Nanoparticles and Nanodevices in Biological Applications pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Bellucci, Stefano 编

出品人:

页数:197

译者:

出版时间:

价格:$ 179.67

装帧:

isbn号码:9783540709435

丛书系列:

图书标签:

纳米颗粒
纳米器件
生物应用
生物医学
纳米技术
生物传感器
药物递送
生物成像
纳米材料
医学工程

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具体描述

This is the first volume in a series of books on selected topics in Nanoscale Science and Technology based on lectures given at the well-known INFN schools of the same name. The aim of this collection is to provide a reference corpus of suitable, introductory material to relevant subfields, as they mature over time, by gathering the significantly expanded and edited versions of tutorial lectures, given over the years by internationally known experts. The present set of notes results in particular from the participation and dedication of prestigious lecturers, such as Vincenzo Balzani, Santina Carnazza, Andrea Salis Barbara Panessa-Warren and Stefano Bellucci. As usual, the lectures were subsequently carefully edited and reworked, taking into account the extensive follow-up discussions. A tutorial lecture by Vincenzo Balzani and collaborators (Univ. Bologna, Italy) introduces the reader to the topic of molecular devices and machines, seen as a journey into the nano world. Santina Carnazza (Univ. of Messina, Italy) contribution deals with surface bio-functionalization aimed to enhance promonocytic cells adhesion and spatial confinement, and micro-patterning of polymer surfaces. Andrea Salis and co-workers (Univ. Cagliari, Italy) go about biotechnological applications of lipases immobilized onto porous materials, i.e. biodiesel production and biosensors. Understanding the biological effects of nanoparticles at the mesoscopic (microPET) and microscopic levels (light and electron microscopy) is essential to predict nanoparticle processing, degradation and excretion in cells, and mammalian systems in general. In this respect, Barbara Panessa-Warren (BNL, USA) in her lecture provides the reader with an overview of the types of phenomena occuring with living cells and tissues exposed to nanoparticles, as well as new experimental data on the biological cell and tissue responses in vitro and in vivo to nanoparticles designed for bio-medical use. An extensive contribution to review recent results about the toxicity of nanomaterials, concentrating in particular on carbon nanotubes, is the subject of the tutorial by Stefano Bellucci (INFN-LNF, Italy).

《微纳科技在生物医学中的应用前景》一、引言：生物医学的微纳革命在过去的几十年里，科学技术的飞速发展，尤其是材料科学和工程学的突破，正在深刻地改变着我们认识和治疗疾病的方式。其中，微纳技术以前所未有的精度和功能性，为生物医学领域注入了新的活力，开启了一个全新的研究和应用时代。微观世界的奇妙特性，如巨大的表面积与体积比、量子效应以及高度的尺寸可控性，使得利用微纳材料和器件来解决生物医学难题成为可能。从疾病的早期诊断到精准靶向治疗，再到组织工程和再生医学的突破，微纳技术正以前所未有的广度和深度渗透到生物医学的各个层面，预示着一场深刻的“微纳革命”。本篇综述旨在深入探讨微纳技术在生物医学领域一系列具有颠覆性的应用潜力。我们将重点关注那些已经展现出巨大前景，或者正在快速发展，有望在不久的将来改变临床实践和患者生活的研究方向。通过对当前研究进展的梳理和未来发展趋势的展望，我们希望能够为相关领域的科研人员、工程师以及医疗从业者提供一个全面而深刻的认识，激发更多的创新思路和合作机遇。二、微纳技术在疾病诊断中的革新疾病的早期、准确诊断是有效治疗和改善预后的关键。传统诊断方法往往存在灵敏度不足、特异性不高、检测周期长等局限性。微纳技术以其独特的优势，正在为疾病诊断带来革命性的变革。 1. 高灵敏度生物传感器：纳米材料，如金纳米粒子、量子点、碳纳米管和石墨烯等，因其卓越的光学、电学和磁学性质，被广泛应用于构建高灵敏度的生物传感器。这些纳米材料可以作为信号放大器，将微量的生物标志物（如特定的蛋白质、核酸、激素等）的结合事件转化为可检测的信号。例如，利用金纳米粒子的表面等离激元共振效应，可以设计出能够检测极低浓度癌细胞表面抗原的生物传感器；量子点的荧光特性使其成为荧光免疫分析的理想探针，能够实现对病毒、细菌以及基因突变的灵敏检测。纳米粒子作为指示剂：纳米粒子的尺寸效应和表面可修饰性，使其能够方便地与生物分子偶联，并通过光学（颜色变化、荧光增强/猝灭）、电化学或磁学信号的变化来指示生物分子的存在和浓度。例如，胶体金纳米粒子在比色法中的应用，已被广泛用于快速诊断试剂盒，如妊娠试验和传染病检测。微流控与纳米技术结合：将微流控芯片与纳米传感器集成，能够实现对微量样本（如血液、唾液、尿液）的自动化、高通量检测。微流控技术可以精确控制流体，将样本与纳米探针进行高效混合和反应，从而提高检测效率和灵敏度。这种“芯片实验室”（Lab-on-a-chip）的模式，有望将复杂的实验室诊断流程简化到床边检测，实现快速、便捷的诊断。多重诊断平台：利用纳米材料的多样性和可设计性，可以构建能够同时检测多种生物标志物的多重诊断平台，从而实现对疾病的更全面、更精准的评估，以及对病情进展的动态监测。 2. 纳米成像技术：传统的医学成像技术（如X射线、CT、MRI）在分辨率和软组织对比度方面仍有提升空间。纳米材料作为造影剂，能够显著提高成像的灵敏度和特异性，甚至实现对微小病灶的早期发现。增强对比度：纳米粒子，特别是磁性纳米粒子（如氧化铁纳米粒子）和金纳米粒子，可以用作磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）的造影剂。它们能够改变周围组织的磁场环境或X射线衰减系数，从而提高图像的对比度和分辨率，使得医生能够更清晰地观察到病灶。分子成像：通过将纳米材料与具有靶向性的配体（如抗体、多肽）偶联，可以实现对特定分子或细胞（如癌细胞、炎症部位）的分子成像。例如，荧光纳米粒子可以靶向肿瘤细胞，然后通过荧光显微镜或体外荧光成像技术进行可视化，从而实现对肿瘤早期生长和转移的精准追踪。多模态成像：将不同成像模态的纳米探针集成，可以实现多模态成像，从而获得更丰富、更全面的诊断信息。例如，结合MRI和荧光成像，可以同时提供解剖学和分子信息，极大地提高了诊断的准确性。三、微纳技术在疾病治疗中的突破在疾病治疗领域，微纳技术正引领着从“广谱杀伤”到“精准打击”的范式转变。其核心优势在于能够实现药物的靶向递送、控制释放，以及直接的物理或化学治疗。 1. 药物靶向递送系统：药物的有效性和安全性很大程度上取决于其在体内的分布和靶向性。许多药物在全身给药时，会产生严重的毒副作用，且难以有效抵达病灶。纳米载体，如脂质体、聚合物纳米粒、纳米胶束、无机纳米粒子等，能够包裹、修饰和递送药物，实现对其在体内行为的精准控制。靶向能力：纳米载体表面可以修饰靶向分子，如抗体、适配体、多肽或叶酸等，使其能够特异性地识别和结合病灶部位的细胞或分子，从而将药物精准地递送到目标区域，显著降低对健康组织的损伤。例如，针对癌细胞表面过表达特定受体的抗体，可以引导纳米药物载体精确附着于癌细胞。控释功能：纳米载体的结构设计可以实现药物的缓释或按需释放。例如，通过控制纳米粒子的降解速率或在特定生理条件下（如pH、温度、酶）诱导药物释放，可以延长药物在体内的作用时间，减少给药频率，提高患者依从性。提高药物溶解度和稳定性：许多难溶性药物可以通过纳米化处理，形成纳米分散体或纳米晶体，从而显著提高其溶解度和生物利用度。同时，纳米载体还可以保护药物免受体内环境的降解，提高其稳定性。联合治疗：纳米载体能够同时递送多种药物或治疗因子，实现联合治疗，协同增效，克服耐药性，例如同时递送化疗药物和基因治疗药物。 2. 纳米治疗：除了作为药物载体，纳米材料本身也能够直接发挥治疗作用。光动力疗法 (PDT) 和光热疗法 (PTT)：某些纳米材料，如金纳米棒、普鲁士蓝纳米粒子等，在特定波长的光照射下，能够产生热量或活性氧，从而诱导癌细胞凋亡。这种疗法具有无创、精准、副作用小的特点。基因治疗：纳米材料可以作为非病毒载体，高效、安全地将治疗性基因（如siRNA、shRNA、miRNA、DNA）递送到细胞内，用于沉默致病基因或引入治疗基因，从而纠正基因缺陷。免疫疗法：纳米材料可以用于调控免疫反应，例如作为免疫佐剂，增强疫苗的免疫原性；或者用于靶向递送免疫抑制剂，治疗自身免疫性疾病。抗菌纳米材料：银纳米粒子、氧化锌纳米粒子等具有广谱抗菌活性，可以用于开发新型抗菌材料，对抗耐药菌株的威胁。四、微纳技术在组织工程与再生医学中的应用组织工程和再生医学旨在修复、替换或再生受损的组织和器官，而微纳技术为实现这一目标提供了关键的工具和平台。 1. 纳米生物支架：构建具有良好生物相容性、可降解性、力学性能和引导细胞生长的三维支架是组织工程的关键。纳米材料，如聚合物纳米纤维、纳米陶瓷、纳米涂层等，能够模拟天然细胞外基质 (ECM) 的微观结构和功能，为细胞提供理想的生长和分化环境。模拟ECM：纳米纤维支架的直径、形貌和表面纹理可以模仿天然ECM，为细胞提供锚定点和生长信号，引导细胞的行为，如粘附、增殖和分化。控制细胞行为：通过在纳米支架表面修饰生长因子、细胞因子或特定的细胞外基质蛋白，可以精确调控细胞的命运，例如诱导干细胞分化为特定的细胞类型（如神经元、心肌细胞、软骨细胞）。力学性能调控：纳米材料的复合和结构设计能够实现支架力学性能的精细调控，使其能够匹配不同组织（如骨骼、肌肉、血管）的力学环境，促进组织再生。药物缓释：纳米支架可以集成药物缓释系统，在组织再生过程中持续释放生长因子或抗炎药物，促进愈合和防止并发症。 2. 纳米细胞与组织交互：微纳尺度下的细胞-材料交互研究，为我们理解细胞行为和设计更有效的生物材料提供了重要 insights。纳米探针监测细胞活动：纳米探针可以植入细胞内或附着于细胞表面，实时监测细胞的生理活动，如基因表达、信号转导、代谢变化等，为深入理解细胞功能和疾病机制提供依据。纳米机器人与细胞操作：尽管目前仍处于早期研究阶段，但纳米机器人有望实现对单个细胞的精确操作，如靶向递送基因或药物到特定细胞，甚至进行微创手术。五、结论与展望：通往精准医疗的未来之路微纳技术在生物医学领域的应用，正以前所未有的速度和深度推动着医学的进步。从疾病的早期检测和诊断，到精准靶向的药物递送和创新治疗，再到组织工程和再生医学的突破，微纳技术展现出巨大的潜力和广阔的应用前景。然而，我们也必须认识到，微纳技术在生物医学领域的应用仍面临诸多挑战，包括：生物安全性评估：纳米材料在体内的长期毒性、累积效应、免疫原性等问题需要更深入的研究和严格的评估。生产和规模化：高质量、可重复生产的纳米材料和纳米器件的规模化生产仍然是一个技术和成本上的挑战。法规和伦理：新型纳米药物和医疗器械的审批和监管需要建立完善的法规体系。临床转化：将实验室的研究成果有效地转化为临床应用，需要跨学科的合作和大量的临床试验。尽管挑战重重，但微纳技术在生物医学领域的应用前景无疑是光明的。随着科学技术的不断发展和对微观世界认识的不断深入，我们有理由相信，微纳技术将会在未来的生物医学中扮演越来越重要的角色，为人类健康带来革命性的改变，最终实现更加精准、个性化和高效的医疗服务，惠及更广泛的人群。这是一条充满希望的探索之路，值得我们不懈努力和持续投入。