醫學納米技術與納米醫學

內容簡介

納米技術如今的發展突飛猛進，發展前景廣闊，但其技術仍未成熟。此外在納米技術套用於醫學的研究過程中，也需要找到其研究與社會效益之間的一個微妙的平衡點；與此同時，對於不同程度的讀者來說，也亦需要一本實用易懂的關於納米技術及其發展的基本信息的一本書。《醫學納米技術與納米醫學》通過使用一些通俗易懂的語言來介紹納米醫學及其不斷發展的基本信息框架，正好滿足了這些方面的需求。

本書探討了納米技術的廣泛套用對醫學、生物醫學科學的影響，以及更廣泛的對社會和經濟的影響。拋開技術的細節不談，本書的目的著重於提高讀者在醫療套用中商業、監管、行政等各方面的認識。本書將帶領讀者進入一個嚴謹、平衡且真實的當代納米醫療的世界中。此外，本書還描繪出了納米醫療未來的美好前景，這將有助於讀者建立一個良好的基鴉兆宙礎，在進一步的探索納米技術套用的過程中，能更好的規劃和決策。

圖書目錄

譯者序

中文版前言

前言

序

致謝

關於作者

第一部分前景

第1章納米醫學：科學依據和社會影響

1.1簡介

1.2醫學

1.3納米技術

1.4什麼是納米科學及它適用於哪些科學領域？

1.4.1定義和科學基礎

1.4.2納米工具：工具、技術和納米科學的研究方法

1.5納米技術的起源

1.6 分子、細胞生鞏辯物和蛋白質生物學科：有機納米機器的生物模型

1.6.1生物納米技術

1.6.2生物和仿生納米結構

1.6.3功能性生物納米材料和納米引擎

1.6.4生命描述對納米科學的需求

1.7納米技術從根本上開創了全新的工程設計方法

1.8社會和經濟影響

1.9納米技術對醫學的影響

1.10納米技術的重大挑戰

1.11 一些定義和納米醫學院禁歸的重要領域

1.11.1醫學納米技術

1.11.1.1先進的醫療儀器

1.11.1.2系統生物學和治療診斷科技

1.11.1.3實現分散式的個性化護理

1.11.1.4醫學材料

1.11.1.5用於影像增強的納米粒子

1.11.1.6藥物傳輸

1.11.1.7克服藥物傳輸的天然屏障

1.11.1.8植入免疫保護系統

1.11.1.9先進的修復學

1.11.1.10先進的生物感測器及用於治療的植人物

1.11.1.11對疾病傳播的防禦

1.11.1.12醫學納米技術：醫學創新的廣大平台

1.11.2納米醫學

1.12 醫療保健危機：納米技術如何有助於解決問題？

1.12.1 網路世界

1.12.2人體機能增強

1.12.3環境的影響

1.13結束語

參考文獻

第2章歷史縱觀及技術突破

2.1簡介

2.2納米醫學歷史概要

2.2.1納米科學主流發展

2.2.2納米技術發寒組芝盼展與醫學發展間的相互關係

2.3醫學的里程碑

2.3.1 醫學納米技術的里程碑

2.3.2新領域的注意事項

2.3.3積極的前景展望

參考文獻

第3章新興國家和全球納米醫學研究

3.1納米醫學的發展

3.2納米醫學研究和套用實例

3.2.1 書籍

3.2.2期刊

3.2.3 網站

3.2.4國家研究機構和組織

3.2.5協會

3.2.6論文、專利及產品開發

3.3 NIH納米醫學研究方案

3.3.1納米醫學研究項目

3.3.2 NIH納米醫學發展藍圖

3.3.3核蛋白機器研究中心

3.4醫學納米科學的實際套用：灑榆蘭醫學納米技術和納米醫學

參考文獻

第二部分醫學納米技術的起源

第4章納米醫學：提議和前景

4.1簡介和概述

4.2納米技術對醫學的影響

4.2.1從物理學、化學及生物學中納米醫學的自然演變

4.2.2創新的計畫提議

4.2.3納米技術必然的間接影響

4.2.4納米技術實際操作的影響

4.2.5三種趨勢的綜合影響

4.3醫學納米技術和納米醫學體系結構的綜述

4.4納米科學：生物化學和細胞生物學之間的橋樑

參考文獻

第5章醫學套用（藥物治療）：納米粒子用於成像和藥物遞送

5.1簡介：納米技術醫學套用的出現

5.1.1納米粒子的套用

5.1.2納米粒子套用的一般規定

5.2用於醫學成像的挨汽翻嫌納米粒子

5.2.1 X射線斷層攝影術的增強

5.2.2核磁共振MRl成像的增強

5.2.3納米點和納米粒子量子共振

5.2.4 納米粒子用於增強紅外輻射可見光和紫外光成像

5.2.5具有可見和紫外共振的納米粒子用作細胞探針

5.2.6超聲和光聲成像中納米遷墊端粒子的圖像增強技術

5.3靶向成像和能量遞送的納米粒子

5.3.1光熱療法和光動力療法

5.3.2放射和光動力學療法的結合

5.3.3磁性納米粒子用於癌細胞靶向

5.4納米粒子用於藥物遞送

5.4.1納米療法的直接套用

5.4.2靶向藥物遞送

5.4.3靶向納米粒子藥物遞送的歷史記載

5.4.4納米粒子用於藥物遞送的優勢

5.4.5納米毒理學

5.4.6納米藥物靶向細胞納米機械的幾個實例

5.4.6.1阿司匹林：靶向炎症反應通路

5.4.6.2 P一糖蛋白：繞開細胞膜的納米機械

5.4.6.3 紫杉醇：使細胞分裂的納米機械（微管蛋白）失去功能

5.4.7納米粒子：用於藥物遞送的材料和製備方法

5.4.7.I用作藥物遞送的納米粒子的材料及其幾何形狀

5.4.7.2納米粒子藥物遞送系統

5.4.7.3用作藥物遞送載體的聚合物和聚合物複合物

5.4.8用於藥物遞送的納米膠囊

5.4.8.i封裝方法

5.4.8.2新型治療性納米粒子和納米膠囊的設計與套用

5.4.8.3蛋白質和多肽類的封裝技術和材料

5.5納米粒子用於治療套用的領域

5.5.1傳染病

……

第6章干預技術：重建干預與外科手術中的納米技術

第7章再生：組織再生中的納米材料

第8章恢復治療：納米技術在組織替換和修復中的套用

第9章診斷：納米感測器在診斷和醫學監測中的套用

第三部分未來的方向和變化

第10章命題、否命題及其綜合：整合生物分子納米科學

第11章挑戰界限：生命和材料，自身和環境

第12章社會的可持續性和未來的選擇

術語表

作者簡介

哈里·F·蒂鮑斯(Harry F. Tibbals)是位於德克薩斯州達拉斯的德克薩斯大學西南醫學中心（UTSW）的生物儀器中心主任，這一中心為臨床和生物醫學科學研究提供基礎科學和工程技術方面的支持，領導多個研究和發展計畫，包括用於醫學套用的感測器研發，測試和評估用於NASA（美國國家航空航天局）空間飛行和外太空活動的生命維持系統，為位於德克薩斯沃思堡的Alcon Research 有限公司研發眼疾診斷系統用的測試設備。Tibbals的工作包括為分析、材料、系統技術等多方面提供諮詢、指導，以及在技術決策中的風險、成本收益方面提供建議。

在1997年加入UTSW之前，Tibbals作為位於德克薩斯達拉斯的Biodigital Technologies公司的主席和聯合創始人，不僅參與了生物醫學、環境及分析儀器的開發，同時也是Jamieson Koda數字心臟成像生產線的經理。他還作為顧問和高管為Rockwell International、United Technologies Mostek、Martingale Research Corporation、Inmos和SGS Thompson等公司研發麻醉設備；進行細菌和病毒性疾病試劑的鑑定；監測、分析、減少環境危害；以及一些通過先進感測器和信號處理實現專門工作和通訊的系統。Biodigital公司的客戶包括NEC、Teledyne、Marathon Energy Systems、Coors、Bank One、Shelby Technologies、Innovative Systems SA、Optical Publishing Inc.，還有Colorado Medical Physics等。他還是位於BAFS Ludwigshafen的世界最大氮肥生產複合體的生產和分散式控制系統開發方面的顧問。

20世紀70年代，Tibbals是英國格拉斯哥和杜倫大學的教師和研究職員，與Edinburgh Regional Computing Centre、the Digital Cartography Unit,以及the Glycoprotein Research Laboratory共同合作。他也任教於英國公開大學和喬丹希爾教育學院，還在北得州大學和土耳其海峽大學進行過訪問研究和教學。

Tibbals在德克薩斯州的休斯頓大學獲得物理和分析化學博士學位，他的化學和數學學士學位是在德克薩斯州的貝勒大學獲得的。他是1970年科學研究委員會（SRC）博士後獎金獲獎者，這歸功於他在萊斯特大學、格拉斯哥大學、杜倫大學所從事矽化學研究以及科學、醫學、工程方面的計算套用。他曾是北得州大學化學研究所的訪問教員，得州大學達拉斯人類發展學院的副教授，阿林頓得州大學材料科學的客座講師，UTSW生物醫學工程教員。他曾在歐洲、近東、日本、巴西、加拿大和墨西哥居住和旅遊，並在那裡的大學、研究所和工廠進行工作。

Tibbals和G.Louis Hornyak以及其他人一起合著了由CRC出版社出版的納米科學和納米技術領域的著作，在分析和物理化學、生物分子納米科學、自然納米材料、納米生物技術、生物仿體和醫學納米技術方面做出了貢獻。他們的《納米技術基礎》(Fundamentals of Nanotechnology)一書在2010年被美國圖書館協會評選為優秀著作。

編輯推薦

本書介紹納米技術在醫療領域的套用，包括成像、診斷和監護、藥物傳輸系統、外科手術、組織的再生，以及在人造器官方面的套用等。納米技術系列的觀點中廣泛包含了關於納米技術的社會影響和效益。本書可以作為一本獨立的參考書而使用。本書主要構架是：納米技術的歷史發展，當前的發展狀況，以及未來的發展趨勢。主要的內容包括：·探索納米醫學的背景、概念和術語，以及最近的潮流和從事這方面研究的主要機構和成員。·調查納米醫療在政府、學院和私人機構的發展概況。·展現未來，對納米醫學未來發展的方向、發展的潛力、可持續性等進行了科學預測，以及讓讀者學會在納米技術的套用過程中應該如何做出取捨。·包含了很多圖示說明、標示和關鍵字，有助於讀者理解本書，從而達到深化概念和方便更深入的研究。在將納米技術套用於醫學的發展過程中，不可避免地出現了一些多義甚至有歧義的相關概念。本書在評估這些概念的時候，嚴謹地諮詢了相關的行業先驅以及許多納米技術的革新者，並查閱了一些權威的實驗室的工作成果。通過使用生動的例子和實例總結來描述這些被證實了的成果並描繪出未來的發展前景。

序言

譯者序

《醫學納米技術與納米醫學》（Medical Nanotechnology and Nanomedicine）是繼我們翻譯出版Paras N. Prasad教授的專著《納米光子學》後呈現給讀者的又一部專著，本書將目前高速發展的納米材料技術在醫學領域中的研究及技術套用進行了匯總。

納米量級的微觀顆粒一般比生物體內的細胞、紅血球小許多，這就為生物學、醫學及生物醫學工程的研究者提供了一個新的研究途徑，即利用納米微粒進行細胞分離、細胞染色，利用納米微粒製成特殊藥物或新型抗體進行局部定向治療等。納米技術對醫學發展具有重要的推動作用，同時，疾病的診斷、預防和治療也期望從納米技術獲得更先進的藥物傳輸系統和早期檢測與診療手段，如早期診斷和預警，代謝產物中的生物標誌物的發現，微量、痕跡量或瞬間樣品量的檢測技術，適於大量或批量的實用檢測技術平台，載體的效率和容量，靶向、緩釋、可控的藥物載體，藥靶確證和藥物篩選，甚至是突變或個體化差異的檢測和診治等。

納米技術和納米醫學相互發展利用DNA分子的自組裝特性，可以獲得新型的納米結構材料，研究發展基因治療中安全有效的基因運載系統；而利用納米技術可以發展新型醫學感測器；發展新型活細胞檢測技術。納米技術對再生醫學的發展也具有重要影響和推動作用，為模仿和構建天然組織里不同種類的細胞外基質提供了全新的視角和方法；納米技術將有助於探索和確定成體幹細胞中的信號系統，以激發成體幹細胞中巨大的自我修復潛能；另外，納米技術在醫學科學中的套用也已開展，如單分子、單細胞體內成像套用、單一癌症細胞檢測、藥物釋放直觀技術等。這些研究將納米技術融入醫學，同時也按醫學需求研究納米材料和技術，即相輔相成又交叉融合，相信通過本書的介紹會給大家展現新技術新思想，並有所啟示。

納米醫學的研究目前處於初始階段，但卻有廣闊的套用前景。正如Paras N. Prasad所說“納米光子學是一門在世界範圍內，激勵眾多科學和工程人員想像和創造力的一門新型學科領域。該學科必將在全球關注的許多重大議題領域內，諸如能源、衛生保健、環境保護和全球安全，發揮其獨特的作用……”。

在我們從事生物醫學光學科學技術研究的同時，我們先後翻譯出版了《雷射與生物組織的相互作用——原理及套用》（西安交通大學出版社, 1999）、《醫學工作者的網際網路》（西安交通大學出版社，2000）、《分子光子學——原理及套用》（科學出版社, 2004）、《雷射與生物組織的相互作用原理及套用（第三版）》（科學出版社, 2005）、《納米光子學》（西安交通大學出版社, 2010）共5部譯著，並編著出版了《生物醫學光子學新技術及套用》（科學出版社, 2008）。從納米光子學的角度來講本書的翻譯是繼上述幾本書之後又一本有助於我國生物醫學工程科學發展的專著。本書翻譯完稿也受到國內同行的鼓勵，他們都在生物醫學光學領域取得許多研究成果，如華中科技大學駱清銘教授團隊、福建師範大學謝樹森教授團隊、天津大學徐可欣及高峰教授團隊、華南師範大學邢達教授團隊、電子科技大學堯德中教授團隊、清華大學馬輝教授團隊、浙江大學丁志華教授團隊等。我們感謝國家自然科學基金委員會基金項目的資助，感謝中國留學基金委與德意志學術交流中心CSCDAAD聯合資助兩項重點實驗室項目（PPP）：2006年中德合作科研項目基因轉染新方法研究——雷射照射金納米顆粒誘導細胞的選擇性吸收；2011年中德合作科研項目跳動心臟的四維高解析度快速成像等。感謝德意志學術交流中心（Deutscher Akadimischer Austausdinst，DAAD）長期為我們提供書籍資料和其他支持。

藉此還要感謝生物醫學光子學教育部網上合作研究中心西安交通大學分部的全體成員，他們的辛勤努力使得本課題組的研究方向不斷擴展，研究水平也有了進一步的提高。同時我們所承擔的課程“生物醫學光子學”也獲得陝西省的精品課程的稱號。

本書的初始翻譯由2011年秋季入學並選修“生物醫學光子學”課程的26位碩士和博士生完成。課題組的在讀研究生劉成波、宋璟波、鄭詩強、吳潔、陳博、梅曦、王思琪、楊洋、錢康、白桐、宋敏敏等參加了本書的翻譯，最後由課題組的博士後王晶，以及董艷花、隆弢、姚翠萍、武亞艷、梅建生等老師完成了翻譯定稿和校對工作。

許皓、王斯佳、梁曉軒、梁佳明、王波等博士生在國外學習等未能直接參與翻譯出版，但對課題組的研究也做出了貢獻。還要感謝生命學院的劉健康和趙軍武教授等老師對我們工作的長期支持和鼓勵。

西安交通大學出版社的趙麗萍和鮑媛老師對該書中文翻譯版的面世給予了極大的配合和支持，在此表示感謝。

特別要感謝德克薩斯大學阿靈頓分校（The University of Texas at Arlington）的本書作者Harry F. Tibbals博士給中文翻譯版的書撰寫了序言和提供了原書中使用的照片。

本書是我們翻譯的有關醫學納米技術的又一本專著，希望該書的翻譯出版會對我國生物醫學納米光子學領域的發展有所幫助。由於能力所限，翻譯中的不妥之處，懇請讀者批評指正。

張鎮西

於西安交通大學生命科學與技術學院

生物醫學分析技術與儀器研究所

2013年5月15日

前言

《醫學納米技術與納米醫學》為具有醫學背景或者對醫學感興趣的人提供納米科學和納米技術的概論。它是一本綜述和指南，通過書中的參考文獻和關鍵字，讀者可以進一步追蹤處於快速發展中的納米醫學和納米技術領域。本書面向非專業人士，如非醫學專家及非專業技術醫護人員。

目前已有的關於納米技術的文獻作品和媒體資源在納米技術對未來醫學的影響上各抒己見。本書對納米技術在醫學套用中各方提出的不同甚至衝突的概念進行了概述，同時總結了一些近期的研究進展，進一步闡明了納米技術在醫學中套用的成就和可能性。

就像一般的納米技術一樣，納米醫學的通俗讀本中包含各種各樣的觀點，從對未來和理論上的想像到認為只是現存技術在有限尺度上的直接套用。但是納米醫學和醫學納米技術正行走在一個有趣且有前途的發展方向上。“納米醫學”和“醫學納米技術”這兩個術語自從被美國國立衛生研究院（NIH）和世界其他頂級醫療機構納入重點規劃項目之後，就已經正式確立。頂級的製藥和醫學設備公司已經建立了自己專門的納米醫學研究部門，同時眾多新興企業以及它們身後的投資集團也關注著醫學納米技術方面的投資。

在一個充滿納米技術新聞的環境裡，一般讀者(包括不了解納米技術的醫學專家)可以從納米醫學的導論開始，也可以從展開的基礎內容開始，兩者都是可行的。詳盡的、面面俱到的涵蓋納米技術在生物醫學領域中的套用，不僅超出了導論的範圍，而且對於實際的醫學實踐沒有助益。本書力求給那些對納米醫學感興趣、好奇或困惑的人提供一個實際套用指導，也試圖面向非專業人士、病人、執業醫師以及希望清晰了解快速發展的納米技術革命對自身工作領域影響的專家。醫學專家習慣於適應技術和實踐的快速甚至變革性進步。計畫、投資以及持續的醫學教育就是為了應對不斷發展的目標。儘管對新觀點持有懷疑和保守態度，但醫學專家還是力求去評價突破性進展的可能性。

內容及目標讀者

本書面向所有關注自身健康和未來健康措施的公眾；病人及一些想為自身醫護做出明智決定的潛在患者；醫學專家，包括醫生、心理學家、外科大夫、專科醫生、護士、助理、專職醫護，以及醫學和臨床技術專家；醫療保健組織，如醫院、診所及研究機構的管理者和計畫者；醫療型企業管理者、投資者和規劃人員；政府和社會服務的領導；記者以及關心醫療保健政策和醫學科學進步的普通大眾。

本書的寫作目的是為日程忙碌的人群提供通俗易懂的資源。本書為讀者提供一個對納米醫學現狀的感性認識並為計畫和決策提供一個信息平台。它的文體風格自由，簡潔而實例充實並且提供案例概要。在內容敘述中使用了圖解說明以避免枯燥並增強對概念的理解。重要的科學家和他們的工作已被簡要描述。在納米技術展望的系列書籍中，本書針對醫學方面的納米技術，對其當前的、未來的以及它的基礎開發前景，提供了易於識讀的展望。

材料組織

本書內容的組織與先前的系列同步——分為三個部分：歷史的展望、當前狀態，以及未來前景。第一部分提供了一個歷史背景和介紹（包括納米醫學及其相關術語的定義）以及對當前發展趨勢和研究熱點進行了縱覽。第二部分考查了目前納米技術的狀態以及它是如何套用在醫學及與之相關的生物醫學科學中，綜述中包括了主要的發端、頂級實驗室以及創始者。同時對政府部門、學術機構以及私人研究所中取得的納米醫學的進展進行了概述。第三部分著重講述一些項目的未來發展方向以及能力、它們的擁護者和反對者，以及我們在套用納米技術過程中和醫學護理上要面對的選擇。最後一部分對持續性和公正性問題進行了簡短討論和總結。

該書是納米技術展望系列的一部分，該系列主要介紹納米科學和納米技術對社會生活的影響。本書既可以單獨作為參考和指導書，也可以作為系列叢書中的一部分。雖然從非專業的層面對技術問題進行了呈現和討論，但此書的重點還是在於這個已經存在並且迅速發展壯大領域對社會的影響。

總結

本書關注納米技術在醫學中套用及影響，在納米科學對健康醫療產生的影響方面為非專業人士提供了廣識性綜述。不同於一份泛泛的納米醫學詳細報告，它提供了強化的認識，從而為制定決策和規劃提供依據。本書意圖為納米科學的發展和前景提供一個評判的、中立的實際評價。它補充了納米技術展望系列中探討的納米技術的社會影響，該系列提供了多主題的納米技術綜合視角。

序

專業的醫學就好比科學中的藝術一樣，對生命的關愛、尊重和生活的幸福是誓守的原則。由此作為一個非專業醫學人員，我懷著謙卑的心態自作主張地呈現了新技術在醫學領域中的套用。作為內科醫生和外科醫生的工具製造者，我已經成功地將新技術套用在了醫學看護和研究之中，開發了醫學計算機、電化學和成像儀器，以及提高和擴展了訓練行業者感知和能力的設備。所以在這本小書中，我為內科醫生及大眾簡單介紹了醫學納米技術，這其中包括了最新的觀測、操控和人體與環境的轉化技術。

本書對納米科學和納米技術的醫學套用作了介紹，主要面向醫生和病人、醫護人員和非專業人員，以及所有需要對自身健康保健做決定或者只是感興趣的人員。文章的摘要試圖做更加廣泛的介紹而不是細節性或專業性的論述。而參考文獻和資料來源則是提供給那些想要進一步深入了解此技術、設備和實踐套用的人員的。本書對納米科技在醫學、保健管理和藥物遞送中可能的影響進行了廣泛的介紹。同時此書也對納米技術的歷史背景、目前的整體狀況、納米技術潛在的前景和其對醫療與健康的影響進行了廣泛而又常識性的概述。

第一到第三部分介紹了歷史發展背景，描述和預測了納米科學在醫學上的套用狀態和影響。從歷史的角度（第一部分）來看，我們發現醫學和生物醫學學科是推進當前納米科學快速發展的動力。醫學和納米科學是天生的搭配，這是因為生命基礎在於大分子體系的空間尺度。伴隨著許多新項目和新創造逐漸顯現出新型納米技術在醫學方面的有效套用，這已成為世界共識。第二部分，我們縱覽了這些套用，從最簡單的納米材料發展到醫學成像和治療再到複雜的使納米技術變為可能的醫學系統。第三部分，我們討論了一些未來可以明顯地完全整合入醫學的納米技術發展方向，以及一些在生物分子水平改變和監測我們機體方面研究能力增強的啟示。

納米科學和納米技術正在呈指數級發展。很多納米技術的套用還沒有被發現。這個簡短的導論希望提供進一步深入研究的機會，以獲得新的可行性和治癒方法。

醫學納米技術與納米醫學

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