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第一部分 前景3

第1章 纳米医学：科学依据和社会影响3

1.1简介3

1.2医学4

1.3纳米技术5

1.4什么是纳米科学及它适用于哪些科学领域？6

1.4.1定义和科学基础6

1.4.2纳米工具：工具、技术和纳米科学的研究方法7

1.5纳米技术的起源8

1.6分子、细胞生物和蛋白质生物学科：有机纳米机器的生物模型12

1.6.1生物纳米技术12

1.6.2生物和仿生纳米结构12

1.6.3功能性生物纳米材料和纳米引擎13

1.6.4生命描述对纳米科学的需求14

1.7纳米技术从根本上开创了全新的工程设计方法14

1.8社会和经济影响16

1.9纳米技术对医学的影响17

1.10纳米技术的重大挑战17

1.11一些定义和纳米医学的重要领域18

1.11.1医学纳米技术19

1.11.1.1先进的医疗仪器19

1.11.1.2系统生物学和治疗诊断科技19

1.11.1.3实现分布式的个性化护理19

1.11.1.4医学材料19

1.11.1.5用于影像增强的纳米粒子20

1.11.1.6药物传输20

1.11.1.7克服药物传输的天然屏障20

1.11.1.8植入免疫保护系统20

1.11.1.9先进的修复学20

1.11.1.10先进的生物传感器及用于治疗的植入物21

1.11.1.11对疾病传播的防御21

1.11.1.12医学纳米技术：医学创新的广大平台21

1.11.2纳米医学21

1.12医疗保健危机：纳米技术如何有助于解决问题？24

1.12.1网络世界25

1.12.2人体机能增强26

1.12.3环境的影响26

1.13结束语26

参考文献27

第2章 历史纵观及技术突破28

2.1简介28

2.2纳米医学历史概要28

2.2.1纳米科学主流发展28

2.2.2纳米技术发展与医学发展间的相互关系30

2.3医学的里程碑30

2.3.1医学纳米技术的里程碑32

2.3.2新领域的注意事项35

2.3.3积极的前景展望37

参考文献37

第3章 新兴国家和全球纳米医学研究38

3.1纳米医学的发展38

3.2纳米医学研究和应用实例38

3.2.1书籍39

3.2.2期刊41

3.2.3网站42

3.2.4国家研究机构和组织43

3.2.5协会46

3.2.6论文、专利及产品开发47

3.3 NIH纳米医学研究方案48

3.3.1纳米医学研究项目48

3.3.2 NIH纳米医学发展蓝图49

3.3.3核蛋白机器研究中心51

3.4医学纳米科学的实际应用：医学纳米技术和纳米医学52

参考文献53

第二部分 医学纳米技术的起源57

第4章 纳米医学：提议和前景57

4.1简介和概述57

4.2纳米技术对医学的影响58

4.2.1从物理学、化学及生物学中纳米医学的自然演变58

4.2.2创新的计划提议59

4.2.3纳米技术必然的间接影响59

4.2.4纳米技术实际操作的影响60

4.2.5三种趋势的综合影响62

4.3医学纳米技术和纳米医学体系结构的综述62

4.4纳米科学：生物化学和细胞生物学之间的桥梁65

参考文献66

第5章 医学应用（药物治疗）：纳米粒子用于成像和药物递送67

5.1简介：纳米技术医学应用的出现67

5.1.1纳米粒子的应用68

5.1.2纳米粒子应用的一般规定69

5.2用于医学成像的纳米粒子70

5.2.1 X射线断层摄影术的增强70

5.2.2核磁共振MRI成像的增强71

5.2.3纳米点和纳米粒子量子共振72

5.2.4纳米粒子用于增强红外辐射可见光和紫外光成像72

5.2.5具有可见和紫外共振的纳米粒子用作细胞探针72

5.2.6超声和光声成像中纳米粒子的图像增强技术73

5.3靶向成像和能量递送的纳米粒子74

5.3.1光热疗法和光动力疗法74

5.3.2放射和光动力学疗法的结合76

5.3.3磁性纳米粒子用于癌细胞靶向77

5.4纳米粒子用于药物递送77

5.4.1纳米疗法的直接应用77

5.4.2靶向药物递送78

5.4.3靶向纳米粒子药物递送的历史记载79

5.4.4纳米粒子用于药物递送的优势80

5.4.5纳米毒理学81

5.4.6纳米药物靶向细胞纳米机械的几个实例82

5.4.6.1阿司匹林：靶向炎症反应通路82

5.4.6.2 P-糖蛋白：绕开细胞膜的纳米机械84

5.4.6.3紫杉醇：使细胞分裂的纳米机械（微管蛋白）失去功能86

5.4.7纳米粒子：用于药物递送的材料和制备方法88

5.4.7.1用作药物递送的纳米粒子的材料及其几何形状88

5.4.7.2纳米粒子药物递送系统89

5.4.7.3用作药物递送载体的聚合物和聚合物复合物91

5.4.8用于药物递送的纳米胶囊97

5.4.8.1封装方法97

5.4.8.2新型治疗性纳米粒子和纳米胶囊的设计与应用101

5.4.8.3蛋白质和多肽类的封装技术和材料103

5.5纳米粒子用于治疗应用的领域108

5.5.1传染病108

5.5.2退行性和自身免疫性疾病109

5.5.3纳米粒子用于心血管疾病的药物递送109

5.5.4纳米粒子应用于耳鼻喉科学109

5.5.5纳米载体药物递送在眼部治疗的应用109

5.5.6纳米粒子用于神经炎症反应性疾病110

5.5.7用于胰岛素给药的纳米疗法110

5.5.8纳米封装法用于免疫保护112

5.5.9纳米粒子应用于吸入式疗法113

5.5.10跨过血脑屏障的纳米胶囊114

5.5.11用于癌症治疗的纳米粒子递送116

5.5.12天然产物疗法中的纳米粒子递送117

5.5.13关注不同类型癌症的纳米粒子疗法119

5.5.13.1胰腺癌120

5.5.13.2卵巢和妇科癌症120

5.5.13.3乳腺癌120

5.5.13.4前列腺癌120

5.5.13.5肺癌120

5.5.13.6多种癌症叶酸受体的纳米粒子靶向治疗121

5.5.13.7靶向上皮癌的高温光热疗法121

5.6诊断治疗技术121

5.6.1用于成像和治疗的多功能纳米粒子122

5.6.2具有活性成分的纳米胶囊和生物反应器122

5.6.3化学主动释放123

5.6.4光子释放124

5.6.5纳米粒子传感器系统用于体内疾病诊断125

5.6.6纳米技术用于基因筛选和基因疗法127

5.7结论：纳米医学的影响贯穿整个医学领域128

参考文献129

第6章 干预技术：重建干预与外科手术中的纳米技术155

6.1简介155

6.2纳米工程材料在外科手术和康复中的应用155

6.3微机电内窥镜建立起药物和外科手术之间的桥梁157

6.3.1内窥镜检查、内窥镜手术和经自然腔道内窥镜手术157

6.3.1.1内窥检查诊断和手术技术158

6.3.1.2内窥检查仪159

6.3.1.3用于内窥成像和传感的微机电系统160

6.3.2导管通路：纳米科技的影响161

6.3.3脑脊髓导航及内窥视技术162

6.4手术中的机器人：机器人技术163

6.4.1人机界面166

6.4.2人机工程学166

6.4.3虚拟触觉166

6.4.4沉浸式成像系统和环境扩张技术166

6.4.5用于培训和规划的虚拟仿真器167

6.4.6遥控机器人和遥控手术167

6.4.7对外科手术机器人的评价及要克服的技术难关167

6.5外科手术实践中的机器人技术169

6.5.1心脏病和心胸手术机器人170

6.5.2跳动心脏的示踪170

6.5.3电生理学171

6.5.4神经病学和神经外科171

6.5.5头手术和耳鼻喉学171

6.5.6眼科学172

6.5.7口腔和上颌面手术172

6.5.8畸齿矫正173

6.5.9颅面部手术173

6.5.10塑形和重建手术173

6.5.11整形外科手术174

6.5.12胃肠道的手术174

6.5.13疝气手术175

6.5.14胆囊：胆囊切除术175

6.5.15肝脏手术176

6.5.16结肠直肠手术177

6.5.17泌尿学178

6.5.18肾脏手术178

6.5.19肾脏切除术179

6.5.20肾上腺切除术179

6.5.21前列腺切除术179

6.5.22生殖医学180

6.5.22.1曲张精索静脉切除术180

6.5.22.2输精管吻合术180

6.5.22.3妇科医学180

6.5.22.4助产术182

6.5.22.5儿科手术182

6.5.23肿瘤放疗过程中的图像制导机器人183

6.5.24医疗实践中的手术机器人总结183

6.6外科手术和内窥镜导航的最新进展和新兴技术184

6.6.1腹腔镜机器人的小型化和分布式控制184

6.6.2用于NOTES和LESS的机器人185

6.6.3柔性机器人：机器人辅助的内窥镜和导管技术186

6.6.4体内机器人：用于诊断和手术的无线机器人导航187

6.6.4.1胶囊内窥镜187

6.6.4.2内窥镜手术中的无线遥控机器人模块189

6.6.5融合生物活性材料和工程技术的机器人193

6.7纳米工程再生组织疗法的转化发展总结194

参考文献195

第7章 再生：组织再生中的纳米材料226

7.1简介：纳米技术在组织再生工程中的作用226

7.2组织再生工程中的生物材料228

7.3纳米科技和组织工程229

7.3.1生物活性支架引导的组织再生230

7.3.2纳米技术与细胞信号231

7.3.3细胞移植与纳米技术231

7.3.4干细胞疗法232

7.3.5基于干细胞的组织工程发展方向232

7.3.6细胞和组织的纳米封装方法233

7.4组织工程中的神经再生236

7.4.1神经生长的引导与监控236

7.4.2促进神经修复236

7.4.3聚乳酸泡沫材料238

7.4.4聚乳酸长丝238

7.4.5聚乳酸小管239

7.4.6生物合成的神经植入物239

7.4.7碳纳米管增强细胞表面粘附力240

7.4.8支持神经细胞生长的碳纳米管薄片240

7.4.9碳纳米管的生物相容性240

7.4.10琼脂糖和层粘连蛋白制成的天然材料支架241

7.4.11胶原蛋白制成的天然材料支架241

7.4.12聚合物水凝胶242

7.4.13神经生长的生物工程桥梁243

7.4.14周围神经及脊神经再生研究进展总结244

7.5用于大脑再生的纳米技术244

7.5.1大脑再生的策略246

7.5.2用于大脑再生的纳米工程材料246

7.5.3影响再生的物理和生化因素247

7.5.4多孔支架的形态249

7.6结合细胞的纳米工程支架在中枢神经系统再生领域的应用251

7.6.1纳米支架神经细胞疗法向临床应用的转化253

7.6.2慢性和神经退行性疾病的再生254

7.6.3预防氧化应激254

7.6.4聚合物封装细胞用于分泌神经调节因子255

7.6.5亨廷顿舞蹈症255

7.6.6帕金森综合症256

7.6.7阿尔茨海默氏症256

7.6.8多发性硬化症256

7.6.9海绵状脑白质营养不良症256

7.6.10异染性脑白质营养不良症257

7.6.11肌萎缩性脊髓侧索硬化症257

7.6.12眼部神经退化性疾病：青光眼、色素性视网膜炎和黄斑变性257

7.6.13剧烈疼痛和慢性疼痛258

7.6.14癫痫症258

7.6.15纳米工程神经再生疗法转化研究的总结259

7.7纳米科技推动细胞疗法的新进展259

7.7.1干细胞的来源259

7.7.2基于纳米科学和纳米技术对细胞功能的认识261

7.7.3基因疗法262

7.7.4诱导式多能干细胞263

7.7.5多肽诱导式多能干细胞264

7.7.6细胞穿膜转导肽265

7.7.7诱导多能干细胞疗法的转化研究266

7.7.8临床治疗的进展268

7.8结论：基于综合医疗纳米科学的临床疗法269

参考文献270

第8章 恢复治疗：纳米技术在组织替换和修复中的应用288

8.1简介288

8.2组织工程中的纳米尺度生物材料和技术289

8.2.1材料的合成和制备方法289

8.2.2纳米纤维支架的制备290

8.2.3组织支架中的碳纳米管291

8.2.4二氧化钛纳米多孔薄膜291

8.2.5用于组织支架的病毒和类病毒颗粒291

8.2.6纳米结构材料的大规模制造292

8.2.7膜的逐层自组装和复合材料292

8.2.8纳米切片技术293

8.2.9大分子水平的纳米材料自组装293

8.3组织工程在医学中的应用295

8.3.1纳米工程组织支架的实验评估296

8.3.2智能材料：未来医学应用中的自适应纳米材料展望299

8.3.3纳米工程生物材料向临床应用的转化299

8.3.3.1用于创伤愈合的纳米粒子材料299

8.3.3.2软骨和成骨组织支架中的纳米材料300

8.3.4纳米技术用于心脏和血管组织修复303

8.3.5细胞和组织的纳米工程封装和植入303

8.3.5.1封装和植入技术304

8.4纳米技术和修复学306

8.4.1神经元刺激和监测306

8.4.1.1治疗疼痛和神经紊乱的神经刺激306

8.4.2神经修复307

8.4.3辅助装置308

8.4.4人造神经修复装置的分类308

8.4.4.1运动型人造神经修复装置308

8.4.4.2腿、膝以及足修复309

8.4.4.3手修复310

8.4.5脑机接口311

8.4.5.1运动和感觉接口312

8.4.5.2脑机修复中可能的新突破312

8.4.5.3要克服的挑战312

8.4.5.4控制算法设计313

8.4.5.5自适应编码和训练314

8.4.5.6纳米计算机的分布式控制网络314

8.4.5.7无创性脑机接口314

8.4.6磁性神经刺激和监测315

8.4.6.1基本原理315

8.4.6.2磁刺激315

8.4.6.3医学应用的发展315

8.4.6.4磁监测316

8.4.6.5磁刺激和监测设备316

8.4.6.6基于纳米技术的磁传感器设计进展317

8.4.6.7医学磁感应未来的机遇319

8.4.7感官人造神经修复装置：触觉319

8.4.8认知修复320

8.4.9脑机接口的未来发展方向320

8.4.10耳的人造神经修复装置321

8.4.10.1用于平衡的人造神经修复装置322

8.4.10.2用于耳鸣的人造神经修复装置322

8.4.10.3耳部的解剖结构322

8.4.10.4植入式耳蜗的设计323

8.4.11视觉修复324

8.4.11.1视网膜325

8.4.11.2视网膜中央凹325

8.4.11.3绕过视网膜325

8.4.11.4人造视网膜326

8.4.11.5其他对于视觉修复的研究327

8.5纳米组织恢复工程和修复总结328

参考文献328

第9章 诊断：纳米传感器在诊断和医学监测中的应用348

9.1简介348

9.2概述348

9.3传感器：医学诊断和监护技术在纳米技术驱动下的发展349

9.3.1纳米传感器举例350

9.3.1.1悬臂式传感器350

9.3.1.2主动式悬臂传感器351

9.3.1.3被动式悬臂传感器351

9.3.1.4纳米悬臂的表面效应352

9.3.1.5空间位阻效应352

9.3.1.6微纳米传感器及应用352

9.3.1.7生物医学悬臂的应用352

9.3.1.8表面等离子体纳米传感器353

9.3.2纳米传感器技术354

9.3.2.1纳米传感器制造354

9.3.2.2通过纳米制造技术保护传感器的例子354

9.3.2.3使传感器具有生物特异性、抗体、抗原、模板和适体356

9.3.2.4生理参数传感器358

9.3.2.5用于神经活动的传感器358

9.3.3集成纳米传感器技术359

9.3.3.1纳米传感器同光纤集成360

9.3.3.2生物微机电同传感器集成360

9.3.3.3微流控和纳流控360

9.3.3.4细胞、粒子和流体的操作及成像361

9.3.3.5介电电泳361

9.3.3.6光镊和光子涡陷阱362

9.3.3.7疏水表面动电学362

9.3.3.8微流控和纳米技术在质谱分析中的应用362

9.3.3.9质谱成像363

9.3.3.10功能性核磁共振成像364

9.3.4总结：从单个传感器到芯片实验室365

9.4基因组学和蛋白质组学技术365

9.4.1基因组学、蛋白质组学和个性化医疗365

9.4.1.1基因扩增——DNA测量的一项基本技术366

9.4.1.2 DNA测序技术367

9.4.1.3基因筛选和基因疗法369

9.4.2蛋白质组的分析370

9.4.2.1蛋白质的质谱分析371

9.4.2.2蛋白质分析阵列生物芯片372

9.4.3代谢组：代谢组学概念的出现372

9.5基因组学和蛋白质组学的应用：从个性化医疗到全球流行病学373

9.5.1系统生物学373

9.5.2基因组学、蛋白质组学和癌症374

9.5.3基因组学、蛋白质组学和免疫学374

9.5.4对复杂多基因紊乱的个性化医疗374

9.5.5疾病监测376

9.6体内实时医疗监测377

9.6.1诊所和医院的病人监护377

9.6.2个人监护377

9.7结论378

参考文献378

第三部分 未来的方向和变化409

第10章 命题、否命题及其综合：整合生物分子纳米科学409

10.1医学纳米技术的成熟409

10.2纳米技术驱动力的持久影响409

10.3纳米技术的科研转化410

10.4纳米技术系统对医疗实践的间接影响411

10.5医学纳米技术向临床实践的转化411

参考文献412

第11章 挑战界限：生命和材料，自身和环境413

11.1纳米技术与医学：强有力的融合413

11.2传统医学的历史渊源414

11.3基因组学知识415

11.3.1个人是否有权选择自己的基因组不被人所知：“忽视”权？415

11.3.2文化多样性对于个人隐私控制的态度416

11.4身体的替换部件416

11.5人类特征和能力的增强416

11.6生命的延长417

11.7再生细胞移植问题417

11.8正常情况下的医疗417

11.9其他不可思议的屏障417

11.10结论418

参考文献418

第12章 社会的可持续性和未来的选择423

12.1作为社会经济活动的纳米技术和医学423

12.2有关改变的问题423

12.2.1颠覆性的技术424

12.2.2给医学实践带来的影响425

12.2.3技术的发展对个人医疗保健带来的影响425

12.2.3.1医疗选择的演变426

12.2.3.2标准化的治疗和医药的批量生产427

12.2.3.3个性化医疗在癌症和传染性疾病方面的运用427

12.2.4远程通信和纳米传感器使得健康护理范围得到延展427

12.2.5纳米医学、生物技术和基因组学协同影响经济428

12.2.6修复和再生医学428

12.2.7全球性的分歧428

12.2.8 Grey Goo的威胁429

12.3结论430

参考文献430

术语表435