sp2-碳纳米材料化学毒理的分子模拟研究

The toxicity of sp2-carbon nanomaterials (CNM) is of increasing importance, the study of which is active all over the world. However, since CNM structures are complex and their reaction processes in biological systems are usually fast, the corresponding reaction mechanisms are hard to characterize using currently available experimental techniques. Consequently, the study of CNM toxicology is mainly performed in cells or at a more macroscopic level, and only few are at molecular level, preventing one from understanding the chemical nature of CNM toxicity. Molecular modeling based on first principle theory is a well-developed method, which can be used to study reaction mechanisms for small or medium-sized molecules. Using this method, our research group have been studying the chemistry of CNM for a long time. Here, we will use this method to study the mechanistic problems commonly encountered in CNM-toxicity experiments. We will investigate the mechanisms for the reactions of CNM with reactive oxygen species and other reductive biomolecules. Our purpose is to disclose the chemical nature for CNM toxicity and its dependence on CNM structures, electronic structures and chemical modifications. This will be a study of CNM toxicity at a more microscopic level. The results will help understand the chemical nature of CNM toxicity, and give directions to design CNM derivatives with low toxicity.

sp2-碳纳米材料(CNM)生物毒性问题日益受到重视，相关研究不论国内还是国际都非常活跃。然而，由于CNM自身结构复杂，发生在生物体内的化学反应过程往往又很快，其反应机理仅靠现有实验技术几乎无法表征。因而，CNM毒理研究目前主要集中在细胞或更宏观的水平，分子水平的研究数据严重缺乏，阻碍了人们认识CNM毒性的化学本质。基于第一性原理的分子模拟方法是研究中小分子化学反应机理的成熟方法，申请人长期应用该方法研究CNM的化学性质与功能化。在此，我们将围绕CNM毒性实验中普通遇到的分子机制问题，用该方法开展研究。我们将研究CNM与活性氧成分以及生物体内还原性活性分子间的化学反应机制，探索CNM生物毒性的化学反应原理以及毒性大小与CNM自身原子结构、电子结构和化学修饰间的关联。该研究将在更加微观的层次研究CNM毒理，研究结果将有助于理解CNM毒性的化学本质，可为设计低毒CNM衍生物提供理论指导。

富勒烯，内嵌金属富勒烯及其衍生物和石墨烯氧化物（GO）是CNM家族中的重要成员。本项目旨在研究在CNM的毒性实验中遇到的分子机制问题，探索CNM生物毒性的化学反应原理以及毒性大小与CNM自身原子结构、电子结构和化学修饰间的关联。针对以上计划，项目执行了以下研究：（1）从Gd@C82(OH)x的实验制备出发，用理论结合实验的方法研究Gd@C82(OH)x表面含氧基团种类和分布，为Gd@C82(OH)x建立了准确的微观结构模型。这为在分子水平理解富勒醇的纳米生物效应提供了理论依据；（2）上述富勒醇微观结构模型的获得也为深入研究纳米碳材料与生物大分子相互作用奠定了基础。利用分子动力学模拟研究了富勒烯及其羟基衍生物与肿瘤坏死因子TNF−α的相互作用，结果表明C60, C60(OH)12, Gd@C60, C82, C82(OH)12, Gd@C82, Gd@C82(OH)13和Gd@C82(OH)21比之前报道的小分子抑制剂具有更好的结合能力，是潜在的更好的TNF-α抑制剂；（3）用密度泛函方法对石墨烯羧基化纳米碳材料模拟酶催化H2O2氧化TMB的反应进行了研究。获得了纳米碳氧化物模拟过氧化物酶分子机理及与纳米碳基团间构效关系。以上研究结果将有助于理解CNM毒性的化学本质，可为设计低毒CNM 衍生物提供理论指导。