疾病一直是困扰人类健康的重大问题。大量生物医药研究专注于疾病的诊断和治疗，其中包括生物传感器和药物运输的研究等。对疾病诊断而言，疾病早期的有效诊断对于疾病的治愈和治疗成本的降低都有着极大的促进作用。目前，常规的蛋白质检测手段如蛋白质免疫印迹和酶联免疫吸附测定等，多利用抗体-抗原的特异性作用，通过一定的抗体耦合和固定技术来实现对特定靶点蛋白的识别和检测。这些检测手段往往存在制备过程复杂、成本过高、灵敏度有限以及检测条件苛刻等弊端，难以满足早期临床诊断对高灵敏和高选择性的要求。因此，研究设计具有更高灵敏性和选择性的生物传感器，用于超低浓度的生物标记物的检测，对于疾病的早期诊断具有重要意义。与此同时，在药物治疗方面，传统制药行业制备的药用小分子往往存在分子水溶性差、毒副作用强等问题，难以实现直接性给药。具有良好生物活性的药用大分子也因为易被酶催化分解、稳定性差等问题，难以实现全身性给药。因此，研究制备可同时实现靶向药物运输和控制药物释放的药物载体来运载药物用于全身性给药，对于提高药物治疗效果和革新传统制药行业具有重大意义。此外，细胞作为生命活动的基本单元，是生物医药研究的重要对象。从活细胞内有效地提取生物标记物，用于实时监测和分析细胞内的生命活动信号，对于理解和认识细胞内的信号通路、研究疾病的发病机制以及药物筛选等具有重要意义。然而现有的胞内信号物的提取手段依然依赖于细胞裂解技术，以破坏细胞膜为代价来释放胞内信号分子用于分析检测。这样既破坏了细胞活性，也忽略了细胞间的特异性差别，难以获得细胞在时间上的进展性信息以及单个细胞的特异性信息。　　本文以一维纳米材料为基础，为解决疾病诊断和治疗的研究在生物传感器、药物运输和胞内物质提取等方面存在的诸多问题，开展了大量的研究工作。提出以碳纳米管阵列为电极，结合蛋白质印迹技术设计具有超灵敏性、超选择性的生物传感器用于蛋白质的检测；以磁性聚己酸内酯纳米棒为载体，结合金纳米棒的光热效应实现药物的靶向运输和红外光响应的控制释放；以及以纳米穿刺技术为基础，实现活细胞内物质的提取。具体内容包括以下几个方面：　　(1)以电聚合蛋白质印迹为基础的生物传感器的机理研究　　本文以聚苯乙烯微球紧密排列的单分子层为模板，制备呈现六边形周期性排布的催化剂阵列，结合等离子体辅助的化学气象沉积法，生长制备低密度且单根直立的碳纳米管阵列。利用纳米加工技术，使用绝缘性良好的环氧树脂包埋碳纳米管侧壁，制备以碳纳米管尖端为电极活性表面的微电极阵列。以该微电极阵列为工作电极，结合蛋白质印记技术，采用苯酚电聚合的方法，在电极表面制备可特异性结合目标蛋白质的高分子薄膜。最后利用印记薄膜重新结合蛋白质后引起的电极表面的电阻抗信号的变化，检测目标蛋白质。结果显示该传感器具有超高灵敏性和选择性，灵敏度高达10-12 g/L。本文还结合仿真模拟和实验验证的方法，进一步详细研究了该传感器对蛋白质的高灵敏识别的机制。蛋白质结合位点的模拟计算结果显示，苯酚电聚合过程中产生的大量中间体在与蛋白质相互作用过程中，倾向于形成一个对目标蛋白质有特异性结合的识别界面，该界面包含了所有苯酚类小分子化合物对蛋白质的结合力总和。实验证明，在蛋白质印记过程中，人为增加苯酚衍生物类的功能单体的含量，以增强识别界面的亲和力，可进一步提高该方法制备的生物传感器的识别灵敏性。该工作为以电聚合蛋白质印迹为基础的生物传感器的设计提供了理论依据。　　(2)以一维纳米材料为基础的药物载体的研究　　本文以多孔的氧化铝滤膜为模板，成功制备了多种材料为基础的一维纳米材料，如镍纳米管、蛋白质纳米管和聚己酸内酯纳米棒。聚己酸内酯优良的生物相容性和生物可降解性，促进了以该高分子材料为基础的纳米棒作为药物载体的研究。研究显示，模板润湿的制备方法可通过原位混匀实现聚己酸内酯纳米棒的多功能化修饰，为该材料作为优良的药物载体奠定了基础。磁性氧化铁纳米颗粒在聚己酸内酯纳米棒表面的磁性修饰，赋予了该纳米棒良好的顺磁性，实现了该纳米棒在外界磁场牵引下的靶向运输。均匀地包埋在聚己酸内酯纳米棒基体中的金纳米棒，在共振红外光的照射下，产生热效应，对高分子基体进行局部性加热，促进周围局部区域内的药物分子释放，实现了对红外光响应的控制性释放。此外，本文还详细探讨了金纳米棒的光热效应，为进一步研究该药物载体的控制释放机制提供了理论依据。该研究以一种简单的方法，制备了多功能化修饰的聚己酸内酯纳米棒。以该纳米棒为基础的药物载体，可同时实现以外界磁场为响应的靶向运输和以红外光为响应的控制性释放。　　(3)活细胞内物质提取的研究　　本文利用外加磁场，牵引一维磁性纳米材料，穿透活细胞。纳米材料在穿透细胞的过程中吸附胞内物质，最后在穿出细胞后将胞内信号物带出胞外。对绿色荧光蛋白转染的单个细胞的穿刺结果显示，纳米材料在穿透细胞的过程中，细胞内表达的绿色荧光蛋白有效地吸附在纳米材料表面，被纳米材料从活细胞内带出胞外。此外，使用多孔滤膜作为细胞培养的基底，实现了对单个细胞进行穿刺的研究和分析。细胞活性的研究显示，用于细胞穿刺的纳米管对细胞膜只造成纳米创伤，对细胞活性和细胞生理过程没有影响。因此，该技术成功地实现对活细胞体内信号分子的提取，对实时监测和分析细胞内的生命信号具有重要意义。