確的產業化前景，特別是納米藥物載體、納米生物傳感器和成像技術以及微型智能化醫療器械等，將在疾病的診斷、治療和衞生保健方面發揮重要作用。國際上納米生物技術在醫藥領域的研究已取得一定的進展。美國、日本、德國等國家均已將納米生物技術作為21世紀的科研優先項目予以重點發展。