核分析技术研究氧化铁纳米颗粒/生物界面化学反应机制及生物效应

The knowledge of the interface of nanomaterials and biology is important from the perspective of biomedical applications and safe use of nanomaterials. The chemical reactions at Nano/Bio interface is one of the key factors on the understanding of biological and toxic effects of nanomaterials. In this work, the analytical methods based on synchrotron radiation techniques, combined with chemical and biological analytical techniques for the study of reactions at Nano/Bio interface will be developed. Several kinds of iron oxide nanoparticles which own different surface properties will be used. By using the developed methods, the changes of physicochemical properties and nanosurface characteristics of iron oxide nanoparticles under biological microenvironment will be investigated. The basic rules of chemical interactions between nanoparticles and biological molecular will be analysized. Consequently, the production of free radicals by iron oxide nanoparticles and the corresponding oxidative damage on cells will be studied. From the results, the chemical and biological mechanisms of biological or toxic effects of nanomaterials, and mediation methods will be explored. The study will helpful to the smart and safe design of nanomaterials in biomedical applications. Most importantly, the study will make us deeply understand and predict the toxic of nanomaterials in biological systems.

"纳米-生物"界面反应是探索纳米材料生物医学应用及研究纳米安全性过程中的基本科学问题。目前针对纳米颗粒在生物体内产生的生物和毒理效应的化学反应基础和与之相应的生物应答还缺乏研究。阐明"纳米-生物"界面反应是揭示纳米材料生物效应机制的关键。本课题将建立和应用基于同步辐射分析技术的"纳米-生物"界面分析技术，结合化学和生物分析技术，通过研究具有不同表面性质的氧化铁纳米颗粒在在生物体系下物理化学特性和表面化学性质的变化规律、"纳米-生物"界面化学反应规律、与生物介质的相互作用规律，及作用过程中对纳米颗粒催化自由基反应活性及引发的生物效应的影响，揭示氧化铁纳米颗粒产生生物效应的化学和生物机制及可能的调控机制，为氧化铁纳米颗粒的生物医学应用和安全性评价提供依据。

纳米材料由于其小尺寸效应、量子效应、巨大的比表面积等纳米特性及表面含有极丰富的含氧、含氮、羟基、羧基等化学官能团，使得纳米材料进入生命体后，易与生物体发生化学相互作用，在“纳米-生物”界面发生氧化还原、水解、催化、及界面吸附、电子转移等众多化学反应。发生在上述“纳米-生物”界面的化学反应是构建功能化纳米生物医学应用材料的理论和实践基础。.本课题利用基于同步辐射分析技术的“纳米-生物”界面分析技术，结合化学和生物分析技术，研究了氧化铁纳米材料诱发细胞内活性氧生成的化学机制；氧化铁纳米颗粒摄入对果蝇胚胎发育的影响；氧化铁纳米颗粒摄入对果蝇胚胎发育的影响；水溶液中Fe(III)与碳纳米管及环境有机质的界面反应；纳米材料与肠道生物界面的作用及纳米材料与肠道微生物界面的作用。研究揭示了alfa-Fe2O3和gamma- Fe2O3两种不同晶型结构的纳米颗粒（NPs）在不同的生物微环境下调控产生羟基自由基的化学机制，提示生物微环境能够影响纳米颗粒表面铁离子的释放并改变其表面的电子结构，进而通过不同反应途径产生羟基自由基；高剂量的磁性氧化铁纳米材料的暴露可以对果蝇卵子发生过程和胚胎发育过程产生影响，果蝇胚胎内微量元素内稳态发生改变是导致果蝇摄食氧化铁纳米颗粒后胚胎发育异常的重要原因之一；水溶液环境中Fe(III)与CNTs及天然有机质（腐殖酸，HA）可以在CNTs界面发生相互作用，形成HA/Fe-CNT三明治结构的三元复合物，HA/Fe-CNT具有较高的催化O2 和H2O2还原的活性，在水环境溶液中对酚红和双酚A类持久性有机污染物有明显的催化降解能力；CNTs与肠道微生物界面发生相互作用，通过裂解和破坏细菌细胞壁的完整性而具有广谱抗菌性。上述研究揭示的纳米颗粒产生生物效应的化学和生物机制及调控机制，为纳米材料的生物医学应用和安全性评价提供了实验依据。