碳纳米材料的细胞生物效应研究
细胞毒性评估是纳米材料生物安全性和毒性研究的重要基础。本论文检测了多壁碳纳米管(MWNTs)和纳米碳黑对单细胞原生动物和宫颈癌细胞Hela的毒性，重点研究碳纳米材料特殊的物理化学性质对细胞毒性的影响。主要研究结果如下：
1.)水环境中MWNTs和原生动物的相互作用研究中，发现MWNTs能被贻贝棘尾虫大量摄取，结果抑制细胞生长。光镜和电镜显示了MWNTs在虫体内的分布及代谢过程，指出MWNTs在虫体内唯一定位于线粒体是导致细胞的大核，小核，细胞膜和线粒体损伤和细胞生长抑制的根本原因。
2)在MWNTs与单细胞原生动物梨形四膜虫的相互作用研究中，意外发现MWNTs对细胞的生长刺激作用。原子力显微成像和热重分析指出在培养液介质中的通过非共价作用自发形成蛋白胨-MWNTs复合物。蛋白胨荧光标记成像证明细胞大量摄取MWNTs-蛋白胨复合物是导致细胞迅速生长的主要原因。进一步实验证明依赖于四膜虫培养液介质的不同，MWNTs可以对细胞显示毒性或没有毒性。实验首次指出培养环境中的成分与纳米材料相互作用对细胞毒性的重要影响。
3)研究了碳纳米材料(CBN)与培养液介质中重要组分相互作用及其对哺乳动物细胞Hela毒性的影响。CBN和培养液介质中血清蛋白，钙和酚红的吸附平衡系数的测定结果表明CBN对它们均有较强的吸附，且存在粒度依赖性。在有血清的培养介质中，血清蛋白通过非共价结合作用形成CBN-蛋白复合物，并且进一步促进了钙在CBN上的吸附。细胞摄取CBN—蛋白—钙复合物使过量钙输运到细胞内可能是导致细胞毒性的主要原因。在无血清的培养介质中，实验证明酚红被大量富集到CBN上并输送到细胞内导致了明显的细胞毒性，而MWNTs的细胞毒性不能完全归结于其和培养介质中酚红的非共价相互作用。该工作首次发现培养液中通常不用考虑生物活性的血清蛋白，钙和酚红在CBN存在的情况下会对细胞显示异常的生物效应。
4)发现782nm，11.5mW的激光能激发摄取了MWNTs的梨形四膜虫发生快和慢两种不同的爆炸过程。快过程被解释为光热转换传导使碳和MWNTs间的水分子发生化学反应的结果。一系列较为温和缓慢的爆炸过程可能是由于MWNTs储存的空气受热后膨胀而坍塌。该结果为纳米管作为激光诱导下气体小分子药物的靶向输运系统载体的应用研究提供了基础。
本论文的研究证明CBN由于具有巨大的比表面和高的吸附活性，因此与培养介质成分的相互作用对细胞生物效应产生重要影响，这为CBN细胞毒性及其机制研究开创了一条新的思路。研究结果和检测研究方法对现有的纳米材料细胞毒性的定义，检测方法和评估标准提出了新的挑战。
- 作者：
- 诸颖
- 学位授予单位：
- 中国科学院上海应用物理研究所
- 专业名称：
- 无机化学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2008年
- 导师姓名：
- 李文新
- 中图分类号：
- TB383；Q27
- 关键词：
- 多壁碳纳米管；碳纳米材料；非共价作用；细胞生物效应；细胞毒性评估；物理化学性质
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