基于"血细胞/纳米粒子" 生物器件的构建及其应用基础研究

将电化学与纳米、自组装、细胞生物技术、临床医学及信息科学交叉，在研究血红蛋白、红细胞的直接电化学及磁性纳米材料基础上，进一步将血细胞（红细胞、白细胞）固定在表面功能化的磁性纳米粒子表面，构筑细胞生物电化学传感器，实现细胞的分离纯化、固定及信号的一体化提取，研究白血病患者体内病变血细胞结构、形态、电化学特性差异，实时检测异常血细胞的电化学信号，寻找这些物理量的变化规律，构建基于血细胞纳米仿生功能界面的细胞分析传感器，对于建立临床白血病早期诊断新方法具有重大意义。另一方面，基于{红细胞/磁性复合纳米粒子}界面，研究红细胞在纳米界面的电化学行为、细胞内血红蛋白跨膜电子转移机制、热力学和动力学性质及其它特殊生物功能性质规律，通过微囊包被血红蛋白多层膜，集成具有开关、导线及存储等一体化功能的生物器件，将为制造新型人造红细胞以及在理论、实践层面上深入研究基于生物大分子的生物功能器件开辟新的思路。

将纳米材料与细胞生物学技术、自组装技术、电化学及信息科学有机结合，把血细胞（红细胞、白细胞）固定在纳米粒子表面，构筑了基于血细胞的生物功能界面，并应用电化学、光谱学及电子显微镜等手段对构筑的功能界面进行表征，实现了细胞的分离纯化、固定及信号的一体化提取。一方面，将各种纳米材料组装在白血病细胞表面，构建了基于白血病细胞的电化学传感器，实现细胞内部电子的跨膜传递。通过循环伏安法、脉冲伏安法、时间电流曲线法等研究方法，探测了K562细胞的氧化还原活性，并研究了其对外部刺激所释放H2O2的响应。比较了正常细胞（中性粒细胞）及肿瘤细胞（K562细胞、SH-SY5Y 细胞、PC12细胞及HepG2细胞）在抗环血酸刺激下释放的H2O2量，发现肿瘤细胞比正常细胞释放出更多的H2O2，而H2O2在不同的肿瘤细胞中的含量具有细胞异质性。通过正常细胞与肿瘤细胞释放H2O2量的比较，为白血病的早期诊断提供了理论依据。另一方面，采用电化学阻抗技术实时、定量、连续地监测白血病细胞的生长和运动状态，研究白血病细胞在不同的生长期，其界面阻抗的变化，发现阻抗值与细胞浓度呈现一定的线性关系。通过脉冲伏安法，研究了三氧化二砷与环磷酰胺两种抗肿瘤药物对细胞活性的影响，发现随着药物浓度的增加，白血病细胞逐渐凋亡，阻抗明显降低，与CCK8检测方法结果一致，进而提出了用于抗癌药物评估和筛选的方法。此外，运用循环伏安法研究了红细胞的跨膜电子转移，获取了红细胞中血红蛋白的电子转移数目、电子转移速率常数及热力学数据，深入认识了红细胞和血红蛋白在生命体内的电子传递反应机制，建立了电子转移模型，并研究了在pH、温度和盐离子三重刺激下，血红蛋白功能界面的分子开关行为，讨论了开关增强效应及机理。最后，通过模版法、直接构筑法等方法，将血红蛋白与生物兼容性好的纳米材料（壳聚糖、淀粉），用微囊进行包裹，构筑了人工红细胞，运用循环伏安法探讨了其电子转移数目、电子转移速率常数及热力学数据。运用差分脉冲伏安法、时间电流曲线法等电化学方法及紫外光谱法研究了其携氧能力，发现构建的人工红细胞比天然的红细胞携氧能力更强，可以携带更多的氧气，并在一定时间内可以进行释放，可望用于心肺衰竭、失血性休克等疾病的应急输血治疗。