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纳米生物材料(精)/生物材料科学与工程丛书 版权信息
- ISBN：9787030685247
- 条形码：9787030685247 ; 978-7-03-068524-7
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
纳米生物材料(精)/生物材料科学与工程丛书 本书特色
纳米生物材料领域的研究人员，高等院校、科研院所从事纳米生物材料方面科研工作的研究生，关注纳米生物材料领域的具备中等教育水平的人员
纳米生物材料(精)/生物材料科学与工程丛书 内容简介
本书为“生物材料科学与工程丛书”之一。本书以著者近年来对纳米生物材料的研究成果为主要基础，并结合国内外的研究现状和发展趋势而著。从纳米生物材料的特性、结构和基本原理出发，简要介绍纳米生物材料的基本情况（章）。以纳米钙磷类、二氧化硅、碳等无机生物材料（第2～4章）及纳米纤维材料（第5章）、纳米生物复合材料（第6章）为主线，重点研究纳米生物材料的合成、掺杂改性、组装复合等可控制备技术，表征材料的结构和独特性能。同时，较详细地介绍纳米生物材料作为药物载体、基因载体和生物医学量子点在成像、诊断、检测、示踪和抗菌等方面的近期新进展和发展动态（第7～9章）。在此基础上，评述纳米生物材料的生物新效应（0章），介绍纳米生物材料结构与功能关系的原位表征新技术（1章），并阐述纳米生物材料的安全性研究（2章）。 本书可供纳米生物材料领域的研究人员参考使用，也可作为高等院校、科研院所从事纳米生物材料方面科研工作的研究生的入门学习资料或参考书，另外关注纳米生物材料领域的具备中等教育水平的人员也可阅读。
纳米生物材料(精)/生物材料科学与工程丛书 目录
目录
总序
前言
第1章 纳米生物材料概述 1
1.1 绪论 1
1.1.1 纳米材料 1
1.1.2 生物材料 2
1.1.3 纳米生物材料简介 2
1.2 纳米生物材料发展历史与现状 3
1.2.1 发展历史 3
1.2.2 国内外的发展现状 5
1.3 纳米生物材料的分类 8
1.3.1 无机类纳米生物材料 8
1.3.2 高分子类纳米生物材料 9
1.3.3 生物医用纳米复合材料 10
1.3.4 功能纳米生物材料 12
1.4 纳米生物材料的研究热点与前沿 13
1.4.1 纳米生物材料的可控合成 13
1.4.2 纳米生物材料的表面改性与功能组装 15
1.4.3 纳米生物材料的纳米效应 16
1.5 本章小结 16
参考文献 17
第2章 纳米钙磷生物材料 20
2.1 绪论 20
2.2 钙磷生物材料简介 20
2.2.1 钙磷生物材料的发展历程 20
2.2.2 钙磷生物材料的分类 21
2.3 纳米钙磷粉体的合成 22
2.3.1 钙磷盐反应原理及反应路径 22
2.3.2 纳米钙磷盐的转化及其影响因素 23
2.3.3 纳米钙磷胶凝材料的结构与性能 26
2.4 纳米羟基磷灰石 27
2.4.1 羟基磷灰石的晶体结构和特性 27
2.4.2 纳米羟基磷灰石的合成 28
2.4.3 离子掺杂的纳米羟基磷灰石 29
2.4.4 纳米羟基磷灰石的改性研究 30
2.4.5 纳米羟基磷灰石的特性 31
2.4.6 介孔羟基磷灰石及其应用 32
2.5 纳米磷酸三钙 33
2.5.1 磷酸三钙的结构和生物特性 33
2.5.2 纳米磷酸三钙的合成 34
2.6 纳米磷酸氢钙 35
2.6.1 纳米磷酸氢钙的合成 35
2.6.2 影响纳米磷酸氢钙粒径和形态的主要因素 36
2.7 纳米钙磷陶瓷的制备及其生物应用 37
2.7.1 纳米钙磷陶瓷的可控制备 37
2.7.2 磷酸三钙陶瓷及其应用 38
2.7.3 羟基磷灰石陶瓷及其应用 39
2.7.4 双相陶瓷及其应用 41
2.8 磷酸钙骨水泥的合成与应用 42
2.8.1 磷酸钙骨水泥简介 42
2.8.2 磷酸钙骨水泥的水化硬化及其转化机理 43
2.8.3 磷酸钙骨水泥的体内降解及其生物转化 45
2.8.4 多孔磷酸钙支架 45
2.8.5 可注射磷酸钙骨水泥 46
2.8.6 载药磷酸钙骨水泥 48
2.8.7 活性磷酸钙骨水泥 49
2.8.8 掺相磷酸钙骨水泥 50
2.8.9 磷酸钙骨水泥的临床应用 52
2.9 本章小结 52
参考文献 53
第3章 纳米二氧化硅及其生物性能 61
3.1 绪论 61
3.2 单一孔结构介孔二氧化硅 62
3.2.1 传统介孔二氧化硅 62
3.2.2 大孔径介孔二氧化硅 64
3.2.3 核-壳结构介孔二氧化硅 68
3.3 多级孔结构介孔二氧化硅 70
3.3.1 空心介孔二氧化硅 70
3.3.2 卵壳结构二氧化硅 72
3.3.3 双介孔结构二氧化硅 74
3.3.4 三级孔结构二氧化硅 77
3.4 介孔二氧化硅的生物应用 78
3.4.1 药物输运系统 79
3.4.2 磁共振成像 85
3.4.3 光热治疗 87
3.5 本章小结 89
参考文献 90
第4章 碳纳米生物材料 98
4.1 绪论 98
4.2 碳纳米材料简介 98
4.2.1 零维碳纳米结构 99
4.2.2 一维碳纳米结构 102
4.2.3 二维碳纳米结构 104
4.3 表面化学与功能化 105
4.3.1 纳米金刚石的表面改性 105
4.3.2 其他碳纳米材料的表面功能化 106
4.4 生物安全性 107
4.4.1 零维碳颗粒的生物安全性 107
4.4.2 碳纳米管的生物安全性 109
4.4.3 石墨烯的生物安全性 110
4.5 生物医学成像 110
4.5.1 碳纳米材料的荧光与拉曼光谱特性 111
4.5.2 基于荧光的生物成像 112
4.5.3 拉曼及其他生物成像技术 113
4.6 生物传感与检测 114
4.6.1 葡萄糖生物传感器 114
4.6.2 DNA生物传感器 114
4.6.3 其他生物传感器 115
4.7 载药与治疗 115
4.7.1 药物担载、递送与肿瘤治疗 116
4.7.2 组织工程和再生医学 118
4.7.3 其他生物应用 118
4.8 本章小结 118
参考文献 119
第5章 纳米纤维材料 135
5.1 绪论 135
5.2 纳米纤维材料的设计与制备 135
5.2.1 纳米纤维材料的设计 135
5.2.2 纳米纤维的制备 138
5.3 纳米纤维材料在组织工程中的应用 142
5.3.1 纳米纤维材料在神经组织工程中的应用 142
5.3.2 纳米纤维材料在血管组织工程中的应用 147
5.3.3 纳米纤维材料在肌腱组织工程中的应用 157
5.3.4 纳米纤维在骨组织工程中的应用 165
5.4 本章小结 169
参考文献 169
第6章 纳米生物复合材料 178
6.1 绪论 178
6.2 纳米生物复合材料概述 179
6.2.1 纳米生物复合材料的设计原则 179
6.2.2 纳米生物复合材料的分类 180
6.3 纳米生物复合材料在组织工程中的应用 181
6.3.1 纳米生物复合材料在骨组织工程中的应用 181
6.3.2 纳米生物复合材料在软骨组织工程中的应用 186
6.3.3 纳米生物复合材料在神经组织工程中的应用 191
6.4 纳米生物复合材料在肿瘤多模态诊疗中的应用 198
6.4.1 纳米生物复合材料用于肿瘤诊断和成像 198
6.4.2 纳米生物复合材料用于肿瘤治疗 203
6.4.3 用于肿瘤多模态诊疗一体化的纳米生物复合材料 208
6.5 本章小结 209
参考文献 209
第7章 纳米药物载体 224
7.1 刺激响应高分子纳米药物载体 224
7.1.1 生理与病理刺激响应高分子纳米药物载体的制备及性能调控 225
7.1.2 物理刺激响应高分子纳米药物载体的制备及性能调控 232
7.1.3 多重刺激响应高分子纳米药物载体的制备及性能调控 234
7.1.4 小结 237
7.2 新型硅质体纳米药物递送体系 238
7.2.1 硅质体纳米粒子的研究进展 238
7.2.2 硅质体纳米粒子的设计与制备 239
7.2.3 硅质体纳米粒子的形态稳定性及表面修饰 243
7.2.4 硅质体纳米粒子的生物安全性 246
7.2.5 硅质体纳米粒子在医学诊断和治疗中的应用 249
7.3 纳米药物载体的机遇与挑战 259
参考文献 259
第8章 多功能纳米生物材料 266
8.1 绪论 266
8.2 纳米金的合成及其生物应用 267
8.2.1 不同结构的纳米金 267
8.2.2 金纳米颗粒的应用 271
8.3 稀土上转换材料及其在肿瘤诊疗中的应用 277
8.3.1 稀土上转换材料的设计与制备 277
8.3.2 稀土上转换探针的肿瘤影像诊断应用 282
8.3.3 稀土上转换材料的肿瘤治疗应用 288
8.4 功能纳米材料的实体肿瘤诊疗应用 300
8.4.1 功能纳米材料的乏氧肿瘤高效治疗应用 300
8.4.2 功能纳米材料用于肿瘤微环境特异性诱导激活的新型疗法应用 307
8.5 纳米抗菌生物材料 314
8.5.1 纳米自体抗菌体系 315
8.5.2 纳米抗菌生物材料的制备 318
8.5.3 纳米抗菌生物材料的抗菌机理 319
8.5.4 纳米抗菌生物材料的应用 321
8.5.5 纳米抗菌生物材料的生物安全性及毒性 324
8.6 纳米氧化铁及其生物医学应用 326
8.6.1 纳米氧化铁的设计与制备 326
8.6.2 纳米氧化铁的医学应用 329
8.6.3 基于纳米氧化铁的生物分离技术 334
8.7 本章小结 335
参考文献 336
第9章 生物医学量子点 357
9.1 绪论 357
9.2 量子点 357
9.2.1 量子点及其性质 357
9.2.2 量子点的发光机理 358
9.3 量子点的合成 359
9.3.1 量子点的化学合成 359
9.3.2 量子点的活细胞合成 361
9.3.3 量子点的准生物合成 364
9.4 生物医学量子点的制备及应用 365
9.4.1 生物医学量子点的制备 365
9.4.2 量子点单病毒动态示踪 369
9.4.3 量子点活体及组织成像 371
9.4.4 量子点生物检测 376
9.5 本章小结 380
参考文献 380
第10章 纳米生物材料的新效应 388
10.1 绪论 388
10.2 羟基磷灰石纳米颗粒抗肿瘤活性及其机理 389
10.2.1 羟基磷灰石纳米颗粒抗肿瘤活性、机理简介 390
10.2.2 羟基磷灰石纳米颗粒对肿瘤细胞的特异性毒性 401
10.2.3 粒子特性对羟基磷灰石纳米颗粒抗肿瘤活性的影响 405
10.2.4 其他纳米粒子的抗肿瘤活性 410
10.3 纳米材料对蛋白质固载以及细胞行为的影响 411
10.3.1 纳米表/界面对蛋白质结构和活性的影响 411
10.3.2 纳米材料与细胞的相互作用 417
10.4 本章小结 420
参考文献 421
第11章 纳米生物材料的表征新技术 429
11.1 绪论 429
11.2 纳米生物材料的常用表征技术 429
11.2.1 光学显微成像及应用 429
11.2.2 电子显微成像及应用 436
11.2.3 激光散射法原理及应用 443
11.2.4 X射线表征技术及应用 448
11.3 纳米生物材料结构的原位高分辨定量表征新技术 455
11.3.1 相干X射线衍射成像技术 455
11.3.2 布拉格相干X射线衍射成像技术 460
11.3.3 纳米CT成像技术及其在生物材料表征中的应用 466
11.4 本章小结 471
参考文献 472
第12章 纳米生物材料的安全性研究 479
12.1 绪论 479
12.2 纳米材料的暴露途径及其对重要组织器官的影响 482
12.3 纳米材料在生物体内代谢与转运过程的规律 483
12.3.1 纳米材料的体内动力学特性 483
12.3.2 纳米材料的生物利用度决定了纳米材料在体内的蓄积 484
12.3.3 建立针对ADME过程的具有高灵敏度和高分辨率的分析方法 486
12.4 影响纳米生物材料安全性的物理
总序
前言
第1章 纳米生物材料概述 1
1.1 绪论 1
1.1.1 纳米材料 1
1.1.2 生物材料 2
1.1.3 纳米生物材料简介 2
1.2 纳米生物材料发展历史与现状 3
1.2.1 发展历史 3
1.2.2 国内外的发展现状 5
1.3 纳米生物材料的分类 8
1.3.1 无机类纳米生物材料 8
1.3.2 高分子类纳米生物材料 9
1.3.3 生物医用纳米复合材料 10
1.3.4 功能纳米生物材料 12
1.4 纳米生物材料的研究热点与前沿 13
1.4.1 纳米生物材料的可控合成 13
1.4.2 纳米生物材料的表面改性与功能组装 15
1.4.3 纳米生物材料的纳米效应 16
1.5 本章小结 16
参考文献 17
第2章 纳米钙磷生物材料 20
2.1 绪论 20
2.2 钙磷生物材料简介 20
2.2.1 钙磷生物材料的发展历程 20
2.2.2 钙磷生物材料的分类 21
2.3 纳米钙磷粉体的合成 22
2.3.1 钙磷盐反应原理及反应路径 22
2.3.2 纳米钙磷盐的转化及其影响因素 23
2.3.3 纳米钙磷胶凝材料的结构与性能 26
2.4 纳米羟基磷灰石 27
2.4.1 羟基磷灰石的晶体结构和特性 27
2.4.2 纳米羟基磷灰石的合成 28
2.4.3 离子掺杂的纳米羟基磷灰石 29
2.4.4 纳米羟基磷灰石的改性研究 30
2.4.5 纳米羟基磷灰石的特性 31
2.4.6 介孔羟基磷灰石及其应用 32
2.5 纳米磷酸三钙 33
2.5.1 磷酸三钙的结构和生物特性 33
2.5.2 纳米磷酸三钙的合成 34
2.6 纳米磷酸氢钙 35
2.6.1 纳米磷酸氢钙的合成 35
2.6.2 影响纳米磷酸氢钙粒径和形态的主要因素 36
2.7 纳米钙磷陶瓷的制备及其生物应用 37
2.7.1 纳米钙磷陶瓷的可控制备 37
2.7.2 磷酸三钙陶瓷及其应用 38
2.7.3 羟基磷灰石陶瓷及其应用 39
2.7.4 双相陶瓷及其应用 41
2.8 磷酸钙骨水泥的合成与应用 42
2.8.1 磷酸钙骨水泥简介 42
2.8.2 磷酸钙骨水泥的水化硬化及其转化机理 43
2.8.3 磷酸钙骨水泥的体内降解及其生物转化 45
2.8.4 多孔磷酸钙支架 45
2.8.5 可注射磷酸钙骨水泥 46
2.8.6 载药磷酸钙骨水泥 48
2.8.7 活性磷酸钙骨水泥 49
2.8.8 掺相磷酸钙骨水泥 50
2.8.9 磷酸钙骨水泥的临床应用 52
2.9 本章小结 52
参考文献 53
第3章 纳米二氧化硅及其生物性能 61
3.1 绪论 61
3.2 单一孔结构介孔二氧化硅 62
3.2.1 传统介孔二氧化硅 62
3.2.2 大孔径介孔二氧化硅 64
3.2.3 核-壳结构介孔二氧化硅 68
3.3 多级孔结构介孔二氧化硅 70
3.3.1 空心介孔二氧化硅 70
3.3.2 卵壳结构二氧化硅 72
3.3.3 双介孔结构二氧化硅 74
3.3.4 三级孔结构二氧化硅 77
3.4 介孔二氧化硅的生物应用 78
3.4.1 药物输运系统 79
3.4.2 磁共振成像 85
3.4.3 光热治疗 87
3.5 本章小结 89
参考文献 90
第4章 碳纳米生物材料 98
4.1 绪论 98
4.2 碳纳米材料简介 98
4.2.1 零维碳纳米结构 99
4.2.2 一维碳纳米结构 102
4.2.3 二维碳纳米结构 104
4.3 表面化学与功能化 105
4.3.1 纳米金刚石的表面改性 105
4.3.2 其他碳纳米材料的表面功能化 106
4.4 生物安全性 107
4.4.1 零维碳颗粒的生物安全性 107
4.4.2 碳纳米管的生物安全性 109
4.4.3 石墨烯的生物安全性 110
4.5 生物医学成像 110
4.5.1 碳纳米材料的荧光与拉曼光谱特性 111
4.5.2 基于荧光的生物成像 112
4.5.3 拉曼及其他生物成像技术 113
4.6 生物传感与检测 114
4.6.1 葡萄糖生物传感器 114
4.6.2 DNA生物传感器 114
4.6.3 其他生物传感器 115
4.7 载药与治疗 115
4.7.1 药物担载、递送与肿瘤治疗 116
4.7.2 组织工程和再生医学 118
4.7.3 其他生物应用 118
4.8 本章小结 118
参考文献 119
第5章 纳米纤维材料 135
5.1 绪论 135
5.2 纳米纤维材料的设计与制备 135
5.2.1 纳米纤维材料的设计 135
5.2.2 纳米纤维的制备 138
5.3 纳米纤维材料在组织工程中的应用 142
5.3.1 纳米纤维材料在神经组织工程中的应用 142
5.3.2 纳米纤维材料在血管组织工程中的应用 147
5.3.3 纳米纤维材料在肌腱组织工程中的应用 157
5.3.4 纳米纤维在骨组织工程中的应用 165
5.4 本章小结 169
参考文献 169
第6章 纳米生物复合材料 178
6.1 绪论 178
6.2 纳米生物复合材料概述 179
6.2.1 纳米生物复合材料的设计原则 179
6.2.2 纳米生物复合材料的分类 180
6.3 纳米生物复合材料在组织工程中的应用 181
6.3.1 纳米生物复合材料在骨组织工程中的应用 181
6.3.2 纳米生物复合材料在软骨组织工程中的应用 186
6.3.3 纳米生物复合材料在神经组织工程中的应用 191
6.4 纳米生物复合材料在肿瘤多模态诊疗中的应用 198
6.4.1 纳米生物复合材料用于肿瘤诊断和成像 198
6.4.2 纳米生物复合材料用于肿瘤治疗 203
6.4.3 用于肿瘤多模态诊疗一体化的纳米生物复合材料 208
6.5 本章小结 209
参考文献 209
第7章 纳米药物载体 224
7.1 刺激响应高分子纳米药物载体 224
7.1.1 生理与病理刺激响应高分子纳米药物载体的制备及性能调控 225
7.1.2 物理刺激响应高分子纳米药物载体的制备及性能调控 232
7.1.3 多重刺激响应高分子纳米药物载体的制备及性能调控 234
7.1.4 小结 237
7.2 新型硅质体纳米药物递送体系 238
7.2.1 硅质体纳米粒子的研究进展 238
7.2.2 硅质体纳米粒子的设计与制备 239
7.2.3 硅质体纳米粒子的形态稳定性及表面修饰 243
7.2.4 硅质体纳米粒子的生物安全性 246
7.2.5 硅质体纳米粒子在医学诊断和治疗中的应用 249
7.3 纳米药物载体的机遇与挑战 259
参考文献 259
第8章 多功能纳米生物材料 266
8.1 绪论 266
8.2 纳米金的合成及其生物应用 267
8.2.1 不同结构的纳米金 267
8.2.2 金纳米颗粒的应用 271
8.3 稀土上转换材料及其在肿瘤诊疗中的应用 277
8.3.1 稀土上转换材料的设计与制备 277
8.3.2 稀土上转换探针的肿瘤影像诊断应用 282
8.3.3 稀土上转换材料的肿瘤治疗应用 288
8.4 功能纳米材料的实体肿瘤诊疗应用 300
8.4.1 功能纳米材料的乏氧肿瘤高效治疗应用 300
8.4.2 功能纳米材料用于肿瘤微环境特异性诱导激活的新型疗法应用 307
8.5 纳米抗菌生物材料 314
8.5.1 纳米自体抗菌体系 315
8.5.2 纳米抗菌生物材料的制备 318
8.5.3 纳米抗菌生物材料的抗菌机理 319
8.5.4 纳米抗菌生物材料的应用 321
8.5.5 纳米抗菌生物材料的生物安全性及毒性 324
8.6 纳米氧化铁及其生物医学应用 326
8.6.1 纳米氧化铁的设计与制备 326
8.6.2 纳米氧化铁的医学应用 329
8.6.3 基于纳米氧化铁的生物分离技术 334
8.7 本章小结 335
参考文献 336
第9章 生物医学量子点 357
9.1 绪论 357
9.2 量子点 357
9.2.1 量子点及其性质 357
9.2.2 量子点的发光机理 358
9.3 量子点的合成 359
9.3.1 量子点的化学合成 359
9.3.2 量子点的活细胞合成 361
9.3.3 量子点的准生物合成 364
9.4 生物医学量子点的制备及应用 365
9.4.1 生物医学量子点的制备 365
9.4.2 量子点单病毒动态示踪 369
9.4.3 量子点活体及组织成像 371
9.4.4 量子点生物检测 376
9.5 本章小结 380
参考文献 380
第10章 纳米生物材料的新效应 388
10.1 绪论 388
10.2 羟基磷灰石纳米颗粒抗肿瘤活性及其机理 389
10.2.1 羟基磷灰石纳米颗粒抗肿瘤活性、机理简介 390
10.2.2 羟基磷灰石纳米颗粒对肿瘤细胞的特异性毒性 401
10.2.3 粒子特性对羟基磷灰石纳米颗粒抗肿瘤活性的影响 405
10.2.4 其他纳米粒子的抗肿瘤活性 410
10.3 纳米材料对蛋白质固载以及细胞行为的影响 411
10.3.1 纳米表/界面对蛋白质结构和活性的影响 411
10.3.2 纳米材料与细胞的相互作用 417
10.4 本章小结 420
参考文献 421
第11章 纳米生物材料的表征新技术 429
11.1 绪论 429
11.2 纳米生物材料的常用表征技术 429
11.2.1 光学显微成像及应用 429
11.2.2 电子显微成像及应用 436
11.2.3 激光散射法原理及应用 443
11.2.4 X射线表征技术及应用 448
11.3 纳米生物材料结构的原位高分辨定量表征新技术 455
11.3.1 相干X射线衍射成像技术 455
11.3.2 布拉格相干X射线衍射成像技术 460
11.3.3 纳米CT成像技术及其在生物材料表征中的应用 466
11.4 本章小结 471
参考文献 472
第12章 纳米生物材料的安全性研究 479
12.1 绪论 479
12.2 纳米材料的暴露途径及其对重要组织器官的影响 482
12.3 纳米材料在生物体内代谢与转运过程的规律 483
12.3.1 纳米材料的体内动力学特性 483
12.3.2 纳米材料的生物利用度决定了纳米材料在体内的蓄积 484
12.3.3 建立针对ADME过程的具有高灵敏度和高分辨率的分析方法 486
12.4 影响纳米生物材料安全性的物理
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纳米生物材料(精)/生物材料科学与工程丛书 节选
第1章 纳米生物材料概述 1.1绪论 1.1.1 纳米材料 材料是人类赖以生存和发展的基础，是人类社会进步与发展的先导。尤其是当前，现代高科技的发展更强烈地依赖于新材料的发展；同时也对材料的性能提出了更高、更苛刻的要求。随着对材料结构-性能认识的不断深入，研究者认识到一定尺度范围内材料本体及表/界面的特性改变是调控其性能的有效手段，尤其是在纳米到微米范围内（图1-1）。亚微米尺度可显著改善材料性能，而纳米尺度则可赋予材料新的性能。 图1-1 纳米材料的尺度范围 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（0.1～100nm）或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的材料的总称。从尺寸大小来说，纳米尺度范围相当于10～100个原子紧密排列在一起。从传统的微观和宏观的观点看，纳米尺度处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域，既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，而是一种典型的介观系统[1]。通常，当物质达到纳米尺度以后，会因独特的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应而呈现完全不同于传统宏观物质的奇异或反常的物理、化学或生物特性，即纳米效应[2]。纳米材料的性能往往由量子力学决定。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有表现出特殊性能的材料，不能称为纳米材料。 根据物理形态划分，纳米材料大致可分为纳米粉末（纳米颗粒）、纳米纤维（纳米管、纳米线）、纳米膜、纳米块体等四类。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为四类：①零维纳米材料，是指在三维尺寸均为纳米量级的纳米颗粒或原子团簇；②一维纳米材料，是指在三维空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；③二维纳米材料，是指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等；④三维纳米材料，是指由纳米颗粒、纳米线、纳米孔等组成的三维空间上均大于100nm的纳米结构材料，如纳米气溶胶、多级微纳结构支架材料等。 1.1.2 生物材料 生物材料（biomaterials），又称生物医学材料，是用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断、治疗、修复或替换机体组织、器官或增进其功能的一类天然或人工合成的特殊功能材料，要求具有生物相容性及可替代活组织的某些功能。生物材料是材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学、工程技术、机械及人工智能等多种学科相互交叉渗透的领域。生物材料有人工合成材料和天然材料；有单一材料、复合材料以及活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的复合杂化材料。生物材料本身不是药物，其治疗途径是以与生物机体直接结合和相互作用为基本特征。 1.1.3 纳米生物材料简介 纳米生物材料是纳米科技向生物材料领域渗透的产物，纳米材料所具有的独特性能不仅为设计和制备新型高性能生物材料提供了新思路和新方法，而且为生物材料领域中采用常规技术和方法所无法解决的问题提供了新的手段，是新材料和纳米生物技术研究的核心内容之一，在医药卫生领域有着广泛的应用和明确的产业化前景。通常，纳米生物材料的发展主要包括两个方面：①利用新兴的纳米技术解决生物学和医学方面的关键技术难题和重要科学问题；②借鉴生物学原理，仿生设计构建新型具有纳米尺度的生物材料，改善或提高材料的性能。 纳米生物材料必须通过直接或间接参与生命活动才能发挥其作用。细胞是组成生命的基本单元，生物材料与细胞之间的相互作用是其实现功能的基础和核心。蛋白质以及基因级联激活是生物材料调控细胞行为的本质。纳米生物材料特殊的尺寸和结构决定了其与细胞/蛋白质之间的相互作用完全不同于常规材料，呈现一系列特异的生物学效应。例如，对一维纳米粒子来讲，其粒径小于动物细胞（5～50μm），与生物体重要的蛋白质和核酸相当，这就使得纳米粒子可以进入细胞并对体内蛋白质和遗传物质的生长产生影响[3]，而且也可以携带药物/基因等进入细胞发挥治疗作用[4， 5]。另外，纳米微观结构材料与生物体内细胞生存的微环境（大多是由66nm胶原纤维构成的纳米支架结构）处于相同的尺寸，因此其空间微观结构，如粗糙程度、空隙大小及分布等对细胞形态、黏附、铺展、定向生长及生物活性均有很大的影响[6， 7]。 尽管研究的历史有限，但纳米生物材料发展迅猛，呈现出旺盛的生命力。尤其是近年来，随着纳米科技、生物技术等相关领域研究和相关检测手段的快速发展，纳米生物材料取得了引人注目的成就。一方面，对于纳米生物材料的可控制备、功能组装及其纳米化后所表现出的特殊的生物活性（如细胞/组织的调控、抗肿瘤活性、抗菌活性、基因转染等）以及过程的纳米尺度效应（如纳米粒子的大小、表/界面特性等对其生物学效应的影响规律及机理等）有了系统深入的认识；另一方面，部分纳米生物材料或者其复合材料已经实现产业化，被成功应用于临床，挽救患者生命，造福人类社会。 1.2 纳米生物材料发展历史与现状 1.2.1 发展历史 从20世纪50年代开始，随着材料学、生物学和纳米技术等多学科技术的发展，纳米生物材料开始起步并逐步应用于组织修复、药物载体以及生物检测和诊断等生物医学领域。80年代，扫描隧道显微镜出现，伴随着纳米技术的飞速发展，纳米生物材料作为一门新兴的学科也得到了加速发展[8]。纵观纳米生物材料的发展历史，不难发现高分辨显微术的出现、先进材料制备技术及生物医学的快速发展对纳米生物材料的发展起到了举足轻重的推动作用，其发展过程大致可以分为三个阶段：**阶段—起步；第二阶段—加速；第三阶段—腾飞（图1-2）。 图1-2 纳米生物材料的发展历程 **阶段：20世纪之前，受限于传统的材料加工方法以及落后的材料分析检测技术，纳米生物材料的发展基本处于起步阶段，理论研究匮乏。大约从20世纪早期开始，电子衍射技术和电子显微术等关键检测分析手段逐渐出现和发展，标志着人类对纳米尺度有了更加直观的认识，纳米生物材料开始萌芽。20世纪50年代，羟基磷灰石（HAP）作为一种无机纳米生物材料首先得到了广泛关注。1958年，Posner等对HAP的晶体结构进行了细致的分析。60年代，Neuman等用X射线衍射技术研究了骨骼和牙釉质中碳酸HAP的结晶性和晶格变形[9]。除了HAP无机纳米材料，有机纳米材料作为药物载体的研究也开始起步。1964年，英国学者Bangham将磷脂分散在水中进行电镜观察时发现脂质体，并发现其对药物具有较好的包载能力，是一种良好的药物载体[10]。70年代末，自从Couvreur等首次报道了聚氰基丙烯酸烷基酯纳米粒子以来，有关它用于药物载体的研究一直方兴未艾[11]。 第二阶段：进入20世纪80年代，高分辨显微术逐渐发展成熟，极大地促进了纳米生物材料的发展。1981年，Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在瑞士苏黎世的IBM实验室发明了扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM），这一年被广泛视为纳米元年[12]。STM的出现为我们揭示了一个可见的原子、分子世界，对于纳米生物材料的发展产生了积极促进作用，多种纳米生物材料开始走出实验室并应用于临床。1985年，纳米HAP开始应用于临床[13]；1988年，钆喷酸葡甲胺（Gd-DTPA）作为造影剂用于增强核磁共振诊断检查效果[14]；1993年，超顺磁性氧化铁纳米颗粒用于生物成像；1995年，脂质体获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准[15]。 第三阶段：21世纪以来，纳米生物材料在组织修复、抗肿瘤、抗菌和生物检测等领域的基础和应用研究开始飞速发展，开启了百花齐放、百家争鸣的新时代。除了传统的纳米生物材料，涌现了一批新的纳米生物医用材料。例如，由于具有比表面积大、载药量高等优势，纳米介孔材料开始应用于药物和蛋白质的输送。量子点纳米尺度上转换材料作为一种新型的荧光纳米材料，因其独特的光物理和光化学特性，也开始应用于生物医学检测领域。2003年，Larson等在Science上报道了量子点的多光子发射性质，这样在荧光成像的时候可以完全避开生物组织的背景荧光[16]。2004年，Bhatia等报道了量子点的生物毒性，使得关于量子点的研究趋于理性[17]。此外可通过修饰量子点提高其水溶性并降低其生物毒性，开发量子点探针用于生物检测。同时，随着研究的日益成熟，许多纳米生物材料开始应用于临床，如纳米骨组织修复材料、纳米脂质体、纳米氧化铁等。 1.2.2 国内外的发展现状 现代医学目前正向损伤组织和器官的完美再生和重建、肌体生理功能恢复和增进、个性化和微创治疗以及早期检测诊断、诊疗一体化等方向发展，传统的医用金属、无机陶瓷、高分子等材料，已无法满足医学和临床需求。纳米科技的出现为现代生物医用材料和临床的发展带来了新的机遇与挑战。纳米生物材料是21世纪的前沿学科之一，属于典型的应用科学。尽管纳米生物材料的发展历史不长，但由于其在保障人类的健康和诊疗等方面所起的巨大作用，得到了全世界很多国家政府、研究机构和企业的高度重视，包括斯坦福大学、哈佛大学、麻省理工学院、剑桥大学等著名机构均走在纳米生物材料研究的前沿。从目前研究和临床应用的热点来看，纳米生物材料主要涉及纳米组织修复材料、纳米药物和基因载体、纳米生物探针和检测技术等重要领域。以下就这些领域目前的研究进展进行分述。 1. 纳米组织修复材料 利用生物材料、组织工程支架等对组织器官进行再生修复是再生医学的重要研究方向。其中，构建利于体内外蛋白质吸附、细胞黏附/分化、组织长入、营养输送的材料是关键。生物活性不足、修复速度慢、修复效果不理想等是临床普遍存在的共性问题。目前，模拟天然组织组成结构设计构建具有纳米本体或纳米表/界面结构的支架材料、可注射材料等成为国内外关注的热点。如基于骨组织的组成仿生设计胶原纳米复合材料、纳米陶瓷材料、纳米磷酸钙骨水泥材料、纳米磷酸钙基水凝胶材料等；基于天然骨结构设计制备的多级微纳结构材料、3D打印莲藕状结构材料；基于神经的结构设计纳米纤维材料，等等。深入研究材料的组成、结构等对细胞行为和组织生长的影响规律，为新材料的设计制备提供理论指导，这是纳米修复材料的重要研究内容。 生物医用材料植入体内与机体的反应首先发生于植入材料的表面/界面，即材料表/界面对体内蛋白质/细胞的吸附/黏附。控制材料表/界面对蛋白质的吸附，进而左右细胞行为，是控制和引导其生物学反应、避免异体反应的关键。深入研究生物材料的表/界面，发展表面改性技术及表面改性植入器械，是改进和提高生物材料活性的重要手段。组装/复合生物活性因子，通过纳米表面/界面的优化实现生物活性因子的活性装载是全面提升传统组织修复材料生物活性又一重要发展方向。 2. 纳米药物和基因载体 药物/基因的缓释、控释和靶向传输是纳米生物材料研究领域的一个重点，对未来的疾病治疗有着不可估量的意义，其发展前景不可限量。与传统分子药物和蛋白质制剂相比，纳米药物具有对组织、细胞高的穿透能力、理想的缓控作用和生物降解性、高效低毒等明显优势。同时，可以根据靶位的特点制成不同的缓释剂型并对表面进行特殊修饰，从而改变药物在体内的半衰期、延长药物的作用时间、提高药物的靶向性及循环时间等。另外，纳米化还可将一些特殊药物/蛋白质输送到机体天然的生物屏障部位，来治疗以往只能通过手术治疗的疾病。近年来，药物释放系统的研究取得了十分显著的进展。许多无机、有机基质（包括天然高分子、合成高分子材料等）作为药物释放系统的载体材料被大量研究。其中，纳米脂质体、可降解聚合物纳米微球（尤其是聚己内酯、聚乳酸等）被证明具有良好的生物相容性、生物降解性、对药物/蛋白质的保护作用和可控释放性及较高的药物装载量、较好的机械强度和较好的稳定性等优良性能，被广泛用作药物、蛋白质和基因等的载体材料，发展迅猛。特别是作为抗肿瘤药物的载体，极大地提高了难溶性抗癌药物的溶解性
纳米生物材料(精)/生物材料科学与工程丛书 作者简介
刘昌胜，中国科学院院士、国家杰出青年科学基金获得者、教育部“长江学者”特聘教授、国家自然科学基金创新研究群体学术带头人。入选靠前生物材料科学与工程学会联合会会士（Fellow）、美国医学与生物工程院会士（Fellow），以及“新世纪百千万人才工程”重量人选。现任上海大学校长，国家自然科学基金委第八届全委会委员，国家“纳米科技”重点专项总体专家组成员，教育部科技委材料学部委员，国务院学位委员会材料学科评议组成员，教育部高等学校教学指导委员会材料类专业教学指导委员会副主任，中国生物材料学会候任理事长，中国生物医学工程学会常务理事等。 长期从事生物材料研究及其临床转化工作，包括组织修复与再生材料、纳米生物材料、可注射生物材料、药物\/生物活性因子控释等。发展了多种活性骨修复材料以及生长因子制备和材料活化新技术；在国内率先研制出自固化磷酸钙人工骨，于2000年获得此类产品首张注册证，并实现临床广泛应用。采用基因工程技术，利用原核生物制造骨生长因子-骨形态发生蛋白-2（BMP-2），并制备出具有高成骨活性的骨修复体，也实现了临床的广泛应用。在靠前上抢先发售提出材料生物学新概念。获授权中国发明40余项，获授权美国4项。发表SC收录论文近300篇，出版中英文专著（教材）4部。先后以完成.人荣获国家自然科学奖二等奖、国家科学技术进步奖二等奖，以及何梁何利基金科学与技术创新奖，上海市青年科技杰出贡献奖等奖项；并获全国很好科技工作者、上海市科技精英等荣誉称号。
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