具有纳米、微纳米多级结构材料的仿生动态自组装合成及其毒理学效应研究

基于生物矿化的启发，设计合成与生物大分子结构相似的生物大分子模板，利用生物大分子模板的动态自组装行为控制合成具有纳米、微纳米等多级结构的二氧化硅、碳酸钙、羟基磷灰石仿生材料，通过探讨生物大分子模板与无机组分之间的相互作用，进一步理解生物体内生物大分子控制具有多级结构的生物矿物生长的机理；然后，从毒理学角度考察仿生合成的多级结构材料的毒理学效应，研究它们在个体水平、组织器官水平、细胞水平、分子水平上对生物体的影响，确定多级结构仿生材料对生物体作用的模式与靶器官，探索其与生物体之间的作用机理；最后，结合仿生合成和毒理学效应的研究结果，确定具有多级结构的仿生材料的"结构-毒性"关系，为制备具有生物安全性的仿生材料提供方法学基础，为制造在工业和生物医学方面具有潜在应用价值的多级结构仿生材料和纳米器件提供指导。

以生物大分子为模板控制合成了具有纳米、微纳米等多级结构的羟基磷灰石、二氧化硅、碳酸钙仿生材料；从毒理学角度考察了仿生合成材料的毒理学效应，研究它们在细胞水平、分子水平上对生物体的影响。羟基磷灰石材料对人肝细胞和小鼠骨髓细胞的MTT检测和LDH泄漏检测结果显示，羟基磷灰石对人肝细胞和小鼠骨髓细胞的生长有较小的抑制作用（细胞抑制率小于20%），并且能导致细胞内LDH的泄漏；ROS和SOD检测显示羟基磷灰石能够引起细胞内的氧化应激，产生少量的ROS；羟基磷灰石材料能够引起少量的人肝细胞凋亡。二氧化硅颗粒对人肝细胞和小鼠骨髓细胞活性的影响均较小，但存在抑制作用，细胞抑制率不超过20%。MTT检测和ROS检测结果显示，碳酸钙对人肝细胞、小鼠骨髓细胞活性的影响均非常小。作为和仿生材料的对比，考察了两种非仿生材料——纳米氧化锌和二氧化钛对小鼠巨噬细胞的毒性，实验结果显示纳米ZnO颗粒对两种小鼠巨噬细胞的毒性相当。三种不同尺寸的棒状颗粒之间没有表现出尺寸效应，10-30 nm球状ZnO颗粒的毒性略高于其他三种颗粒，其毒性差异可能与其形状和结构有关；纳米ZnO颗粒破坏细胞膜完整性，引起细胞内氧化应激，破坏钙平衡，损伤线粒体功能，最终导致细胞凋亡或坏死，其中低剂量时，锌的抗氧化作用降低细胞的氧化应激，主要导致细胞凋亡。与纳米ZnO相比，纳米TiO2对小鼠巨噬细胞的毒性很小，特别是对小鼠肺泡巨噬，几乎无毒。颗粒尺寸和晶型均影响其毒性作用。本项目的研究成果为制备具有生物安全性的仿生材料提供方法学基础，为制造在工业和生物医学方面具有潜在应用价值的多级结构仿生材料和纳米器件提供指导。