纳米材料前沿--纳米生物材料

我国著名科学家钱学森院士曾预言：“纳米和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21 世纪的又一次产业革命。”这一预言被逐步证实，在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用的纳米技术已发展成为全世界科学家关注的焦点，纳米技术使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子，为我们提供了设计不同于传统材料的具有独特物理、化学特性的纳米材料新理念。随着纳米技术的发展，纳米电子学、纳米生物学、纳米材料学、纳米医学等分支学科也相继建立和发展起来，更为重要的是纳米技术促进了多学科之间的相互渗透和融合。纳米技术应用于人们生活中，尤其是旨在提高人们生活质量的生物医学领域中的应用研究，大量新颖的纳米生物材料被设计和制备得到。纳米生物材料主要是指应用于生物领域的纳米材料与纳米结构，包括纳米生物医用材料、纳米药物及药物的纳米化技术。纳米生物材料的研究涉及多学科高度交叉，为生物学和医学的研究提供了全新的思路，并在诊断、成像以及药物治疗方面展示出良好的发展势头和巨大的发展潜力。 
《纳米生物材料》是一本详细介绍纳米生物材料及其应用的学术专著。全书共分7章，第1章概述了纳米生物材料的特性、分类及安全性。第2章详细介绍了纳米生物材料“自下而上”和“自上而下”的制备方法及各种表征技术。第3章讨论了纳米生物材料的生物应用基础、应用范围以及优选标准。第4章至第6章，按照材料科学的分类方法，将纳米生物材料分为无机纳米生物材料、有机纳米生物材料、复合纳米生物材料，并对这些纳米材料的生物应用研究进展以及发展前沿和热点进行了详细介绍。第7章重点关注了界面纳米生物材料、纳米生物芯片材料、仿生纳米生物材料以及临床应用的纳米生物材料。 
纳米生物材料相关的基础研究已经取得长足进展，但其临床应用还很有限，如何把这些基础研究成果转化为临床应用的产品，需要纳米材料的研究人员与生物医学研究者加强合作交流，进一步提高纳米生物材料应用的生物安全性以及创制更先进的纳米生物材料。这也正是撰写本书的初衷，以期促进交叉领域合作研究，实现纳米生物材料临床转化应用，并终使纳米生物材料造福人类。 
本书得以完成应该感谢各位参与者的努力，在此对参与本书各章编写工作的王凤燕、王晓瑜、李盛亮、袁焕祥、张江艳博士表示感谢。 
本书撰稿过程中，虽力求准确，但由于内容新、论述面广，书中难免有论述不完善或不妥当之处，恳请同行专家和读者批评指正。 
编著者 
2017年5月

本书依据作者研究团队及国内外纳米生物材料的研究进展，从基础到应用较全面地概述了纳米生物材料的制备、表征及生物应用基础，详细介绍了各种纳米生物材料及其生物应用，具体包括无机纳米生物材料及其生物应用、有机纳米生物材料及其生物应用、复合纳米生物材料及其生物应用，并简要介绍了界面纳米生物材料、纳米生物芯片材料、仿生纳米生物材料以及临床应用的纳米生物材料。本书可供从事生物医学、生物化学、纳米科学及相关交叉学科研究的人员参考使用。

本书依据作者研究团队及国内外纳米生物材料的最新研究进展，从基础到应用较全面地概述了纳米生物材料的制备、表征及生物应用基础，详细介绍了各种纳米生物材料及其生物应用，具体包括无机纳米生物材料及其生物应用、有机纳米生物材料及其生物应用、复合纳米生物材料及其生物应用，并简要介绍了界面纳米生物材料、纳米生物芯片材料、仿生纳米生物材料以及临床应用的纳米生物材料。本书可供从事生物医学、生物化学、纳米科学及相关交叉学科研究的人员参考使用。

王树，中科院“百人计划”研究员、国家杰出青年基金获得者，2015年入选国家百千万人才工程，2016年入选国家"万人计划"领军人才（2016）。2004年入选中国科学院百人计划，任中国科学院化学研究所研究员，博士生导师。主要从事共轭聚合物荧光材料设计、合成与生物应用研究。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem.Rev.、Acc. Chem. Res.、Chem. Soc. Rev.、Nature Communications、Nature Protocols等杂志发表学术论文150余篇。担任美国化学会ACS Applied Materials &Interfaces杂志副主编，Langmuir（2011～2013）、《化学学报》、自然出版集团Scientific Reports以及英国皇家化学会Materials Horizons等杂志编委。

第1章  概述001 
1.1　纳米生物材料的定义 002 
1.2　纳米生物材料的特性 003 
1.2.1　纳米尺度效应 003 
1.2.2　界面效应 003 
1.3　纳米生物材料的分类 004 
1.3.1　无机纳米生物材料 004 
1.3.2　有机纳米生物材料 005 
1.3.3　复合纳米生物材料 006 
1.4　纳米生物材料的生物安全性 006 
1.4.1　生物降解 006 
1.4.2　生物相容性 007 
1.4.3　生物安全 007 
参考文献 008 

第2章  纳米生物材料的制备与表征011 
2.1　纳米生物材料的制备 012 
2.1.1　物理方法 012 
2.1.2　化学方法 014 
2.2　纳米生物材料的表面修饰 019 
2.2.1　纳米材料表面修饰的研究目的、内容及方法 020 
2.2.2　纳米材料的无机包覆及修饰 021 
2.2.3　纳米材料的有机包覆及修饰 024 
2.2.4　防止纳米粒子团聚的表面处理 029 
2.3　纳米生物材料的表征 031 
2.3.1　X 射线衍射和散射法 031 
2.3.2　电子显微技术 035 
2.3.3　光散射技术 041 
2.3.4　其他表征技术 043 
参考文献 046 

第3章  纳米生物材料的生物应用基础049 
3.1　生物体基本结构与功能 050 
3.1.1　分子水平 050 
3.1.2　细胞与组织水平 068 
3.1.3　活体水平 086 
3.2　纳米生物材料的生物应用 086 
3.2.1　纳米载体 086 
3.2.2　纳米医药 088 
3.2.3　纳米生物组织工程 091 
3.3　纳米生物材料的优选标准 096 
参考文献 097 

第4章  无机纳米生物材料及其生物应用101 
4.1　金属纳米生物材料 102 
4.1.1　金属纳米材料的制备 102 
4.1.2　金属纳米材料的生物应用 108 
4.2　磁性氧化物纳米生物材料 119 
4.2.1　磁性氧化物纳米材料的制备 119 
4.2.2　磁性氧化物纳米材料的生物应用 123 
4.3　硅基纳米生物材料 131 
4.3.1　硅基纳米材料的制备 131 
4.3.2　硅基纳米材料的生物应用 135 
4.4　陶瓷纳米生物材料 140 
4.4.1　陶瓷纳米材料的制备 141 
4.4.2　陶瓷纳米材料的生物应用 143 
参考文献 148 

第5章  有机纳米生物材料及其生物应用157 
5.1　聚合物纳米生物材料 158 
5.1.1　共轭聚合物设计合成 159 
5.1.2　共轭聚合物纳米材料的制备与功能化 159 
5.1.3　共轭聚合物纳米材料的性质 163 
5.1.4　共轭聚合物纳米材料的生物医学应用 163 
5.2　基于核酸的纳米生物材料 167 
5.2.1　基于DNA的纳米生物材料 168 
5.2.2　基于RNA的纳米生物材料 174 
5.3　基于蛋白质与多肽的纳米生物材料 177 
5.3.1　蛋白质 177 
5.3.2　多肽 186 
5.4　碳基纳米生物材料 191 
5.4.1　碳纳米管 192 
5.4.2　石墨烯 196 
5.4.3　富勒烯 199 
5.4.4　碳量子点 203 
参考文献 206 

第6章  复合纳米生物材料及其生物应用215 
6.1　经典复合纳米生物材料 216 
6.1.1　无机/ 无机复合纳米生物材料 216 
6.1.2　无机/ 有机复合纳米生物材料 222 
6.1.3　有机/ 有机复合纳米生物材料 237 
6.2　自组装纳米生物材料 242 
6.2.1　化学组分自组装构建纳米生物材料 242 
6.2.2　包含生物分子的自组装纳米生物材料 249 
参考文献 252 

第7章  其他纳米生物材料259 
7.1　界面纳米生物材料 260 
7.1.1　特殊浸润性界面纳米材料 260 
7.1.2　智能纳米生物界面材料 262 
7.1.3　手性界面纳米生物材料 263 
7.2　纳米生物芯片材料 266 
7.2.1　纳米结构构建方式 266 
7.2.2　表面性质 267 
7.2.3　应用实例 268 
7.2.4　小结 274 
7.3　仿生纳米生物材料 274 
7.3.1　壁虎脚 275 
7.3.2　生物矿化 278 
7.3.3　多肽自组装 280 
7.3.4　S- 层蛋白 283 
7.3.5　蜘蛛丝蛋白 285 
7.4　临床应用的纳米生物材料 287 
7.4.1　纳米药物 287 
7.4.2　诊断成像 292 
7.4.3　其他临床应用 293 
7.4.4　纳米材料的安全性 294 
参考文献 294 

索引 301 

本书依据作者研究团队及国内外纳米生物材料的研究进展，从基础到应用较全面地概述了纳米生物材料的制备、表征及生物应用基础，详细介绍了各种纳米生物材料及其生物应用，具体包括无机纳米生物材料及其生物应用、有机纳米生物材料及其生物应用、复合纳米生物材料及其生物应用，并简要介绍了界面纳米生物材料、纳米生物芯片材料、仿生纳米生物材料以及临床应用的纳米生物材料。本书可供从事生物医学、生物化学、纳米科学及相关交叉学科研究的人员参考使用。

王树，中科院“百人计划”研究员、国家杰出青年基金获得者，2015年入选国家百千万人才工程，2016年入选国家"万人计划"领军人才（2016）。2004年入选中国科学院百人计划，任中国科学院化学研究所研究员，博士生导师。主要从事共轭聚合物荧光材料设计、合成与生物应用研究。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem.Rev.、Acc. Chem. Res.、Chem. Soc. Rev.、Nature Communications、Nature Protocols等杂志发表学术论文150余篇。担任美国化学会ACS Applied Materials &Interfaces杂志副主编，Langmuir（2011～2013）、《化学学报》、自然出版集团Scientific Reports以及英国皇家化学会Materials Horizons等杂志编委。