三种纳米级含能材料毒性的研究

摘要

纳米级含能材料的发展给军工领域带来了巨大的改变，它不仅具有较高的熔点、较低的蒸汽压、优良的热安定性和爆轰稳定性，还对低压长脉冲刺激钝感而对高压短脉冲刺激敏感等优点。此外，其对环境及人类的影响也引起了人们的广泛关注。近年来对于纳米材料毒性的研究报道，多为对金属、金属氧化物、碳纳米材料及量子点等材料毒性研究，而对关于纳米含能材料毒性研究报道甚少，特别是纳米级含能材料对动物细胞和微生物毒性的研究及评价。　　本论文研究了三种纳米级含能材料即六硝基茋(HNS)、三氨基三硝基苯(TATB)和2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)的细胞和细菌毒性及其致毒机理。分别研究了：　　(1)以小鼠巨噬细胞RAW264.7细胞和小鼠成纤维细胞L929细胞为模型细胞进行染毒实验，采用CCK-8比色法检测细胞活性，显微镜观察细胞形态变化，同时对乳酸脱氢酶(LDH)活性、过氧化物歧化酶(SOD)活性、丙二醛(MDA)的含量、细胞凋亡水平进行测定以分析判断细胞死亡机制。　　(2)以大肠杆菌、枯草芽孢杆菌为模型细菌，采用光密度法检测细菌存活率，探究粒径大小、分散介质、细菌类型对其毒性大小的影响。通过观察细菌的细胞形态变化、细菌表面疏水性、细菌-纳米颗粒沉降特征等来分析判断细菌死亡机制。　　研究结果如下：　　(1)纳米级含能材料HNS、TATB、LLM-105均可以引起RAW264.7细胞活性显著下降，并呈现剂量相关性。其中HNS、TATB、LLM-105对RAW264.7细胞的半抑制浓度(IC50)分别为49.3、211.3、6.6μg·mL-1。随染毒剂量升高，细胞形态发生改变，同时上清液中LDH酶的活性也呈上升趋势，说明细胞完整性遭到破坏。其中HNS染毒细胞内氧化应激指标变化不明显；TATB可引起胞内SOD活力的下降，但MDA的含量并未显著增加；而LLM-105染毒细胞内SOD酶活力下降、MDA含量增加。同时三种材料均可诱导小鼠巨噬细胞凋亡水平增加。这说明，HNS诱导了细胞凋亡，细胞凋亡的中、晚期可以破坏细胞结构的完整性，降低细胞活性；TATB可引起胞内SOD活力的下降，引发氧化应激，但并未引起严重的氧化损伤，同时还诱导细胞凋亡，导致细胞活力下降；LLM-105通过引起细胞内氧化应激反应，造成组织的氧化损伤，诱导细胞凋亡，进而导致细胞活力下降.　　(2)纳米级含能材料HNS、TATB、LLM-105对L929细胞具有毒性作用，LLM-105对L929细胞的毒性作用最强，HNS次之，TATB毒性微弱。随染毒剂量升高细胞形态发生改变，同时上清液中LDH酶的活性也呈上升趋势，说明细胞完整性遭到破坏。此外，HNS、TATB染毒细胞内氧化应激指标无明显变化，对细胞凋亡的影响微弱；LLM-105染毒细胞内SOD活力下降、MDA含量增加，同时诱导了细胞凋亡。这说明破坏细胞膜的完整性是HNS、TATB引发细胞死亡的重要原因；而LLM-105可以通过产生氧化应激，引起细胞凋亡，进而导致细胞破裂、坏蛆，细胞活力下降。针对不同的纳米材料，其生物毒性效应和机理不尽相同，即使是同一类材料，受试对象不同，其致毒机理也存在差异。　　(3)纳米级含能材料HNS、TATB、LLM-105中仅LLM-105对细菌的毒性作用明显，因此主要研究LLM-105的微生物毒性效应。以LB培养基为分散介质，比较了纳米级和微米级LLM-105对大肠杆菌的毒性效应。发现两种粒径的颗粒均对大肠杆菌具有毒性作用，并呈现尺寸-效应关系，纳米级颗粒的毒性明显强于微米级颗粒的毒性；LLM-105在LB培养基中比在MD培养基中的表现出更强的细菌毒性；同时还发现LLM-105对大肠杆菌的毒性大于对枯草芽孢杆菌的毒性。最后，由细菌扫描电镜图、细胞表面疏水性及沉降特征可知，LLM-105能够与细菌表面接触引起细菌形态结构改变，导致细菌细胞破裂死亡。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 前言

1.2 纳米材料

1.2.1 纳米材料的性质

1.2.2 纳米材料的毒性效应

1.2.3 纳米材料毒性的影响因素

1.3 含能材料

1.3.1 含能材料的性质

1.3.2 含能材料的毒性

1.3.3 HNS、TATB、LLM-105的毒性研究进展

1.3.4 含能材料与环境

1.4 毒性机理

1.4.1 细胞损伤

1.4.2 氧化应激

1.4.3 炎症反应

1.4.4 细胞凋亡

1.5 研究目的、内容与技术路线

1.5.1 研究目的

1.5.2 研究内容

1.5.3 技术路线

第2章纳米级含能材料对RAW264.7 细胞毒性效应

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 材料和仪器

2.2.2 纳米颗粒悬液的配制

2.2.3 纳米颗粒的表征

2.2.4 细胞的复苏和培养

2.2.5 细胞形态的观察

2.2.6 细胞活性检测

2.2.7 细胞培养液上清LDH活性检测

2.2.8 细胞氧化应激水平的检测

2.2.9 细胞凋亡的检测

2.2.10 数据处理

2.3 结果和讨论

2.3.1 纳米颗粒的表征

2.3.2 细胞形态学变化

2.3.3 细胞活性影响分析

2.3.4 毒性机理

2.4 本章小结

第3章 纳米级含能材料对L929 细胞毒性效应

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 材料和仪器

3.2.2 纳米颗粒悬液的配制

3.2.3 纳米颗粒的表征

3.2.4 细胞的复苏和培养

3.2.5 细胞形态的观察

3.2.6 细胞活性检测

3.2.7 细胞培养液上清LDH活性检测

3.2.8 细胞氧化应激水平的检测

3.2.9 细胞凋亡的检测

3.2.10 数据处理

3.3 结果和讨论

3.3.1 纳米颗粒的表征

3.3.2 细胞形态学变化

3.3.3 细胞活性影响分析

3.3.4 毒性机理

3.4 本章小结

第4章 纳米级含能材料对细菌毒性效应

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验药品与材料

4.2.2 纳米颗粒悬液的配制

4.2.3 纳米颗粒的表征

4.2.4 抑菌试验

4.2.5 细菌形态学表征

4.2.6 表面疏水性的测定

4.2.7 沉降特征实验

4.3 结果与讨论

4.3.1 三种含能材料在LB培养基中毒性初探

4.3.2 粒径大小对LLM-105的毒性影响

4.3.3 分散介质对LLM-105的毒性影响

4.3.4 细菌类型对LLM-105的毒性影响

4.3.5 毒性机理

4.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的成果