CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2019年
纳米材料尺寸依赖的生物学效应及应用研究
张欢
Subtype博士
Thesis Advisor黄庆
2014
Degree Grantor中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
Degree Discipline无机化学
Keyword尺寸效应 石墨烯氧化物 Dna纳米结构 细胞毒性 细胞摄取
Abstract自从上世纪中期纳米这一概念产生以来,纳米世界就受到了广泛关注。纳米(nanometer,nm)其实是一个长度单位,一纳米等于十亿分子一米(1nm=10-9m)。纳米技术,是指研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。正是由于纳米材料特殊的尺寸,才使得它相比于宏观尺度的材料具有很多特殊的效应(小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等),并赋予了纳米材料广泛的应用前景。近年来纳米材料在生物学和医学领域的应用也受到了广泛的关注,并成为迅速发展的研究领域之一。人们不断地开发出具有特殊性质,多种功能的纳米材料,用于药物靶向运输、生物传感、生物成像、生物编码等研究领域,期望能解决实际的生物医学问题。随着研究的不断深入,人们开始意识到纳米材料尺寸的重要性,即使是处于纳米级别的同一种材料,尺寸对其后续的生物学应用也有很大的影响。 本论文选择了两种典型的纳米材料为代表,一种是为大家熟知的二维石墨烯氧化物纳米材料,另一种则是近些年研究的如火如荼的DNA纳米结构。我们分别对它们进行了尺寸可控的设计、合成及一系列表征,随后着重研究了尺寸对它们的生物学效应及应用的影响,包括细胞毒性,细胞摄取及机理研究,以及生物传感及抗菌性等应用研究。主要研究内容及成果概述如下: (1)不同尺寸二维石墨烯氧化物(GrapheneOxide,GO)片层的制备及表征。 本工作中,我们通过改进经典的制备石墨烯氧化物的Hummers’方法,经过多步氧化依次制备得到了三种不同片层大小的石墨烯氧化物胶体悬液(GO-1、GO-2、GO-3)。原子力显微镜成像表明GO-1、GO-2、GO-3纳米片层的厚度均约为1.1nm,即它们均为单片层的。动态光散射及投射电子显微镜表征显示片层大小依次为500nm、200~300nm、30~50nm。X射线光电子能谱(X-rayPhotoelectron Spectroscopy, XPS)显示石墨烯氧化物片层的尺寸越小,氧化程度越高。 (2)石墨烯氧化物片层尺寸依赖的细胞生物学效应及应用研究。 研究表明石墨烯氧化物的细胞毒性存在明显的尺寸依赖性,尺寸越小细胞毒性就越小。另外,我们用放射性同位素125I标记方法对不同尺寸石墨烯氧化物间(GO-1、GO-2、GO3)的细胞摄取量进行了比较,结果表明石墨烯氧化物的细胞摄取量具有明显的尺寸依赖性,尺寸最小的石墨烯氧化物GO-3的细胞摄取量最高。从以上两个结论我们认为最小尺寸的石墨烯氧化物纳米片层GO-3具有优异的细胞生物学应用前景。此外,基于我们课题组之前发现的石墨烯氧化物的抗菌性能,我们比较了上述三种不同尺寸的GO片层的抗菌性能,实验结果显示GO片层的抗菌性也具有明显的尺寸依赖性,GO片层的尺寸越大,抗菌效果越好。 (3)基于石墨烯氧化物与DNA相互作用的尺寸效应的动态范围可调的传感器。 本部分研究主要发现,石墨烯氧化物片层纳米材料对标记荧光基团的单链DNA的荧光淬灭效果具有尺寸依赖性,并且淬灭效果和DNA单链的长度成反比。三种不同尺寸的GO片层的淬灭效果比较后发现,约30nm大小的GO3的淬灭效果最差。我们认为这一原因主要是由于GO片层的大小会影响它与单链DNA间的相互作用导致的。基于上述结论,我们利用GO淬灭荧光的尺寸效应设计了一系列动态检测范围及灵敏度可调的汞离子传感器。三种尺寸的GO片层的汞离子检测范围分别为GO1:1~40nM, GO2:1~15nM, and GO3:0.1~5nM。 (4)长度可控的一维DNA纳米线的设计、合成及表征。 随着DNA纳米技术的飞速发展,具有得天独厚优势的DNA纳米结构的生物医学应用备受青睐。但是,DNA纳米结构和细胞之间的相互作用究竟是怎么样的,目前还没有定论,而研究细胞摄取DNA纳米结构的行为对于DNA纳米结构后续的生物医学应用至关重要。于是,我们基于链式杂交反应(HybridizationChain Reaction, HCR)的基本原理,首先设计了两种基本反应基元(TH1,TH2),之后通过控制反应基元和引发链之间的比例合成得到了一系列不同长度的一维DNA纳米线结构。原子力显微镜最终结果显示各结构的平均尺寸为TH1:15nm,1-pair DNA nanostring:30nm,5-pair DNA nanostring:160nm,10-pair DNAnanostring:330nm。接着我们考察了这些结构的稳定性,聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)显示各结构在我们所需的实验条件下均可以稳定存在至少12h。荧光共振能量转移对(F rster Resonance Energy Transfer,FRET)的设计及结果也表明各结构在12h内是完整的。这些结果为我们后续细胞摄取行为的研究进行提供了有力保障。 (5)一维DNA纳米线尺寸及环境依赖的细胞摄取行为及机制研究。 本部分实验结果表明,我们设计的一维DNA纳米线结构的细胞摄取量和它本身的尺寸以及与细胞的孵育环境密切相关。在没有血清存在的孵育环境下,DNA纳米结构的摄取量和它的尺寸成正比,尺寸较长的5-pair和10-pair DNAnanostring结构摄取量较高;而在有血清存在的孵育环境下,摄取量呈波动变化,TH1结构表现出了最高的细胞摄取量。针对上述现象,我们利用不同的化学抑制剂深入系统的对个结构的细胞摄取途径进行了详细的研究。实验结果显示,在无血清的条件下,DNA纳米结构主要是通过吞噬的途径被细胞摄取的。在有血清存在时,DNA纳米结构的摄取途径相对多样化,主要依赖于它本身的尺寸,但总的摄取途径为内吞作用。接着我们利用微量热泳动仪(MicroscaleThermophoresis, MST)探索了有血清存在条件下DNA纳米结构摄取行为差异的原因。结果表明,DNA纳米结构和血清间存在相互作用,并且TH1结构的相互作用最强,这就可以很好的解释我们之前得到的摄取行为的差异。 本课题通过对一维、二维两种纳米材料的深入系统研究,发现纳米材料的生物学效应(毒性,细胞摄取等)及生物医学应用具有尺寸依赖性。这为我们后续充分利用并发挥不同尺寸的纳米材料各自的优势,设计有针对性的各种生物载体,生物探针及生物传感器提供了强大的支持,有望使纳米材料在生物医学领域的应用能得到更好的发挥。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/14819
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2019年
Recommended Citation
GB/T 7714
张欢. 纳米材料尺寸依赖的生物学效应及应用研究[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所),2014.
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