俄罗斯外籍院士带您从纳米金刚石生物医用看未来发展方向
纳米金刚石简介
纳米金刚石TEM照片及溶液
纳米金刚石指的是粒径在1~100nm的金刚石晶粒存在形态，其兼有金刚石、纳米材料的特性，例如高硬度、高耐腐蚀性、高热导率、低摩擦系数、低表面粗糙度、大的比表面积、生物相容性、高的表面活性等。物质进入纳米尺度后表现出了一些宏观物质不具备或在宏观物质中可忽略的物理效应，如表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等。纳米金刚石颗粒的合成方法主要有静压合成、金刚石单晶粉磨、爆轰法三种，都已应用于工业化生产。
纳米金刚石是一种具有生物相容性、低毒性、荧光效应等特性的纳米惰性材料，近年来逐步在药物载体材料、生物成像工具、荧光探针材料以及量子探针等生物医药领域突显出其愈来愈重要的作用。已有研究报道，纳米金刚石能够和DNA、阿霉素、酶、胰岛素、细胞色素C、生长激素和抗原等通过共价键或非共价键的方式结合，作为一种潜在生物成像工具、荧光探针材料、药物转运工具而发挥作用，以下是具体介绍。
蛋白质的分离与纯化
纳米金刚石有较大的比表面积，表面覆盖着羧基、内酯、羟基、酮和烷基等多种化学基团，对蛋白质有着很高的亲和力，因而可用于蛋白质的分离和纯化。
细胞标记与生物成像
荧光细胞标记物在生命科学领域扮演着重要的角色，但许多可用的标记物在物理、光学以及毒性方面都存在着一定的缺陷。纳米金刚石作为一种新型的碳纳米材料，具有化学惰性、有荧光但无光致漂白、无毒性的优势，可用于细胞标记与生物成像。
实验结果显示纳米金刚石在细胞标记与生物成像的研究方面具有很重要的应用价值，它可以用于癌细胞与干细胞的标记与追踪，也可以作为与细菌或细胞相互作用的荧光探针，同时，在细胞水平上，它还可以作为生物成像的载体将生物活性物质转运到细胞内发挥作用，而且可以用于体内的生物成像。
生物传感
生物传感器是一种利用生物物质(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜、微生物、细胞等) 作为识别元件，将生化反应转变成定量的物理化学信号，从而能够进行生命物质和化学物质检测和监控的装置。随着纳米金刚石应用范围的扩大，许多研究人员发现了它在生物传感方面的应用价值。葡萄糖生物传感器能够简单迅速的进行疾病诊断，对治疗糖尿病有重要意义。非掺杂的纳米金刚石修饰的金电极可作为一种电化学的葡萄糖传感器。在这一研究中，纳米金刚石粒子包裹在金电极的表面，然后将葡萄糖氧化酶固定在纳米金刚石表面，纳米金刚石预先修饰电极的阳极，不仅能够提高电子在纳米金刚石芯片中转移的速率，而且能够显著的改善溶解氧的减少。这一发现可以通过监测氧减少的电流变化来检测负电位的葡萄糖。
基因传输与治疗
基因传输与治疗的目的，是引入外源基因以补充缺陷基因或为体内提供更多的生物功能。实验结果显示，纳米金刚石可成为一种快速的、可扩展的、广泛适用的基因传输工具。
药物传输与治疗
纳米技术为药物的传输提供了新的方式和途径，纳米金刚石可以与药物以共价键或非共价键的方式结合，作为药物传输工具将药物转运到靶细胞或靶器官而发挥作用。
转铁蛋白与荧光纳米金刚石共价结合后能通过受体介导的内吞作用进入细胞，其摄取机制是一种温度、能量、网格蛋白依赖的途径，从而纳米金刚石可作为一种特殊的细胞摄取与药物传输的工具。除了受体介导的机制外，胰岛素以非共价的方式吸附到纳米金刚石表面，可作为一种pH依赖的蛋白质传输工具，其中胰岛素的释放是可调的，并保留着原有活性。研究结果显示，纳米金刚石不仅能够作为有效的转运载体，而且其转运机制也比较明确。因此，可以进一步拓展其作为载体在生物医学领域中的应用。
癌症诊断与治疗
纳米粒表面能够提供各种各样的化学基团，供多种癌症诊断与化疗药物以共价键或非共价键的方式结合，据此去设计和开发具有多功能化学基团的纳米粒并用于肿瘤同步成像与治疗，已经成为目前癌症药物研究的主要目标。一些研究表明，抗癌药物与纳米金刚石连接后能够减少毒副作用，提高靶向性，并表现出较强的抗癌活性。如紫杉醇与表面修饰的纳米金刚石共价连接以后，其抗癌活性比单独紫杉醇的抗癌活性要高。
对免疫系统的作用
纳米金刚石与纳米铂的混合材料( DPV576-C)在体外作用于树突状细胞后，可增加CD83和CD86的表达，上调树突状细胞分泌的细胞因子IL-6、TNF和IL-10 的水平，提高CD4+T 细胞生长的能力。在体内DPV576-C 作用于C57BL /6 小鼠后，与未处理的C57BL /6 小鼠相比，能够增加CD4+和CD8+ T细胞和它们的激活标记物CD25 和CD69 的百分比，增强NK 细胞的活力，而且没有组织病理学上的毒副作用。因此，该混合材料可用于提高癌症治疗过程中的免疫应答反应以及治疗病人的免疫功能障碍。
小编以为，纳米金刚石在癌症诊断以及抗癌药物传输方面意义深远重大，将会是未来发展的一个重要方向。目前大陆地区从事纳米金刚石生物药用的团队较少，临床试验也相对落后于发达国家和地区。在此给大家介绍一位世界级的专家学者——俄罗斯外籍院士，台湾东华大学郑嘉良教授。
郑嘉良教授
个人简介：
郑嘉良教授现为台湾东华大学物理系教授，同时也是俄罗斯A. M. Prokhorov Academy of Engineering Science 的外籍院士(Foreign Member, 2016-)。他曾担任东华大学物理系主任、通识中心主任、艺术中心主任、共同教育委员会主任委员(院长级)、副校长(2012-2016) 等职务。他于1993年获得美国University of Oregon物理博士学位，1994-1997年在美国柏克莱加州大学化学系及台湾中央研究院原子与分子科学研究所李远哲(1986诺贝尔化学奖)实验室担任博士后研究，1997年进入台湾师范大学物理系任助理教授，1998年转往东华大学。最近十年他的研究专注于奈米钻石在生物医学方面的研究，尤其在癌症细胞的早期侦测及抗癌药物的传递，使用的方法以非侵入性的光谱、显微影像方法为主。他所领导的团队是世界上最早利用纳米钻石作为生物标定的团队，同时也是利用纳米钻石作为药物传递的先驱团队之一。
目前他是Scientific Reports的编辑委员(Editorial Board member, 2017-)，Journal of Raman Spectroscopy (Editorial Advisory Board Member, 2017-)，并曾担任台湾科技部学门审议委员(2007-2010)。他目前也担任几个钻石研究国际会议的委员: Program Committee Member, International Conference on Diamond and Carbon Materials (2010- )；Program committee member, Hasselt Diamond Workshop (2018- )；International Steering Committee Member, International Conference on Raman Spectroscopy (2012- )。
郑教授在纳米金刚石生物药用方面造诣深厚，第三届碳材料大会已邀请郑教授出席并担任大会共同主席，郑教授将会在环保工程及生物医用论坛讲述主旨报告，相信很快我们就可以看到郑教授的精彩内容分享！
附金刚石在环保工程和生物医用中的部分报告
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参考话题 |
拟邀及部分确认嘉宾 |
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金刚石、类金刚石、石墨烯电极材料在污水处理中的应用 |
G2O Water Technologies Limited /上海交通大学/中南大学/吉林大学 |
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纳米金刚石在肿瘤药物中的应用 |
郑嘉良，台湾东华大学教授，俄罗斯外籍院士 |
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纳米金刚石在基因传输和治疗中的应用 |
兰州大学 |
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纳米金刚石生物探针的开发及应用 |
劳伦斯伯克利国家实验室/中科院理化技术研究所 |
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人造（类）金刚石手术刀具等医疗器械中的开发及应用 |
浙江工业大学/新华手术器械 |
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类金刚石在生物医学（心血管支架、心脏瓣膜等）上的应用 |
西南大学 |