纳米材料表面化学在生物分析中的应用

摘要

纳米材料是目前最为热门的材料科学研究方向，在能源、化工、医药、电子器件和环境保护等领域已经取得诸多应用。除了材料本身的性质之外，纳米材料由于比表面积大，因而表面性质同样是纳米材料的重要性质。对于能源、化工等领域，人们也许更关注于裸露晶面、活性原子和化学势等因素。而在生物医学方面，则需要进行表面修饰。表面修饰不仅带来水溶性和生物相容性，更能够赋予纳米材料特殊的生物功能，对纳米材料的生物医学应用意义重大。
　　第一章，我们简要介绍了纳米材料表面化学对于纳米材料在生物应用中的重要作用，主要探讨了如何将无机纳米材料进行生物功能化以及生物功能化的重要意义。我们分析了纳米表面化学是如何实现纳米材料对生物分子、微环境等因素响应，并进行生物分析。并引出了纳米探针对酶的响应以及活体体内行为的分析。阐明毕业论文的选题依据和主要内容。
　　第二章，我们构建了量子点-酪氨酸纳米复合体，并将其应用于试管内和细胞内的酪氨酸酶活力分析。量子点表面偶联的酪氨酸可以被酪氨酸酶氧化生成多巴素。多巴素具有较低的还原电位，可以吸收量子点的激发态电子而造成量子点荧光淬灭。荧光淬灭与多巴素个数之间存在的线性关系，使得我们可以实时监测酶反应的动力学过程。通过对反应过程的米氏方程拟合，我们获得了酶在氧化QD-Tyr时的动力学常数，同时也发现了意想不到的现象并且揭示了隐藏的机理。酶在面对纳米底物时所表现出的活力提高现象，进一步提升了响应的灵敏度，这个体系中对酪氨酸酶检测限可以低至1nM。我们认为是纳米颗粒表面相对较高的底物浓度使得酶与底物的接触碰撞更容易，因而提升了酶的活力。荧光共聚焦显微镜和流式细胞实验展示出B16黑色素瘤细胞中的酪氨酸酶可以将量子点-酪氨酸纳米复合体氧化造成荧光淬灭。
　　第三章，我们基于超顺磁纳米颗粒对其附近的T1造影剂的纵向弛豫淬灭效应构建了四氧化三铁-钆纳米-底物复合体实现对基质金属蛋白酶2(MMP-2)的体外和细胞水平分析。MMP-2将连接四氧化三铁与钆配合物的肽链水解，钆配合物因而从纳米颗粒表面脱离，释放到溶液中。四氧化三铁的磁场屏蔽作用随距离增大而快速下降，Gd配合物自身的纵向弛豫效果恢复。得益于信号放大，检测限和灵敏度都得到有效提升。释放的Gd配合物浓度与其恢复的纵向弛豫贡献呈良好的现行关系，这使得我们可以对酶与纳米-底物复合体的水解反应过程进行实时监测。我们使用积分形式的米氏方程对反应曲线进行拟合，并挑战性地定量了反应的动力学参数，这对于我们更好地解释异常的反应现象和揭示未知反应机理具有重要意义。
　　第四章，我们利用磁共振成像，实时监测了三种典型修饰(PEG、ZW和PEI)的钯纳米片的体内行为。不同的修饰分子带给钯纳米片独特的表面性质，并对钯片的体内行为造成巨大影响。PEG修饰的钯纳米片具有相当长的血液循环时间，并可以通过EPR效应被动靶向到肿瘤组织。借助钯片的光热效果，PEG修饰的钯片可以对肿瘤进行光热治疗，并成为一种诊疗试剂。两性离子和聚醚酰亚胺修饰的钯纳米片都从血液中被快速清除，不同的是两性离子钯片通过肾清除，聚醚酰亚胺修饰的钯片则被单核巨噬细胞摄取富集在肝脏中。这些不同的表面修饰所带来的差异化体内行为可以帮助我们更深入地理解并操纵纳米药物与活体系统地相互作用。而且，我们所使用的通过偶联钆配合物并进行T1加权成像的策略可以作为一种通用的、实时监测纳米颗粒体内行为的分析方法，对纳米药物的生物应用和临床转化提供支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．功能化无机纳米材料

1．2．无机纳米材料表面化学

1．2．1．表面物理化学性质改变

1．2．2．靶向修饰

1．2．3．药物运输和可控释放

1．2．4．生物传感和检测

1．3．纳米材料表面化学在细胞分析中的应用

1．3．1．纳米探针对细胞微环境的响应

1．3．2．纳米探针对酶活力的检测

1．4．纳米材料表面化学在癌症诊疗中的应用

1．4．1．纳米药物体内靶向肿瘤途径简介

1．4．2．纳米材料表面化学对肿瘤成像、治疗中的应用

1．5．本论文的选题依据及研究内容

参考文献

第二章 基于量子点电子转移的荧光淬灭作用动态分析酪氨酸酶活力

2．1．引言

2．2．实验部分

2．2．1．实验仪器

2．2．2．实验试剂

2．2．3．实验步骤

2．2．4．样品表征

2．3．结果与讨论

2．3．1．实验设计与QD-Tyr纳米复合物组装

2．3．2．对于游离LA-Tyr分子的酶反应

2．3．3．多巴素标定方程

2．3．4．动力学分析

2．3．5．细胞内分析

2．4．本章小结

参考文献

第三章 基于T1弛豫恢复效应对基质金属蛋白酶2的动力学分析

3．1．引言

3．2．实验部分

3．2．1．实验仪器

3．2．2 实验试剂

3．2．3．实验步骤

3．2．4．样品的表征

3．3．结果与讨论

3．3．1．实验设计与合成Fe3O4-pep-Gd纳米-底物复合体

3．3．2．静态弛豫率测定

3．3．3．对MMP-2的动力学分析

3．3．4．细胞水平分析

3．4．本章小结

参考文献

第四章 磁共振造影成像分析监测诊疗纳米颗粒的体内行为

4．1．引言

4．2．实验部分

4．2．1．实验仪器

4．2．2．实验试剂

4．2．3．实验步骤

4．2．4．样品表征

4．3．结果与讨论

4．3．1．超薄钯纳米片的表面修饰与表征

4．3．2．不同表面修饰的钯片在血清中的稳定性

4．3．3．弛豫率测定

4．3．4．细胞毒性

4．3．5．不同表面修饰的Pd片的体内行为研究

4．3．6．Pd@PEI-Gd的光热疗效果

4．4．本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

5．1．结论

5．2．展望

博士期间发表论文情况

致谢