无机纳米材料与生物膜界面之间相互作用的高分辨和频振动光谱研究

With the fast development of engineered nanomaterials in recent years, scientists have been devoting to the fabrications of new nanomaterials for the purpose of targeted drug delivery and clinical diagnosis. In the meanwhile, much attention has been paid to the negative impact of the functionalized nanoparticles on the environments and human health. The exploration of general laws that govern the nano-bio interactions will do great help to the predictions of the nanotoxicity and nano-biocompatibility. It will also help design the new environment-friendly nanomaterials. In this project, we plan to utilize the surface-selective high resolution vibrational sum frequency generation spectroscopy to systematically study the heterogeneous reactions between the biological membranes and inorganic nanoparticles (including noble metal nanomaterials, metal oxide nanoparticles and semiconductor quantum dots). The purpose is to fully understand the crucial steps of how nanoparticles penetrate the biological defense systems to enter the human bodies. In the experiments we will use the multi-component lipid molecules to mimic the heterogeneous charge and fluidity distributions on the biological membranes. The efforts will also be focused on the influence of the solution environments, including the coexisting ions, proteins and small organic molecules on the nano-biomembrane interactions. By this way, we anticipate to be able to simulate the laboratory conditions that resemble the real biological systems.

近年来，随着纳米材料领域的兴起，人们一方面致力于新型纳米靶向药物、纳米医学诊断材料的设计，另一方面也开始关注纳米功能材料对生物环境的负面影响。在分子层次上探索纳米粒子与生物组分之间相互作用的一般规律，将有助于快速准确地预测纳米材料的生物毒性与生物兼容性，为设计环境友好型纳米新材料提供指导性意见。本项目拟利用具有界面选择性的高分辨和频振动光谱技术，对以贵金属纳米粒子、金属氧化物纳米粒子、半导体量子点纳米粒子为代表的无机纳米材料与生物膜界面之间的非均相反应进行系统研究，从而在源头上充分理解无机纳米粒子透过有机生命体的防御体系、深入生物体内部的关键步骤。实验中我们将使用多重组分的磷脂分子分别模拟生物膜上带有特定电荷比例、特定流动性特征的局部微畴结构模型；并重点考察溶液中离子、蛋白与有机小分子对纳米粒子-生物膜相互作用的影响，以期在更为接近实际的实验室模型中研究无机纳米材料在生物界面的反应机理。

在分子层次上探索纳米粒子与生物组分之间相互作用的一般规律，将有助于快速准确地预测纳米材料的生物毒性与生物兼容性，为设计环境友好型纳米新材料提供指导性意见。本项目利用具有界面选择性以及亚单分子层灵敏度的高分辨和频振动光谱测量手段，结合原子力显微镜测量以及分子动力学理论模拟等其它技术，围绕着无机纳米粒子与生物界面膜之间相互作用的分子机制，取得了一批重要的研究成果，主要包括：（1）发展和频振动光谱的定量分析方法，以有机物-水二元混和体系，有机物-水-无机盐离子三元混合体系以及有机物-有机物混和体系为典型构成，构筑实验室模型体系，测量了不同摩尔分数比条件下两亲性有机分子在表界面的浓度比例、空间取向分布、吸附自由能以及界面层厚度，发现高浓度盐离子的存在虽然基本不改变界面分子的取向，但可使界面层厚度增加近一倍之多；（2）研究了三氧化二铁纳米颗粒与生物界面膜模型体系磷脂单分子层之间的相互作用，发现纳米颗粒不直接与端基磷酸根离子作用，但能插入膜的内部，改变膜内磷脂分子的取向有序度；（3）研究了纳米粒子与生物界面膜相互作用中的电荷效应，发现带正电荷的纳米颗粒加入溶液亚相中时，能有效吸附在带负电荷的磷脂单分子层界面附近的双电层中，将原有的界面正电荷进行屏蔽，从而使界面水分子排列更加无序；（4）发现水的同位素效应可严重影响水分子与磷脂分子之间的氢键相互作用，进而进一步影响生物界面两亲性磷脂分子的界面自组装结构；（5）构筑了一类新的D-A型有机共轭分子组成的纳米粒子，可有效利用其进行癌症的光动力治疗，并阐明了其穿膜机理以及光照条件下，可直接与水分子发生超快电子转移产生羟基自由基的Type II型光物理机制。这些研究成果对于推动和频振动光谱的进一步应用，理解无机纳米粒子、氘代水的生物毒性以及发展新的光敏纳米光动力治疗材料均有积极的促进作用。