基于微纳结构外场响应薄膜的高效表面介导基因传递的研究

This project aims at the light-controlled release and targeted electrophoresis of gene vectors in substrate-mediated gene transfection. Based on the facts that cells usually attach on culure surface in in vitro gene transfer and our previous work on photo-responsive titanium dioxide films, we propose to investigate the light-controlled release and targeted electrophoresis behaviors of gene vectors on quasi-3-dimensional micro/nano TiO2 films. Films consisted of C-quantum-dots incorporated TiO2 mesoporous layer, TiO2 nanodots layer, TiO2 nanorods clusters layer are first prepared and then investigated for substrate-mediated gene transfection application. The main research works in this project include: synthesis of films consisted of C-quantum-dots incorporated TiO2 mesoporous layer, TiO2 nanodots layer, TiO2 nanorods clusters layer; investigation of controlled immobilization of gene vectors on the films; investigation of light-controlled release and targeted electrophoresis behaviors of the gene vectors; in vitro investigation of the effects on gene transfection through light-controlled release. It is expected that this project could make great contributions in both the developments of biotechnology and medical technology related to gene transfection.

本项目针对表面介导基因转染需要基因载体从表面上可控爆释并向细胞定向传递的关键科学技术问题，依据细胞与培养表面的结合原理，结合纳米二氧化钛的光响应特性，利用溶胶凝胶分相自组装和水热生长可在基板表面制备出二氧化钛介孔薄膜、纳米点和纳米棒的特性，提出构建由碳量子点复合二氧化钛介孔薄膜、纳米点层、以纳米点为中心的纳米棒团簇层构成的准三维微纳结构薄膜，研究其表面基因载体的光控爆释对基因转染效率的作用并初步研究定向电泳对这一过程的影响。研究内容包括：由碳量子点复合二氧化钛介孔层/纳米点层/纳米棒团簇层构成的准三维微纳结构薄膜的制备；基因载体在准三维微纳结构薄膜表面的负载、光控爆释及定向电泳研究；准三维微纳结构薄膜的表面介导基因转染研究；本项目为提高表面介导基因转染的基因转染效率提供了新的思路，对基因转染相关的生物技术以及医疗技术研究有着重要的理论和实践意义。

本课题旨在研究可用于表面介导基因转染的表面及其表面基因载体的光控释放行为及机理。鉴于进行细胞转染时细胞通常是附着于某种材料的表面上，通过材料表面形成基因载体向细胞运动的驱动力可有效地促进转染的进行。在课题组前期对光响应二氧化钛薄膜的工作基础上，开展了以下工作： .1. 在石英衬底表面制备了微纳二氧化钛基薄膜，研究了紫外光照射对底物介导的基因转染效率的影响。结果表明，在基因转染过程中，紫外光直接照射对细胞活性有很大的负面影响。通过对BSA的预吸附，可以提高细胞反应，使光照快速释放基因载体变得困难。 .2. 为了消除紫外线的有害影响，可见光响应纳米金/胶原（金纳米粒子/ COL）涂层的进一步应用于微纳米TiO2薄膜。发现可见光对细胞是安全的。同时，光照强度和光照时间可以调节胶原降解，导致基因载体的释放，进而提高基因转移效率。 .3. 基于P / N结硅片的光伏效应，带电的表面可见光下进行调节蛋白质与底物的吸附和解吸行为介导基因转染。结果表明，正电荷表面具有良好的生物相容性，能加速表面吸附的基因因子的释放，提高细胞摄取能力，进而促进基因转染。.这些研究显示，在材料表面组装对光场响应的功能，如光生电荷等，可以促进带电的基因载体或药物等的按需释放，这为未来相关药物缓释涂层以及新型医疗器械的研究提供了新的思路。