常用的纳米生物材料(-72张)课件.ppt
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- 常用 纳米 生物 材料 72 课件
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1、卫生部肝胆肠外科研究中心卫生部肝胆肠外科研究中心概概 述述光导纤维光导纤维光通信光通信硅单晶硅单晶集成电路集成电路计算机和电子设备计算机和电子设备纳米材料纳米材料纳米技术纳米技术纳米材料广泛地存在于自然界。纳米材料广泛地存在于自然界。材料是一切技术的物质基础。材料是一切技术的物质基础。陨石陨石鲨鱼鲨鱼珊珊 瑚瑚海藻海藻珊瑚珊瑚Sugar Beets糖用甜菜300 nmCotton Wood Sugar BeetAlgae海藻海藻 Tunicin被囊纤维素被囊纤维素 纳米材料的概念纳米材料的概念纳米材料的特性纳米材料的特性 纳米材料的分类纳米材料的分类常用的纳米生物材料常用的纳米生物材料典型的纳
2、米材料典型的纳米材料 一一.概概 念念 纳米材料纳米材料是指由尺寸小于是指由尺寸小于100nm(0.1-100nm)的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维材料维、一维、二维材料或由它们作为基本单元构成的或由它们作为基本单元构成的三维材料三维材料的总称。的总称。材料维数材料维数 纳米尺度维数纳米尺度维数 非非纳米尺度维数纳米尺度维数 例子例子0 0 维维(量子点量子点)3 3 0 01 1 维维(量子线量子线)2 21 12 2 维维(量子阱量子阱)1 12 2纳米粉末纳米粉末纳米纤维纳米纤维/管管纳米膜纳米膜3 3 维维0 0 3 3纳米块体纳米块体
3、AFM picture Nanoparticles8.gifFigure 1 Nano alumina fibers Figure 2 Nano alumina fibers (note absence of particulates)(note fibers in foreground brought The rule is 200 nm long into focus)The rule is 100 nm longCarbon nanotubes纳米无创注射器纳米无创注射器纳米管阵列纳米管阵列NanomembraneAFM pictureDetailed structureNanomemb
4、raneAFM pictureDetailed structure二二.纳米材料的特性纳米材料的特性 相对于普通材料而言,纳米材料由纳米粒子(或称为相对于普通材料而言,纳米材料由纳米粒子(或称为纳米结构单元)组成。纳米粒子一般是指尺寸在纳米结构单元)组成。纳米粒子一般是指尺寸在1100 nm之间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域;之间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域;从通常的微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微从通常的微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型的介观系统。纳观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型的介观系统。纳米材料由
5、于晶粒极细,原子大量处于晶界和晶粒内的缺陷米材料由于晶粒极细,原子大量处于晶界和晶粒内的缺陷中心,本身具有中心,本身具有表面效应、小尺寸表面效应、小尺寸/量子尺寸效应和宏观量量子尺寸效应和宏观量子隧道效应子隧道效应等,而显示出许多既不同于微观的原子、分子,等,而显示出许多既不同于微观的原子、分子,又不同于宏观物体的奇异的物理、化学特性,即它的光学、又不同于宏观物体的奇异的物理、化学特性,即它的光学、磁学、力学、热学、电学以及化学性质和大块固体时相比磁学、力学、热学、电学以及化学性质和大块固体时相比将会有显著的不同。将会有显著的不同。1.1.表面效应表面效应 固体材料表面的原子与内部的原子所处的
6、环境是不同固体材料表面的原子与内部的原子所处的环境是不同的,当材料的粒径大于原子直径时,表面原子可以忽略;的,当材料的粒径大于原子直径时,表面原子可以忽略;但当粒径逐渐接近于原子直径时,表面原子的数目及其作但当粒径逐渐接近于原子直径时,表面原子的数目及其作用就不能忽略,而且这时晶粒的表面积、表面能和表面结用就不能忽略,而且这时晶粒的表面积、表面能和表面结合能等都发生了很大的变化,人们把由此而引起的种种特合能等都发生了很大的变化,人们把由此而引起的种种特异效应统称为表面效应。异效应统称为表面效应。比表面积比表面积表面原子百分数表面原子百分数纳米颗粒的表面能高、活性强纳米颗粒的表面能高、活性强颗粒
7、直径颗粒直径 纳米材料的表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。的性质上的变化。性质变化性质变化球形颗粒的比表面积=S/V=42/(4/3)3=3/高表面活性高表面活性 交联或吸附性强交联或吸附性强Drug/Gene Delivery System 药物药物/基因转运系统基因转运系统吸附在细胞膜上吸附在细胞膜上胞吞作用胞吞作用进入细胞进入细胞吸附药物吸附药物/质粒质粒DNA纳米粒纳米粒纳米粒纳米粒-药物药物/DNA复合物复合物纳米载体纳米载体-绿色绿色荧光蛋白报
8、道荧光蛋白报道基因转染细胞基因转染细胞纳米粒纳米粒纳米粒纳米粒纳米粒吸附纳米粒吸附Ab 或或Ag用于检测或导向技术用于检测或导向技术1 nm10 nm102 nm103 nm104 nm105 nmParts of DNA,VirusCellsProteins,EnzymesNanoparticles BeadsBIOMAT 190802MH NanoparticleAntibodyAntigen Organic bead with inorganic nanoparticles Cells like macrophages,lymphocytes etc.2.2.小尺寸效应小尺寸效应 小尺寸
9、效应小尺寸效应是指是指 由于颗粒尺寸变小所由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化。引起的宏观物理性质的变化。尺寸变小尺寸变小 +比表面积比表面积 新奇的性质新奇的性质 光学光学热学热学力学力学磁学磁学 由无数的原子构成固体时,单独原子的能级就并合成由无数的原子构成固体时,单独原子的能级就并合成能带,由于电子数目很多,能带中能级的间距很小,因此能带,由于电子数目很多,能带中能级的间距很小,因此可以看作是连续的。对介于原子、分子与大块固体之间的可以看作是连续的。对介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒而言,大块材料中连续的能带将分裂为分立的能纳米颗粒而言,大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级
10、;能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场级;能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时,就会呈现一系列能或者磁场能比平均的能级间距还小时,就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性,称之为与宏观物体截然不同的反常特性,称之为量子量子/小尺寸效小尺寸效应应。例如,导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体,磁例如,导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体,磁矩的大小矩的大小与与颗粒中电子是奇数还是偶数有关,比热亦会反颗粒中电子是奇数还是偶数有关,比热亦会反常变化,光谱线会产生向短波长方向的移动,这就是常变化,光谱线会产生向短波长方向的移动,这就是量子量子尺寸效
11、应的宏观表现尺寸效应的宏观表现。(1 1)特殊的光学性质特殊的光学性质 纳米颗粒当尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性。纳米颗粒当尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性。金属纳米颗粒对光的反射率很低,通常可低于金属纳米颗粒对光的反射率很低,通常可低于l l,大约几微米的厚度就能完全消光。几乎所有的金属纳大约几微米的厚度就能完全消光。几乎所有的金属纳米颗粒都可呈现黑色。米颗粒都可呈现黑色。纳米涂料纳米涂料隐形飞机(2 2)特殊的磁学性质特殊的磁学性质 纳米颗粒的磁性与大块材料的磁性有显著的不同,纳米颗粒的磁性与大块材料的磁性有显著的不同,磁性纳米颗粒具有磁性纳米颗粒具有高矫顽力高矫顽力。当纯铁颗粒尺寸
12、减小到。当纯铁颗粒尺寸减小到一定程度(二十个纳米)时,一定程度(二十个纳米)时,其矫顽力可其矫顽力可显著显著增加增加;尺寸减小到尺寸减小到 6nm 6nm 时,时,其矫顽力反而降低到零,呈现出其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性超顺磁性。生物磁性生物磁性纳米颗粒纳米颗粒生物体内磁性超微颗粒生物体内磁性超微颗粒-生物磁罗盘生物磁罗盘磁性阿霉素磁性阿霉素纳米粒在磁场中的定向运动纳米粒在磁场中的定向运动磁性纳米粒磁性纳米粒运动轨迹运动轨迹磁性纳米球用于细胞分离癌症诊断磁性纳米粒在生物医学中的应用(3 3)特殊的热学性质特殊的热学性质 固态物质在大尺寸形态时,其熔点是固定的,超固态物质在大尺寸形态时,
13、其熔点是固定的,超细微化后其细微化后其熔点熔点将显著将显著降低降低,当颗粒小于,当颗粒小于1010纳米量纳米量级时尤为显著。级时尤为显著。(4 4)特殊的力学性质)特殊的力学性质呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3 35 5倍。倍。陶瓷材料在通常情况下呈脆性,然而由纳米超微陶瓷材料在通常情况下呈脆性,然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。电子具有粒子性又具有波动性,因此存在电子具有粒子性又具有波动性,因此存在隧道效应。隧道效应。纳米颗粒的一些宏观物理量,如纳米颗粒的一些宏观物理量,如颗粒的磁化
14、强度、量子相干器件中的磁通量等,颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等,亦显示出隧道效应,称之为亦显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效宏观的量子隧道效应。应。3.3.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应三三.纳米材料分类纳米材料分类纳米粉末:碳酸钙,白炭黑,氧化锌纳米纤维:纳米丝、纳米棒、纳米管纳米膜:超薄膜、多层膜、超晶格纳米液体材料纳米块体:纳米Cu的块体材料 材料的形态材料的形态物理性能纳米半导体纳米磁性材料纳米非线性光学材料纳米铁电体纳米超导材料纳米热电材料化学结构纳米金属纳米晶体纳米陶瓷纳米玻璃纳米高分子材料纳米复合材料应用纳米电子材料纳米光电子材料纳米生物医学材料纳米敏感材料纳米储
15、能材料 四四.纳米生物材料的制备纳米生物材料的制备 固相法反应物的聚合状态 液相法 气相法 纳米颗粒的作用受其尺寸、形貌和结构的影响。纳米颗粒的作用受其尺寸、形貌和结构的影响。不是所有纳米尺寸的颗粒都能起作用,纳米颗粒的尺不是所有纳米尺寸的颗粒都能起作用,纳米颗粒的尺寸也不是越小越好;特定的技术领域需要特定尺寸、寸也不是越小越好;特定的技术领域需要特定尺寸、大小均一的纳米颗粒才能发挥最佳效果。大小均一的纳米颗粒才能发挥最佳效果。四四.几种典型的纳米材料几种典型的纳米材料 1.纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料应用时直接使用纳米颗粒的材料称为纳米颗粒型材料。应用时直接使用纳米颗粒的材料称为纳米颗粒型材
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