《纳米材料前沿》丛书是由材料及化学领域的学术带头人共同完成的大型出版项目，是国家出版基金资助项目。有近10位院士、20余位长江学者、杰出青年参编，聚焦信息、生物医药、新能源、环境领域研究热点。

　　《纳米生物材料》是其中一个分册，全书采用四色彩印，表征及模拟结果一目了然，增强了图书的可读性。

　　本书依据作者研究团队及国内外纳米生物材料的研究进展，从基础到应用较全面地概述了纳米生物材料的制备、表征及生物应用基础，详细介绍了各种纳米生物材料及其生物应用，具体包括无机纳米生物材料及其生物应用、有机纳米生物材料及其生物应用、复合纳米生物材料及其生物应用，并简要介绍了界面纳米生物材料、纳米生物芯片材料、仿生纳米生物材料以及临床应用的纳米生物材料。
　　本书可供从事生物医学、生物化学、纳米科学及相关交叉学科研究的人员参考使用。

　　王树，中科院“百人计划”研究员、国家杰出青年基金获得者，2015年入选国家百千万人才工程，2016年入选国家·万人计划·领军人才（2016）。2004年入选中国科学院百人计划，任中国科学院化学研究所研究员，博士生导师。主要从事共轭聚合物荧光材料设计、合成与生物应用研究。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem.Rev.、Acc. Chem. Res.、Chem. Soc. Rev.、Nature Communications、Nature Protocols等杂志发表学术论文150余篇。担任美国化学会ACS Applied Materials ＆Interfaces杂志副主编，Langmuir（2011～2013）、《化学学报》、自然出版集团Scientific Reports以及英国皇家化学会Materials Horizons等杂志编委。

总序
前言
第1章 概述
1.1 纳米生物材料的定义
1.2 纳米生物材料的特性
1.3 纳米生物材料的分类
1.4 纳米生物材料的生物安全性
参考文献
第2章 纳米生物材料的制备与表征
2.1 纳米生物材料的制备
2.2 纳米生物材料的表面修饰
2.3 纳米生物材料的表征
参考文献
第3章 纳米生物材料的生物应用基础
3.1 生物体基本结构与功能
3.2 纳米生物材料的生物应用
3.3 纳米生物材料的优选标准
参考文献
第4章 无机纳米生物材料及其生物应用
4.1 金属纳米生物材料
4.2 磁性氧化物纳米生物材料
4.3 硅基纳米生物材料
4.4 陶瓷纳米生物材料
参考文献
第5章 有机纳米生物材料及其生物应用
5.1 聚合物纳米生物材料
5.2 基于核酸的纳米生物材料
5.3 基于蛋白质与多肽的纳米生物材料
5.4 碳基纳米生物材料
参考文献
第6章 复合纳米生物材料及其生物应用
6.1 经典复合纳米生物材料
6.2 自组装纳米生物材料
参考文献
第7章 其他纳米生物材料
7.1 界面纳米生物材料
7.2 纳米生物芯片材料
7.3 仿生纳米生物材料
7.4 临床应用的纳米生物材料
参考文献

　　前言
　　我国著名科学家钱学森院士曾预言：“纳米和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。”这一预言被逐步证实，在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用的纳米技术已发展成为全世界科学家关注的焦点，纳米技术使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子，为我们提供了设计不同于传统材料的具有独特物理、化学特性的纳米材料新理念。随着纳米技术的发展，纳米电子学、纳米生物学、纳米材料学、纳米医学等分支学科也相继建立和发展起来，更为重要的是纳米技术促进了多学科之间的相互渗透和融合。纳米技术应用于人们生活中，尤其是旨在提高人们生活质量的生物医学领域中的应用研究，大量新颖的纳米生物材料被设计和制备得到。纳米生物材料主要是指应用于生物领域的纳米材料与纳米结构，包括纳米生物医用材料、纳米药物及药物的纳米化技术。纳米生物材料的研究涉及多学科高度交叉，为生物学和医学的研究提供了全新的思路，并在诊断、成像以及药物治疗方面展示出良好的发展势头和巨大的发展潜力。
　　《纳米生物材料》是一本详细介绍纳米生物材料及其应用的学术专著。全书共分7章，第1章概述了纳米生物材料的特性、分类及安全性。第2章详细介绍了纳米生物材料“自下而上”和“自上而下”的制备方法及各种表征技术。第3章讨论了纳米生物材料的生物应用基础、应用范围以及优选标准。第4章至第6章，按照材料科学的分类方法，将纳米生物材料分为无机纳米生物材料、有机纳米生物材料、复合纳米生物材料，并对这些纳米材料的生物应用最新研究进展以及发展前沿和热点进行了详细介绍。第7章重点关注了界面纳米生物材料、纳米生物芯片材料、仿生纳米生物材料以及临床应用的纳米生物材料。
　　纳米生物材料相关的基础研究已经取得长足进展，但其临床应用还很有限，如何把这些基础研究成果转化为临床应用的产品，需要纳米材料的研究人员与生物医学研究者加强合作交流，进一步提高纳米生物材料应用的生物安全性以及创制更先进的纳米生物材料。这也正是撰写本书的初衷，以期促进交叉领域合作研究，实现纳米生物材料临床转化应用，并最终使纳米生物材料造福人类。
　　本书得以完成应该感谢各位参与者的努力，在此对参与本书各章编写工作的王凤燕、王晓瑜、李盛亮、袁焕祥、张江艳博士表示感谢。
　　本书撰稿过程中，虽力求准确，但由于内容新、论述面广，书中难免有论述不完善或不妥当之处，恳请同行专家和读者批评指正。
　　编著者
　　2017年5月

　　1959年，美国著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者Richard Feynman曾经预言：在设定的空间内可以用特定的技术逐个地排列原子去制造物质。这被人们认为是对纳米材料和纳米技术做出的最早的描述［1～3］。20世纪70年代末，德雷克斯勒成立了NST（Nanoscale Science and Technology）研究组。1981年，第二届国际冶金和材料科学会议上，德国科学家Gleiter报告他已制成了人工纳米材料［4］。1987年，德国和美国同时报道已制备出具有清洁界面的陶瓷二氧化钛［5，6］。但真正标志着纳米技术正式登上人类历史舞台的是1990年在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议。1994年，在德国斯图加特举行的第二届NST会议，表明纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理等领域的焦点［7］。
　　纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100nm）或由纳米粒子作为基本单元构成的材料［8］。目前，国际上将处于1～100nm尺度范围内的超微颗粒及其致密的聚集体以及由纳米微晶所构成的材料统称为纳米材料，其中包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料［9］。纳米材料与生物体息息相关，生物体中存在大量精细的纳米结构如核酸、蛋白质、细胞器等；骨骼、牙齿、肌腱等器官与组织中也都发现有纳米结构存在。此外，据研究，在自然界广泛存在的贝壳、甲虫壳、珊瑚等天然材料是由某种有机黏合剂连接的有序排列的纳米碳酸钙颗粒构成的［10］。纳米生物材料是指应用于生物领域的纳米材料与纳米结构，包括纳米生物医用材料、纳米药物及药物的纳米化技术［11］。从狭义上讲，纳米生物材料即为纳米生物医用材料，是指对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的具有纳米尺度的材料［12］。纳米材料所具有的独特性能，使其在药物载体控释、组织工程支架、介入性诊疗器械、人工器官材料、血液净化、生物大分子分离等众多方面具有广阔的应用前景。因此，发展纳米生物材料意义重大。
　　纳米尺度效应包括量子尺寸效应和小尺寸效应（或体积效应）。当粒子尺寸下降到某一值时，费米能级附近的电子能级由准连续状态变为离散状态的现象，纳米半导体微粒存在不连续的最高占据分子轨道和最低未占分子轨道能级，能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；在非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通粒子相比都有很大变化，这就是纳米粒子的小尺寸效应［7，13，14］。
　　随着纳米晶体尺寸的减小，界面（表面）原子数增多。通过界面引入的缺陷导致原子配位不足，这就使界面（表面）上的原子间间距与颗粒内的原子间间距有较大差别，如这些界面（表面）原子具有较高的活性而极不稳定，特别容易吸附其他原子或与其他原子发生化学反应。这种界面（表面）原子的活性不但引起纳米粒子界面（表面）输运和构型的变化，同时也引起界面（表面）电子自旋、构象、电子能谱的变化，称为界面效应［7］。
　　无机纳米生物材料是研究最早并且在临床上应用最为广泛的纳米生物材料，包括纳米陶瓷材料、纳米磁性材料、纳米碳材料等［15］。
　　纳米陶瓷材料是指由处于纳米尺寸的晶粒所构成的陶瓷材料。纳米陶瓷材料在临床上已有广泛的应用，主要用于制造人工骨、骨螺钉、人工齿、牙种植体以及骨的髓内固定材料等。纳米羟基磷灰石是纳米生物陶瓷中最具代表性的生物活性陶瓷，羟基磷灰石与骨骼主要成分的性能一致，其密度指数和强度数值与骨骼相似，物理特性符合理想骨骼替代物的模数匹配，并且与正常骨骼的相容性好、不易产生骨折，因此，它在组织工程化人工器官、人工植入物等方面的应用前景越来越受到各国科学家的关注。1994年，英国科学家Bonfield将聚乙烯与压缩后的羟基磷灰石网混合后成功合成了模拟骨骼亚结构的纳米物质，该物质可取代目前骨科常用的合金材料［16］。1996年，Li等采用浸渍的方法将羟基磷灰石纳米晶涂覆在Ti金属的表面，所得到的材料与组织的结合强度比单独的Ti金属与组织的结合强度高两倍［17］。
　　纳米磁性材料主要是由纳米级的金属氧化物（如铁、钴、镍等的氧化物）组成的，具有超顺磁性［18］、磁量子隧道效应［19］等。磁性纳米生物材料多为核壳式的纳米级微球，主要有三种结构形式：①核-壳结构，即由磁性材料组成核部，高分子材料作为壳层；②壳-核结构，即将高分子材料作为核部，外面包裹磁性材料；③壳-核-壳结构，即最外层和核部为高分子材料，中间层为磁性材料［20］。
　　由碳元素组成的碳纳米材料统称为纳米碳材料。1963年Gott等在研究人工血管时发现碳元素具有良好的抗血栓性。此后，碳材料在人工血管、人工心脏瓣膜和人工齿根、骨骼、关节、韧带、肌腱等方面都获得了广泛的应用［21］。1985年，Kroto、Smalley和Curl等在Nature上发表了一篇题为《C60：Buckminster fullerene》的文章，引起了学术界强烈反响［22］。他们根据质谱上的一个尖峰推算出C60的结构，而当时的实验技术不能制备出足够的量用于其他光谱表征，所以受到了许多科学家的质疑。直到1990年，Huffman和Kratschmer等合成大量富勒烯（C60），确证这种碳元素单质的新种类是碳的同素异形体，为封闭的空心球形结构，具有芳香性［23，24］。富勒烯、金属内嵌富勒烯及其衍生物由于独特的结构和物理化学性质，在生物医学领域有广泛的应用，如抗氧化活性和细胞保护作用、抗菌活性、抗病毒作用、药物载体和肿瘤治疗等。在发现并大量生产富勒烯后，1991年，日本物理学家Iijima研究富勒烯的副产物时，发现了碳纳米管，由于其良好的物理和化学性质，引起人们极大的研究兴趣，使得碳纳米材料成为材料学研究领域的热点［25］。