论文摘要
近年来纳米材料在生物、医学、工业、催化等领域等得到了广泛的应用,这与其独特的物理化学性质密切相关。纳米材料与生物体系间的性质-活性关系的建立不仅有利于深入了解纳米材料的毒性机理、前瞻性地预测纳米材料的潜在危害,更可以对纳米材料进行安全性再设计,使得在不改变其原有功能的情况下更好地拓展其生物应用领域。在基于性质-活性关系更深入的了解纳米材料与生物体之间作用机理的基础上,能够设计出生物兼容性好、功能性多样的纳米粒子用于疾病的诊断、治疗及康复。本论文研究了多种纳米材料引发生物效应的分子机制、提出了安全性纳米材料的获取路径、构建了多种纳米系统用于癌症的光热光动力治疗及伤口愈合进程的促进,主要研究成果如下:（1）研究了不同形貌的Cu2O多面体（八面体,截角八面,立方八面体和立方体）在不同时间内晶面依赖性的生物信号响应。这些Cu2O多面体除了晶面暴露特性外其他一系列物理化学性质均相同,但在不同时间内对细胞的杀伤能力却大不相同。在短期暴露后,{100}晶面百分比高的Cu2O多面体具有更强的毒性,源于{100}晶面可以产生更多的活性氧物质（ROS）;在长期暴露后,不同Cu20多面体具有相似的毒性,而且毒性与总表面相关,这主要源于长时间暴露促进表面Cu离子大范围解离,毒性主要与Cu离子相关。（2）基于电子补偿效应精细调节Au@Ag核壳纳米结构,获得Ag+解离能力低、等离子共振特性强的银基纳米材料,拓宽其生物应用领域。Au@Ag核壳结构中存在电子补偿效应,电子可以从Au核流向Ag壳,使得Ag壳富含电子,不容易被氧化,从而降低其形成Ag+的能力。我们在同一尺寸的Au纳米粒子上包覆不同厚度的Ag壳,研究在不同核壳比的条件下电子的补偿能力及其对细胞和小鼠的毒性影响,筛选出生物安全性高且保持优良等离子共振性能的Au@Ag核壳纳米粒子用于细胞拉曼成像和体内拉曼生物传感。（3）合成具有相同强度局部表面等离子体共振（LSPR）峰的Au纳米棒,纳米壳和纳米笼,研究其在同等入射光条件下的光热和光动力性能。结果表明,这些Au纳米结构在相同光照条件下可以诱导产生相似水平的光热特性但展示不同水平的光动力特性,其中Au纳米笼可以产生最多的ROS,其次是Au纳米壳,最小为Au纳米棒。体外和体内光疗评估进一步支持Au纳米笼可导致最严重的肿瘤细胞死亡和小鼠肿瘤生长消退能力。这意味着相同的入射能量对Au纳米结构的光热和光动力性能有不同的贡献,Au纳米笼的空心和尖角结构可以更有效地将光子能量转换成光动力学性质。因此,Au纳米笼由于其高效的能量利用能力而具有很大的光疗潜力。（4）设计了一种光化疗体系,在Au纳米笼表面分别包覆pH响应和近红外光（NIR）响应的智能聚合物层,分别载入具有协同治疗效应的的厄洛替尼（Erl）和盐酸阿霉素（Dox）药物。酸性肿瘤微环境和NIR光照射可以先后选择性地激活Er1和Dox的释放。当两种药物释放的时间间隔被精确控制在6小时的时候,可以达到最好的体外和体内化疗效果。该设计可以在时间和空间上精确控制药物释放的顺序及两种药物之间的时间间隔,并与光热治疗联合使用,实现化疗光疗法的最优化。（5）设计金钯海胆状异质结构（AuPd HSs）,用于多阶段程序性地促进伤口愈合。AuPd HSs的纳米尺度特性使其具有很好的纳米桥效应,可以强力粘附皮肤并快速密封伤口,促进伤口愈合的止血期进程;Au和Pd的异质特性使得AuPd HSs在白光照射下可以产生活跃的自由电子和丰富的氧自由基,从而能够有效抑制细菌生长,促进伤口愈合的炎症期进程;AuPd HSs的海胆状形貌可以诱导巨噬细胞极化为M2表型,分泌IL-10和TGF-β释放,用于成骨,血管生成和骨整合,促进伤口愈合的增殖期和重构期进程。该纳米材料制备简捷、结构紧凑、功能多样,能够程序性促进伤口愈合过程的各个阶段,实现对伤口愈合的加速。
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摘要ABSTRACT第1章 绪论 1.1 引言 1.2 纳米材料的生物效应 1.2.1 纳米材料的性质-活性关系 1.2.1.1 纳米粒子尺寸的影响 1.2.1.2 纳米粒子形状的影响 1.2.1.3 纳米粒子表面功能化,表面电荷和表面化学的影响 1.2.1.4 纳米粒子溶解的影响 1.2.1.5 带隙的影响 1.2.2 多面体纳米材料晶面特异性-活性关系研究 1.2.2.1 多面体纳米材料晶面特异性的生物应用研究 1.2.2.2 多面体纳米材料晶面特异性的生物效应研究 1.2.3 纳米材料引起生物体系毒性的机制 1.2.3.1 对生物膜和DNA的直接物理损伤 1.2.3.2 与生物分子和细胞器的物理相互作用 1.2.3.3 生成ROS 1.2.4 纳米材料安全性设计策略 1.2.4.1 包覆法 1.2.4.2 装载法 1.2.4.3 嫁接法 1.2.4.4 掺杂法 1.3 纳米材料的生物应用 1.3.1 纳米材料用于癌症光疗 1.3.1.1 光热疗法 1.3.1.2 光动力疗法 1.3.1.3 各种Au纳米结构用于癌症光疗 1.3.2 纳米材料用于药物递送 1.3.2.1 肿瘤特殊微环境 1.3.2.2 内源性刺激响应药物控释 1.3.2.3 外源性刺激响应药物控释 1.3.2.4 NIR响应的Au纳米笼的药物控释体系 1.3.3 纳米材料用于伤口修复 1.3.3.1 纳米材料的纳米桥效应研究 1.3.3.2 纳米材料的杀菌效果研究 1.3.3.3 纳米材料促进细胞增殖和分化研究 1.4 本论文的研究目的和意义:第2章 氧化亚铜纳米材料晶面特异性的生物效应研究 2.1 引言 2.2 实验部分 2.2.1 材料与试剂 2.2.2 物理化学测试及表征仪器2O纳米材料的合成'> 2.2.3 多面体Cu2O纳米材料的合成 2.2.4 总活性氧（ROS）测试 2.2.5 羟基自由基（OH·）测试2·-）测试'> 2.2.6 超氧自由基（O2·-）测试 2.2.7 电子自旋共振（ESR）测试 2.2.8 细胞培养 2.2.9 细胞毒性测试 2.2.10 溶血试验2O多面体纳米材料中铜离子的解离及细胞对Cu2O多面体纳米材料的内吞能力'> 2.2.11 电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）检测Cu2O多面体纳米材料中铜离子的解离及细胞对Cu2O多面体纳米材料的内吞能力 2.2.12 碘化丙啶（PI）法持续检测细胞毒性 2.3 实验结果2O多面体纳米材料的合成及物理化学性质表征'> 2.3.1 Cu2O多面体纳米材料的合成及物理化学性质表征2O多面体纳米材料的毒性分析'> 2.3.2 Cu2O多面体纳米材料的毒性分析2O多面体纳米材料的性质-活性关系分析'> 2.3.3 Cu2O多面体纳米材料的性质-活性关系分析 2.3.3.1 形貌对于细胞毒性的影响 2.3.3.2 晶面对于细胞毒性的影响 2.3.3.3 短期暴露后{100}晶面的性质-活性关系 2.3.3.4 长期暴露后总表面积的性质-活性关系 2.4 本章小结第3章 Au@Ag核壳纳米粒子基于电子补偿效应调控下的安全性设计 3.1 引言 3.2 实验部分 3.2.1 材料与试剂 3.2.2 物理化学测试及表征仪器 3.2.3 合成Au NPsx NPs'> 3.2.4 合成Au@AgxNPs 3.2.5 合成Ag NPsx和pAg NPs。'> 3.2.6 合成pAu, pAu@Agx和pAg NPs。x和pDAg NPs。'> 3.2.7 合成pDAu, pDAu@Agx和pDAg NPs。 3.2.8 细胞培养 3.2.9 细胞毒性测试 3.2.10 ICP-OES分析Ag离子解离和细胞内吞 3.2.11 细胞活/死染色分析 3.2.12 利用流式细胞仪分析细胞内ROS水平 3.2.13 细胞内GSH水平检测 3.2.14 蛋白质印迹分析血红素加氧酶-1（HO-1）和金属硫蛋白（MT）表达 3.2.15 酶联免疫吸附实验（ELISA）测试白细胞介素8（IL-8）释放 3.2.16 荧光显微镜表征细胞线粒体损伤 3.2.17 小鼠呛肺实验评估小鼠急性肺炎症反应 3.2.18 Au@Ag核壳结构纳米粒子体内生物相容性评估 3.2.19 Au@Ag核壳结构纳米粒子拉曼增强信号检测 3.2.20 MCF-7细胞共聚焦拉曼成像 3.2.21 活体肿瘤拉曼检测 3.3 实验结果 3.3.1 Au@Ag核壳结构纳米粒子的合成及物理化学性质表征 3.3.2 Au@Ag核壳结构纳米粒子中Au核对Ag壳的电子补偿效应 3.3.3 裸的Au@Ag核壳结构纳米粒子的体外和体内生物安全性 3.3.4 PEG修饰的Au@Ag核壳结构纳米粒子的体外和体内生物安全性 3.3.5 pAu@Ag纳米粒子的表面增强拉曼（SERS）特性 3.4 本章小结第4章 金纳米棒,纳米壳和纳米笼基于同等入射能量条件下的光热和光动力学性能研究 4.1 引言 4.2 实验部分 4.2.1 材料与试剂 4.2.2 物理化学测试及表征仪器 4.2.3 Au纳米棒的合成 4.2.4 Ag纳米球和Ag纳米立方体的合成 4.2.5 Au纳米壳和Au纳米笼的合成 4.2.6 PEG修饰Au纳米棒,纳米材料 4.2.7 Cy-7标记Au纳米材料 4.2.8 Au纳米材料的光热测试 4.2.9 Au纳米材料的光动力测试 4.2.10 时域有限差分（FDTD）模拟计算 4.2.11 细胞培养 4.2.12 4T1细胞内吞Au纳米材料 4.2.13 细胞毒性测试 4.2.14 细胞内ROS检测 4.2.15 细胞内GSH检测 4.2.16 蛋白质印迹分析血红素加氧酶-1（HO-1）和热休克蛋白（HSP70）表达 4.2.17 检测线粒体膜电位和超氧化物的产生 4.2.18 异种移植小鼠模型 4.2.19 Au纳米材料的生物体内分布 4.2.20 生物体近红外热成像 4.2.21 体内光疗效果评估及组织学分析 4.3 实验结果 4.3.1 Au NRs,NSs和NCs的合成和物理化学表征 4.3.2 pAuNRs,NSs和NCs的光热性能表征 4.3.3 pAuNRs,NSs和NCs的光动力性能表征 4.3.4 FDTD计算Au NRs,NSs和NCs的电场分布 4.3.5 pAuNRs,NSs和NCs的体外光疗效果 4.3.6 pAuNRs,NSs和NCs光诱导细胞损伤的分子机制 4.3.7 pAuNRs,NSs和NCs的体内光疗效果 4.4 本章小结第5章 智能聚合物包裹的金纳米笼用于程序性药物调控及与光热的协同治疗研究 5.1 引言 5.2 实验部分 5.2.1 材料与试剂 5.2.2 物理化学测试及表征仪器 5.2.3 Ag纳米立方体的制备 5.2.4 Au纳米笼（Au NCs）的制备 5.2.5 巯基化聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酰胺）（pN）的制备AAu）的合成'> 5.2.6 聚丙烯酸包覆的Au纳米笼（pAAu）的合成NAu）的合成'> 5.2.7 巯基化聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酰胺）包覆的Au纳米笼（pNAu）的合成 5.2.8 尼罗红（Nile Red）或Erl的装载和pH触发的释放 5.2.9 荧光素（FITC）或Dox的装载和NIR触发的释放 5.2.10 细胞培养AAu和pNAu'> 5.2.11 细胞内吞pAAu和pNAu 5.2.12 细胞毒性测试 5.2.13 细胞凋亡测试 5.2.14 蛋白质印迹分析MCF-7和A431细胞中内源性EGFR表达和EGFR磷酸化水平 5.2.15 caspase-8活性测试 5.2.16 动物实验 5.2.17 异种移植小鼠模型 5.2.18 纳米粒子生物分布分析 5.2.19 体内光疗效果评估及组织学分析 5.3 结果与讨论 5.3.1 聚合物包裹的纳米粒子的制备和表征 5.3.2 pH和NIR响应的pAAu和pNAu载药及药物释放性质研究 5.3.3 MCF-7和A431细胞中的光化学治疗效果评估 5.3.4 MCF-7和A431细胞中光化学治疗不同效果的潜在分子机制 5.3.5 活体肿瘤治疗 5.4 本章小结第6章 海胆状纳米异质结构用于多阶段程序性促进伤口愈合 6.1 引言 6.2 实验部分 6.2.1 材料与试剂 6.2.2 物理化学测试及表征仪器 6.2.3 Au纳米球（Au NSs）的合成 6.2.4 AuPd HSs的合成 6.2.5 AuPd CSs的合成 6.2.6 小鼠皮肤粘附性能的测试 6.2.7 白光照射下测试活性氧的生成 6.2.8 白光照射下抗菌性能测试 6.2.9 细菌内活性氧检测 6.2.10 细菌内谷胱甘肽（GSH）含量检测 6.2.11 脂质过氧化检测 6.2.12 细胞培养 6.2.13 细胞增殖实验 6.2.14 细胞划痕实验 6.2.15 巨噬细胞（RAW 264.7）极化类型检测 6.2.16 AuPd HSs对于小鼠伤口愈合效果评估 6.2.17 小鼠伤口处生化分析 6.3 结果与讨论 6.3.1 AuPd HSs和AuPd CSs的制备和表征 6.3.2 AuPdHSs和AuPd CSs的纳米桥粘连效应 6.3.3 AuPd HSs和AuPd CSs在白光照射下生成氧自由基的能力和抗菌活性 6.3.4 抗菌机制研究 6.3.5 AuPd HSs诱导巨噬细胞向M2表型极化的能力研究 6.3.6 AuPd HSs诱导细胞迁移和增殖能力分析 6.3.7 体内伤口愈合 6.4 本章小结第7章 总结与展望 7.1 总结 7.2 展望参考文献致谢在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
文章来源
类型: 博士论文
作者: 冯艳林
导师: 张海元
关键词: 性质活性关系,纳米粒子,安全性设计,癌症治疗,伤口愈合
来源: 中国科学技术大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,医药卫生科技
专业: 生物学,材料科学,生物医学工程
单位: 中国科学技术大学
分类号: R318;TB383.1
DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000109
总页数: 175
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标签：性质活性关系论文; 纳米粒子论文; 安全性设计论文; 癌症治疗论文; 伤口愈合论文;
纳米材料性质-活性关系调控下的安全性设计及生物医学应用
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