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