生物传感原位研究植入材料表面纳米构相的生物效应机理

充分了解微观形貌所产生的生物效应及其对生物体的作用机制是纳米生物材料可控制备和实际应用的理论基础。本项目针对这一关键问题，以不同形貌的二氧化钛（包括纳米粉体、纳米线和纳米管）为对象，通过构建相应的压电生物传感器和电化学传感器实时、原位考察纳米构相界面体系与生物大分子、细胞之间相互作用的化学、物理和生物本质，建立相应的传感响应模型，从质量和光电多维信息解读纳米材料的固液界面反应过程机制与控制原理，揭示纳米材料形貌产生生物效应的规律。.预计通过本项目的研究工作，探索出一套实时、原位评价生物大分子或细胞在植入材料纳米结构表面生物行为的高效、普适性方法，明确植入材料表面纳米构相对其生物学性能的作用机理，为定向设计和制备新型、具有临床应用价值的生物活性纳米医用植入材料提供理论和实验依据。

合理设计和构建传感界面和表面是生物传感领域中最关键的技术之一，该界面不仅应具有良好的生物相容性和适宜的拓扑结构，还必须具备很好的信息传输能力。本项目就纳米结构材料与生物分子的相互作用机理和相关的界面效应及其在生物传感器中的应用开展了研究工作，获得一系列成果。首先，我们采用简单的水热方法，可控制备了多种结构的纳米材料，包括利用两相水热法一步合成硅掺杂的二氧化钛、单相水热法制备的银@碳核-壳结构和碳量子点，并对影响产品微结构和性能的各种合成条件进行了筛选。首次发现双相水热法可发展成为一种实现纳米材料掺杂和异质复合的高效的、普遍适应的方法，值得更深入地研究。其次，详细表征了所制备产物的结构并测试了它们的性能，阐明了样品的微结构与其性能之间的内在联系：改性后的纳米二氧化钛和纳米银均展现出良好的光、电催化活性和生物相容性。特别是碳包覆银纳米核壳结构因其表面丰富的功能基团，能够直接负载生物大分子并保持生物大分子的活性，而不需要预先的表面修饰，并能增加修饰电极的稳定性，可望成为进一步生物功能化的理想平台。最后，利用上述纳米结构材料对电极进行合理的修饰，构建了多种电化学生物传感器，仔细考查了一些生物体系在这些电极表面的电化学行为，并在纳/微结构层面上探讨界面微结构和界面特性影响电极电化学性能的规律及内在原因；探查了修饰电极在一些生物分子的检测过程中的特性以及影响分析测试过程的各种因素；在优化的分析实验条件下，传感器展示出较高的灵敏度、较宽的线性范围、低的检测限、良好的选择性和稳定性等；并在实际样品的分析检测中获得了较理想的结果。