生物体微细结构内纳米颗粒输运机制和热物理效应

The development of nano-biomedical science plays a significant role in promotion of human health. A good understanding of the interaction mechanism between nanoparticles and biology tissue is greatly meaningful both for scientific theory and practical application. Through the deep observation and investigation on heat and mass transfer phenomenon in micro biology structure, such as capillary and cell, the objective of this study is to understand the interaction mechanism of nanoparticles-nanoparticles and nanoparticles-biology tissue. Specifically, this study is attempting to determine the mass and heat transfer mechanism of nanoparticles in micro-structure and the coupled effect, and to establish the physical and mathematic models for the mass and heat transfer processes, including the delivery of particles in capillary and permeation of nanoparticles through the capillary wall and cell membrane. Furthermore, the study is trying to analyze the crucial influencing factors of these processes and set up the relationship of heat and mass transfer at the micro-scale with the phenomena at the macro-scale. This study project is aiming at achieving an efficient method to predict the transport and distribution of nanoparticles and temperature distribution in the micro-structure of living body. Moreover, an optimized control strategy will be provided based on the prosperity of nanoparticles and the pattern of external-motived fields. The result of this study will establish a essential foundation for the clinical application of nanoparticle-biomedical science and will also provide important theoretical basis for understanding the effect of nanoparticles on human health.

纳米生物医学的发展对促进人类健康具有巨大推动作用，微细尺度下纳米颗粒与生物体相互作用的研究具有重要的科学意义和实际应用价值。本项目通过深入观测和认识毛细血管及细胞区等微细结构内纳米颗粒的能质传递现象，探析纳米颗粒-纳米颗粒、纳米颗粒-生物体间相互作用机制，揭示纳米颗粒在微细结构中输运和能量传递机制及其耦合作用，建立微/纳尺度下纳米颗粒在毛细血管中流动、跨血管壁和跨细胞膜输运以及细胞层次能量传递的数理描述，并探究微尺度能质传递与宏观现象的关联规律及影响因素。旨在有效预测纳米颗粒输运和分布规律、微细结构内温度分布及演变规律，并针对纳米颗粒特性与外激励场施加方式提出优化调控方案。本研究将为成功实现纳米生物医学的临床应用奠定基础，为掌握纳米粒子对人类健康的影响等提供科学理论依据。

掌握纳米颗粒在生物体微细结构中的能质传递机制对纳米医学的成功应用具有重要研究意义。本项目结合理论与实验方法，研究了纳米颗粒在血管中输运、血管壁附着、跨血管壁、跨细胞膜以及其光热效应和能量传递机制。基于格子Boltzmann（LB）和格子气自动机方法的模拟研究及实验观测表明，纳米颗粒在壁面的附着随悬浮液浓度的增大、温度的升高呈近似线性增大趋势，而随颗粒直径与血管直径、血管压力梯度及血液黏度的增大呈指数衰减的规律变化，其中颗粒直径的影响最为显著，压力梯度变化的影响最小；温度对压力梯度较小、粒径较小情况下的颗粒附着量影响更大，而对不同浓度下颗粒附着的影响程度基本相同。此外，针对血管网络中普遍存在的血管分叉结构和由于血管病变导致的血管壁变形情况的研究表明，血管的分叉结构及变形均会提高颗粒的附着量。基于LB和浸入边界法的模拟研究发现，相对于棒状和三角状纳米颗粒，球状纳米颗粒最不容易附着，而棒状纳米颗粒的附着量最大。此外，由于颗粒与壁面的相互作用，不同材质颗粒的附着量也不同。纳米颗粒与细胞膜相互作用的分子动力学模拟以及实验观测结果表明，升高温度和湿度、减小颗粒粒径、增大颗粒浓度以及溶液中蛋白质的存在均会加强颗粒的团聚，从而增大颗粒的跨膜难度。对于强疏水颗粒，团聚引起的体积变化对颗粒跨膜的影响更为显著，而对于弱疏水和弱亲水颗粒，体积与表面积变化所带来的影响几乎相当；改变纳米颗粒亲/疏水特性和表面电荷以及溶液中的反离子浓度，可有效抑制团聚的发生，促进颗粒跨膜输运；而温度的升高能改变细胞膜的相态，使其密集程度降低，变得更为松散，利于颗粒跨膜。因此，可通过提高温度、加强颗粒亲水修饰和表面电荷的方法来提高药物输运效率。纳米颗粒的光热效应随着粒径的减小、浓度和光源功率的增大而提高，最优波长的选择需要综合考虑颗粒的光谱吸收特性和生物组织的透热深度。项目研究结果可为纳米生物医学的应用提供参考依据。