纳米材料生物效应研究和安全性评价前沿

纳米技术持续、健康的发展要求我们了解纳米材料的安全性。2004年以来,纳米材料生物效应和安全性研究发展迅速,形成一个跨学科的研究领域,并受到政府、学界、企业和社会公众等的广泛关注。文中叙述了纳米材料安全性评估的迫切性和重要意义,重点讨论了该领域的最新发展方向,包括纳米产品、工作场所和环境的安全等,同时简单讨论了纳米标准化、纳米技术风险管理和纳米伦理研究与纳米安全性研究的关系。

人造纳米材料生物安全性研究进展

纳米材料具有独特的物理化学性质,如小尺寸效应、巨大比表面积、极高的反应活性、量子效应等,这些特性使纳米科学成为当今世界三大支柱科学(生命科学、信息科学、纳米科学)之一.随着纳米技术的产业化,各种形式的纳米尺度的物质已经以不同途径进入人们的生活,纳米材料的生物安全性问题正受到世界各国科学家的广泛关注.介绍纳米材料生物安全性研究的重要性,系统讨论本课题组在纳米金属氧化物和碳纳米材料生物安全性研究领域的一系列成果,并展望将来的研究重点.

微纳米塑料与细胞的相互作用的研究进展

微纳米塑料(M/NP)主要是指塑料在紫外线照射、机械摩擦等条件下发生碎裂而形成的,尺寸在微纳米范围内的粒子.M/NP污染范围广、种类多,对环境生物造成了各种负面影响,而最近从人体中检测到M/NP的报道频繁出现,M/NP对人体健康的影响已经成为研究热点.M/NP对生物的影响依赖于其与细胞的作用,而M/NP的细胞摄取和外排是影响其在细胞内的滞留,进而影响其生物效应的关键.因此,在简单总结了环境中M/NP的来源、人群暴露途径及已发现的健康影响的基础上,详细总结了M/NP与细胞作用的研究进展,包括细胞对M/NP的摄取和毒性,以及相关影响因素,并展望了今后开展相关研究的方向和需要关注的事项,为M/NP的生物效应的研究以及健康风险评估提供参考.

碳纳米管对单核巨噬细胞作用的基因表达谱研究

目的:采用Affmetrix公司的基因组芯片,研究原始的多壁碳纳米管(pristine multi-walled carbon nanotubes,p-MWC-NTs)与牛磺酸修饰的多壁碳纳米管(taurine functionalized multi-walled carbon nanotubes,tau-MWCNTs)对小鼠的单核巨噬细胞RAW264.7细胞的作用机制。方法:通过对差异表达基因的生物学功能予以分类,从分子水平上探讨p-MWCNTs与tau-MWCNTs对RAW264.7细胞的作用机制,并以实时荧光定量聚合酶链反应来验证研究结果。结果:与对照组相比,p-MWCNTs处理RAW264.7细胞24 h后,RAW264.7细胞表达显著改变的基因共5 738个;而经tau-MWCNTs处理RAW264.7细胞24 h后,RAW264.7细胞表达显著改变的基因共2 567个,这些基因的功能涉及细胞周期、细胞凋亡、应激反应、炎性反应与细胞骨架等。结论:P-MWCNTs抑制RAW264.7细胞的生长是通过调控一些与细胞周期、细胞凋亡、应激反应及炎性反应相关的基因而起作用。而tau-MWCNTs处理RAW264.7细胞后发生变化的基因数量显著减少。

用作近红外光引导的化学-光热协同治疗的上转换-铋纳米诊疗剂

设计并合成了一种用于近红外光驱动的化学-光热治疗的上转换-铋纳米体系诊疗剂(UBDAs),其具有出色的光热转换能力(28.5%)和良好的生物相容性。同时,在980 nm近红外光的激发下,UBDAs能够发射紫外/可见光,用于促进光敏剂偶氮苯在介孔中的连续旋转-翻转运动,从而实现药物的可控释放,且利用近红外光激发能够有效避免传统紫外光对生物组织的副作用。光热实验表明,UBDAs杂化纳米体系在980 nm激光照射下具有良好的光热效应。此外,含有Tm和Bi元素的UBDAs有望用于上转换发光成像和X射线计算机断层成像,进而实现双模成像介导且单一近红外光激发的癌症化学疗法和光热疗法。该研究结果为诊断和协同增强抗肿瘤治疗的综合研究提供了新的思路。

电化学方法制备聚苯胺膜及其表征

在室温条件下的酸性溶液中,以铜片为电极,采用液体的苯胺单体作为反应剂,通过扫描伏安法制备聚苯胺薄膜.利用循环伏安法(cyclic-voltametry,C-V)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、X-射线衍射测试(X-ray diffraction,XRD)等手段对样品进行表征,同时详细考察合成条件对材料性能的影响.结果表明,在苯胺浓度为0.1 mol/L,硫酸浓度为1.0 mol/L,盐酸浓度为0.5 mol/L的混合溶液中,当扫描速度为0.06 V/s时,可获得颗粒尺寸在100 nm以下且均匀度比较高的聚合物.该聚合物具有良好的氧化还原可逆性.

表面不同修饰的两种多壁碳纳米管引起RAW264.7细胞蛋白质差异表达

目的:比较表面不同修饰的两种多壁碳纳米管[经酸化处理的多壁碳纳米管(acid-treated multi-walled carbon nanotubes,aci-MWNTs)和牛磺酸表面修饰的多壁碳纳米管(taurine-modified multi-walled carbon nanotubes,tau-MWNTs)]引起小鼠巨噬细胞RAW264.7细胞蛋白质表达的差异。方法:两种碳纳米管均以20mg/L的剂量,24h的时间染毒细胞,并设置空白对照组;运用尿素裂解、冰浴超声的方法破碎细胞,提取细胞全蛋白,运用二向凝胶电泳分离细胞全蛋白,寻找银染凝胶图像上表达差异蛋白点,对差异蛋白行质谱分析鉴定,在蛋白水平上探究两种MWNTs对细胞作用的机制。结果:两种碳纳米管处理的细胞,表达有显著差异的蛋白点共13个,功能包括凋亡相关、钙结合、细胞周期相关、DNA合成、蛋白质折叠和能量代谢等方面,并与本课题组前期研究观察到的MWNTs对细胞凋亡诱导及线粒体损伤等细胞毒性结果相吻合。结论:两种MWNTs均能引起RAW264.7细胞蛋白表达的变化,表面不同修饰的MWNTs作用有差异,高通量蛋白质组学方法有望用于碳纳米管生物学效应及毒性机制研究。

未修饰碳纳米管的细胞毒性机理及其影响因素

随着碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)制备技术的成熟和潜在应用的开发,CNTs的毒性也逐渐引起人们的重视.就未修饰CNTs而言,目前已有大量的文献报道了它们的细胞毒性的效果、机理、影响因素等.一种观点认为,CNTs通过影响细胞粘附、细胞周期或引起细胞内氧化应激水平的提高等手段,导致细胞发生凋亡,存活率下降.但也有一些研究发现,CNTs具有较高的生物安全性,没有显著的细胞毒性.存在对立的实验结果的主要原因是影响CNTs细胞毒性的因素很多.CNTs杂质的种类和含量、纯化方法不同,细胞培养环境的不同甚至生物终点检测方法的不同,都会影响对CNTs细胞毒性的判断.CNTs本身的性质,包括长度/直径、分散性等也都影响着CNTs的细胞毒性.为了更准确地评估CNTs的细胞毒性,建立标准样品,统一检测方法势在必行,即建立CNTs标准品和暴露剂量标准,发展适合CNTs的细胞毒性检测方法.归纳总结了以上各方面的研究成果,对今后的相关研究提出看法和建议.

比较不同长度及表面修饰的多壁碳纳米管的细胞毒性和遗传毒性

目的:比较不同长度和表面修饰的多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)对人肺泡Ⅱ型上皮细胞(A549细胞)的细胞毒性和遗传毒性的影响。方法:选取长(515μm)、短(350700 nm)两种不同长度的MWCNTs,及羧基(carboxyl,COOH-)、氨基(amino,NH2-)和牛磺酸(taurine,Tau-)3种不同表面修饰的MWCNTs分别进行实验研究,其中短的MWCNTs作为未修饰的MWCNTs(Pristine-MWCNTs)与表面修饰的MWCNTs进行比较。细胞毒性实验采用cell counting kit-8(CCK-8)法,染毒浓度为2、8、32 mg/L,染毒时间分别为12、24、36、48 h;遗传毒性采用单细胞凝胶电泳实验检测DNA链断裂,染毒剂量为8 mg/L,染毒时间24 h。结果:两种长度的MWCNTs在所观察的1248 h染毒时间内,均表现出剂量依赖的细胞毒性;其中在2448 h处理时间组,MWCNTs的细胞毒性随长度增加而增大。经过表面修饰的3种MWCNTs与未修饰的MWCNTs相比,表面修饰过的MWCNTs在染毒时间12 h、染毒浓度为32 mg/L时相对细胞活性:COOH-MWCNTs为(86.55±1.80)%、NH2-MWCNTs为(84.67±1.32)%、Tau-MWCNTs为(80.15±3.53)%,均高于未修饰MWCNTs的细胞活性(71.44±5.58)%,差异具有统计学意义(P<0.05);在染毒时间24 h、染毒浓度为8 mg/L时修饰过的MWCNTs相对细胞活性:COOH-MWCNTs为(96.74±1.00)%、NH2-MWCNTs为(96.74±3.35)%、Tau-MWCNTs为(106.39±3.83)%,均高于未修饰MWCNTs的细胞活性(91.02±2.53)%,差异具有统计学意义(P<0.05);在染毒时间24 h、染毒浓度为32 mg/L时修饰过的MWCNTs相对细胞活性:COOH-MWCNTs为(80.88±2.67)%、NH2-MWCNTs为(82.90±3.25)%、Tau-MWCNTs为(82.55±3.32)%,均高于未修饰MWCNTs的细胞活性(76.08±4.27)%,差异具有统计学意义(P<0.05);在染毒时间36 h、染毒浓度为8 mg/L时修饰过的MWCNTs相对细胞活性:COOH-MWCNTs为(96.87±1.05)%、NH2-MWCNTs为(96.66±4.76)%、Tau-MWCNTs为(100.23±2.84)%,均高于未修饰MWCNTs的细胞活性(89.61±3.78)%,差异具有统计学意义(P<0.05)。在其他观察时间和染毒浓度下,经过表面修饰的MWCNTs与未修饰MWCNTs的细胞活性相比,差异无统计学意义(P>0.05)。经过表面修饰的3种MWCNTs DNA链断裂损伤情况:Olive尾距COOH-MWCNTs为1.56±0.22、NH2-MWCNTs为2.25±1.62、Tau-MWCNTs为2.23±0.94,尾部DNA含量COOH-MWCNTs为(3.96±0.60)%、NH2-MWCNTs为(6.16±4.68)%、Tau-MWCNTs为(6.05±2.31)%,均在不同程度上低于未修饰的MWCNTs[Olive尾距为3.00±0.64,尾部DNA含量为(8.23±2.27)%],差异具有统计学意义(P<0.05),其中COOH-MWCNTs所致DNA链断裂损伤最小。结论:上述材料在所观察时间和染毒剂量下,均引起了A549细胞不同程度的细胞毒性和DNA链断裂,相同染毒浓度下,不同长度的MWCNTs所致细胞毒性及DNA链断裂程度有所差别;表面修饰可在一定程度上降低MWCNTs对A549细胞的细胞毒性和DNA链断裂损伤。

氨基化的水溶性多壁碳纳米管的合成及表征

通过聚醚酰亚胺修饰得到了氨基化的多壁碳纳米管,并采用傅里叶变换红外光谱、透射电镜、拉曼光谱和热重分析对产物进行表征。通过估算,平均每根383 nm长的多壁碳纳米管接枝上了1 200个聚醚酰亚胺分子,约含一级胺的数目为28万个,即平均每100个碳原子接上了1.8个一级胺,大大增加了多壁碳纳米管表面的氨基数量。此外,修饰后的碳纳米管的溶解度显著提高,约2 mg/mL,利于进一步开发其在生物传感器、药物载带、组织工程、生物显像等生物医药领域的应用。

多壁碳纳米管对单核巨噬细胞的毒性作用

目的：研究多壁碳纳米管（p-MWCNTs）与牛磺酸修饰的多壁碳钠米管（tau-MWCNTs）在体外对小鼠的单核巨噬细胞RAW264．7细胞的毒性作用。方法：p-MWCNTs与tau-MWCNTs作用于RAW264．7细胞后，观察RAW264．7细胞乳酸脱氢酶（LDH）释放率、细胞形态、肿瘤坏死因子a（TNF-a）和凋亡情况。结果：P-MWCNTs可以使细胞的LDH释放率增高，诱发细胞发生凋亡，增加细胞内TNF-a释放，而即使高浓度的tau-MWCNTs对RAW264．7细胞也没有毒性作用。结论：tau-MWCNTs不影响细胞活力，它可以在生物与医学方面得到广泛的应用，

Mg掺杂ZnO纳米晶的低温共沉淀法制备及光学性质

采用共沉淀（co-precipitation）法制备了Mg掺杂ZnO纳米晶,分别用X射线衍射（XRD）、傅立叶变换红外光谱（FTIR）、紫外可见吸收（UV-Vis）光谱、光致发光（PL）光谱、透射电镜（TEM）、电子顺磁共振（EPR）等分析手段对样品进行了表征。探究了Mg离子在ZnO纳米晶中的存在状态,ZnO纳米晶颗粒尺寸和发射光谱随Mg掺杂浓度的变化,并对其发光机理进行了分析。结果表明：Mg离子在ZnO晶格中以部分晶格位,部分间隙位的方式存在,没有形成MgO表面壳层结构;随Mg掺杂浓度的增大,ZnO纳米晶的颗粒尺寸变小,发射光的光强增大。发射光的最佳激发波长为342nm,中心波长为500nm,荧光量子产率为22.8%。实验分析表明：Mg离子的掺杂在ZnO纳米晶中引入了锌空位（VZn）,间隙位的镁离子（IMg）,提供了新的复合中心,从而增强了ZnO纳米晶的光致发光。

不同修饰多壁碳纳米管诱导的细胞毒性及内质网相关基因表达

目的:比较表面不同修饰的两种多壁碳纳米管,即羧基化多壁碳纳米管(carboxylic multi-walled carbonnanotubes,c-MWCNTs)和牛磺酸修饰的多壁碳纳米管(taurine-modified multi-walled carbon nanotubes,tau-MWCNTs)对RAW264.7细胞的毒性,初步探究内质网在MWCNTs诱导细胞凋亡中的作用。方法:用尺寸和杂质含量一致的tau-MWCNTs和c-MWCNTs以0、1.56、3.12、6.25、12.50、25.00μg/cm2剂量染毒RAW264.7细胞3、6、12、24 h,通过WST-1法和AnnexinV-FITC/PI双染,检测细胞毒性和细胞凋亡。应用实时荧光定量PCR技术,检测与内质网钙离子调控、应激和凋亡相关的CRT、GRP78以及CHOP的mRNA表达水平。结果:tau-MWCNTs在所有的染毒剂量和染毒时间内,细胞毒性均比c-MWCNTs低。在≥12.50μg/cm2剂量下染毒3 h以上,或在≥3.12μg/cm2剂量下染毒12 h以上,两种MWCNTs均能产生明显的细胞毒性且差异有统计学意义(P<0.05)。凋亡检测发现,两种MWCNTs染毒细胞24 h的细胞凋亡率显著高于12 h,且c-MWCNTs组的凋亡率普遍高于tau-MWCNTs组。实时荧光定量PCR结果显示,在所研究的染毒剂量及时间内,CRT、GRP78和CHOP mRNA表达与对照相比差异很小,无统计学意义。结论:tau-MWCNTs对RAW264.7细胞的毒性较c-MWCNTs明显降低,未观察到MWCNTs对RAW264.7细胞内质网造成损伤,提示内质网通路可能不是MWCNTs导致细胞凋亡的主要机制。

不同种类的ZnO纳米颗粒对人胃黏膜上皮细胞离子吸收的影响

研究了不同种类低浓度ZnO纳米颗粒(nanoparticles,NPs)对人胃黏膜上皮细胞(gastric epithelium cells-1,GES-1)吸收Fe^(3+),Ca^(2+)和Mg^(2+)的影响.结果表明:ZnO NPs对Fe^(3+)吸收浓度的影响最为显著;3种离子的浓度变化与ZnO NPs的粒径和质量浓度有关,其中50 nm的ZnO NPs对离子吸收的影响最大,且在ZnO NPs质量浓度为15 mg/L时细胞的离子吸收浓度达到最高;ZnO NPs的亲水和亲油特性对离子吸收无明显影响.最后,通过检测与不同种类ZnO NPs共同培养的GES-1的细胞活力以及活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平,对影响离子吸收的机理进行了讨论.

小热休克蛋白MjHSP16.5对多肽纤维生长的抑制及对成熟纤维的解聚作用

包括老年痴呆症在内的许多疾病与蛋白质或多肽的淀粉样聚集(纤维化)有关.由于这类疾病的机制尚不清楚,因此还没有有效的预防和治疗手段.研究各种因素如小热休克蛋白对蛋白质或多肽淀粉样聚集的影响对开发防治相关疾病的药物具有重要意义.甲状腺素运载蛋白(TTR)及其突变体很容易形成淀粉样纤维,并与多种疾病相关.Mj HSP16.5是一种来源于嗜热古细菌Methanococcus jannaschii的小热休克蛋白,它在酸性条件下具有非常高的分子伴侣活性.本文研究了Mj HSP16.5对WTTR肽(在N端添加了色氨酸的TTR105-115片段,序列为WYTIAALLSPYS)纤维化的影响,发现Mj HSP16.5能够显著地抑制WTTR肽纤维的生长,且在Mj HSP16.5存在下,WTTR肽形成的纤维比正常条件下形成的要显著细小.尤其是Mj HSP16.5还可以使已经成熟的WTTR肽纤维解离.结果表明,Mj HSP16.5抑制多肽纤维的机理可能在于其能够与多肽纤维及纤维种子结合.

蛋白质结构的“限域下最低能量结构片段”假说与蛋白质进化的“石器时代”

蛋白质折叠问题被称为第二遗传密码,至今未破译;蛋白质序列的天书仍然是"句读之不知,惑之不解"。在最近工作的基础上,我们提出了蛋白质结构的"限域下最低能量结构片段"假说。这一假说指出,蛋白质中存在一些关键的长程强相互作用位点,这些位点相当于标点符号,将蛋白质序列的天书变成可读的句子(多肽片段)。这些片段的天然结构是在这些强长程相互作用位点限域下的能量最低状态。完整的蛋白质结构由这些"限域下最低能量结构片段"拼合而成,而蛋白质整体结构并不一定是全局性的能量最低状态。在蛋白质折叠过程中,局部片段的天然结构倾向性为强长程相互作用的形成提供主要基于焓效应的驱动力,而天然强长程相互作用的形成为局部片段的天然结构提供主要基于熵效应的稳定性。在蛋白质进化早期,可能存在一个"石器时代",即依附不同界面(比如岩石)的限域作用而稳定的多肽片段先进化出来,后由这些片段逐步进化(包括拼合)而成蛋白质。

小分子热休克蛋白Mj HSP16.5的分级变性

应用荧光光谱、圆二色光谱、体积排阻色谱、激光动态光散射等技术,研究了来自嗜热古细菌Methanococcus jannaschii(Mj)的小分子热休克蛋白Mj HSP16.5在变性剂作用下的变性过程.研究表明,在pH7时,Mj HSP16.5在8mol·L-1尿素作用下不会发生变性.在pH7条件下,盐酸胍对Mj HSP16.5的变性表现为一个分级过程,分别在2.0、3.0和6.0mol·L-1盐酸胍浓度附近,出现明显的结构变化;到7.0mol·L-1盐酸胍时,Mj HSP16.5才完全变性.降低溶液pH值将使Mj HSP16.5的变性变得更为容易.

溶液稳定、高导电性波纹状石墨烯片(英文)

特殊的单原子层二维sp2碳结构给石墨烯带来众多独特的性能和潜在的应用.然而,单层石墨烯容易聚集并会逐渐重新石墨化,这成为其应用的一个重要障碍.本文报道了一种新策略来解决这个问题,即通过在石墨烯表面引入sp2碳纳米结构作为永久的波纹来阻止石墨烯的聚集和石墨化,并使之在溶液中易于分散和稳定.和其他功能化方法不同,该方法没有引入杂原子,不破坏石墨烯的结构和功能.制得的石墨烯具有优异的导电性能(～65000S·m-1),并具有较好的溶液稳定性.

金抗体替代ELISA中的天然抗体用于溶菌酶检测

目的酶联免疫吸附测定(ELISA)被广泛用于抗体或抗原的检测,并被视为临床实践中的金标准,可提供相对可靠、灵敏和特异的检测结果。ELISA的本质是抗原与相应抗体之间的特异性相互作用。然而,天然抗体固有的不稳定性是ELISA的一个难以克服的弱点,并可能导致检测结果的重现性差甚至错误的诊断结果。本课题组先前应用构象工程方法开发了一种基于金纳米粒子的人工抗体(简称金抗体)。金抗体可以像天然抗体一样特异性地与抗原相互作用,并且具备远优于天然抗体的稳定性。出色的稳定性使金抗体可能成为天然抗体更好的替代物,用于ELISA中。方法经过必要的优化并与辣根过氧化物酶(HRP)耦联后,制得酶标金抗体10HRP-(Au-400P1),然后用酶标金抗体代替天然酶标抗体用于ELISA检测中。结果通过一系列的实验证明,抗溶菌酶金抗体可用于ELISA特异性检测1~16 mg/L范围内的鸡蛋清溶菌酶(HEWL)样品。结论金抗体可以替代天然抗体用于ELISA检测,并具有优于传统ELISA法的检测准确性和一致性。

纳米二氧化钛对胃溃疡大鼠血象的影响

目的探讨纳米-氧化钛灌胃染毒对胃溃疡大鼠血象的影响。，方法对纳米二氧化钛材料进行表征。将24只8周龄清沽级雄性SD大鼠按体重川随机数字表法分为4组（每组6只）。、在胃体部与幽门窦交界处注射体积分数为20％的醋酸，建立胃溃疡模型后，每天1次灌胃，分别给予0（对照组）、10（低剂量组）、50（中剂量组）、200mg／kg（高剂量组）纳米二氧化钛，染毒30d后进行血液常规指标和凝血指标的检测，并分析其变化情况。结果纳米二氧化钛为锐钛矿品型，近球形，平均粒径（75±15）nnl。高剂量纳米二氧化钛染毒组大鼠的自细胞（WBC）汁数[（8．48±3．28）×10^9／L]、淋巴细胞（I,YM）计数[（6．85±2．53）×10^9／L]、单核细胞（MOD）汁数[（0．27±0．12）×10^9／L]、中性粒细胞（GRN）计数[（1．37±0．86）×10。／L]、红细胞（RBC）计数[（8．20±0．49）×10^9／L]、红细胞乐积（HCT）[（45．34±1．4）％]均高于对照组[分别为（2．63±0．34）×10^9／L]、（2．25±0．26）×1×10^9／L、（0．054±0．06）×10^9／L、（0．334±0．26）×10^9／L、（4．874±2．37）×10^9／L、（27．2±13．3）％]，差异有统计学意义（t值分别为-3．449、-3．825、-3．554、-3．097、-2．972、-2．936，P值均〈0．05）；中剂量组l夫鼠的WBC[（6．88±3．06）×10^9／L]、MOD[（0．20±0．07）×10^9／L]、RBC[（7．79-I-0．48）×10^9／L]、HCT[（42．7±2．8）％]亦明显高于对照组，差异有统计‘学意义（t值分别为-2．507、-2．367、-2．605、～2．5l]，P值均〈0．05）。各染毒组大鼠与埘照组相比，其他血常规和凝血相关检测指标未虬明显改变．．结论较长期绛口摄入纳米二氧化钛，可导致胃溃疡大鼠WBC和RBC计数指标的明显升高，但对血小板和凝m相父指标无明显影响。