羟基磷灰石/DNA亚纳米尺度复合材料共组装规律及性质研究

Self assembly is an efficient way to construct new materials and new functionalities. Among the numerous building blocks, ultrathin units have shown unique self assembly behavior and new physical and chemical properties different from traditional materials, which provide new opportunities and challenges. How to combine the excellent assembly properties of ultrathin nanostructures with that of biomolecules like DNA remains as a new research topic and a great challenge, based on which new organic-inorganic composites and functional devices may be designed. This project aims at investigating the co-assembly of ultrathin HAp and DNA. HAp is the main component of bones and teeth and thus has outstanding biocompatibility. When the size of HAp is confined within sub-1nm region, their diameters are close to that of DNA so that interactions like hydrogen bonds and van del Walls interactions will play more important role in their co-assembly process. With sub-1 nm HAp and DNA as building blocks, novel assemblies with hierarchical structures would be constructed. Exploration on their bioactivities and possible applications in biochemical fields like drug delivery and artificial bones will be carried out.

自组装是创造新物质和构筑新的功能体的重要手段之一。在自组装的基元中，超微细的组装基元体现出了优异的自组装能力和不同于传统纳米材料的新的物理化学性质，为人们提出了新的机遇和挑战。如何将超细亚纳米基元材料的自组装特性，与DNA的自组装优势有机地结合起来，并构筑出具有独特功能的有机无机复合材料或纳米器件，必将是一件极富挑战性的有意义的工作。本项目拟开展亚纳米尺度羟基磷灰石与DNA的共组装研究工作，羟基磷灰石自身具有优异的生物兼容性与生物活性，将其尺寸限制在亚纳米尺度时，其直径将接近DNA等生物大分子的直径，氢键、范德华力等弱键相互作用将对其与DNA的共组装过程起到主导作用，从而有利于实现多重相互作用力诱导下的多级次组装体的构筑。在获得复合组装体的基础上，本项目也将开展其生物活性、生物医学应用等方面的研究工作，探索其在载药、人工骨构筑方面的可能应用。

本项目开展了亚纳米尺度羟基磷灰石的可控制备及其与DNA的共组装方面的研究工作。具体对目标材料的设计与组装，及其相关理化性质和生物学性能上做了深入的研究，具体如下：.1）采用生物矿化法实现了亚纳米羟基磷灰石的可控合成，获得了不同长径比的亚纳米线、纳米针。采用热液法首次获得了疏水性氟磷灰石纳米超薄方片，并以PEG20000作为表面活性剂，克服了合成的超薄超细磷灰石纳米材料为疏水性界面的局限性，一步合成了亲水性羟基磷灰石超薄纳米片。发展了一种新型掺杂方法对羟基磷灰石纳米晶进行多种金属离子的单独或共掺杂，克服在含水体系中金属离子水解的问题，使掺杂金属离子与Ca2+离子半径的差异较大的情况下也能够实现有效的高浓度掺杂和可控掺杂。2）发展了三种方法对疏水性纳米材料界面进行可控化修饰，制备了三种具有良好水分散性的功能性羟基磷灰石纳米材料HAp-β-CD-HPG、HAp-poly(MPC)和HAp-polyPEGMA，为目标材料的定向功能化表面特性提供了有效方法。3）在油酸-乙醇-水体系中，以鱼DNA（-2000bp）为模板，实现了羟基磷灰石纳米片的花样可控组装。4）采用模型药盐酸阿霉素，以HAp/DNA为基材，借助DNA特殊的分子特性，用聚多巴胺对其进行表面修饰，接枝构建了HAP-DOX/DNA-PDA-FA功能纳米材料。通过对不同浓度目标材料的温度变化曲线、光热循环温度变化曲线、细胞的毒性、溶血曲线、抑癌效率等性能研究，表明材料对肿瘤细胞的药物-光热联合治疗具有突出效果。这对HAp/DNA功能材料的综合开发与利用具有非常好的理论价值和应用潜力。