氧化石墨烯材料对红细胞形态、功能影响研究

摘要

石墨烯自2004年被发现后便成为了新兴的热门材料。其衍生物氧化石墨烯继承了它单一片层、二维尺度与细胞大小接近、比表面积大、吸附能力强以及成本较低的特点。在此基础上，由于氧化石墨烯表面带有含氧官能团，在溶液中有更好的分散性，更易于生物领域的应用。目前，氧化石墨烯在药物传递、肿瘤成像、光热疗法及生物传感器方面都取得了卓越的成果。纳米材料想要在生物体中应用，好的生物相容性是必要的条件。本文以红细胞为主要研究对象，从氧化石墨烯对红细胞的溶血率、脆性、形态、膜表面蛋白功能的角度，以实验及分析动力学模拟由宏观到微观，从建立假说到模拟证明假说探究了氧化石墨烯对红细胞造成的影响。本文中，实验一共分为以下4各部分:
　　1.氧化石墨烯的红细胞相容性研究。通过红细胞溶血试验及红细胞脆性实验，我们发现片径不同的两种氧化石墨烯在100μg/mL浓度以下，均未使红细胞显著溶血（溶血率在5％以下）。浓度20μg/mL以上的氧化石墨烯在与红细胞孵育后团聚明显，红细胞的溶血率降低。另一方面，通过红细胞脆性实验我们发现，氧化石墨烯使红细胞脆性增加，承受渗透压变化的能力减弱。
　　2.氧化石墨烯对红细胞形态影口向研究。红细胞形态是维持红细胞功能的重要属性。我们发现氧化石墨烯不会造成红细胞形态的改变，但也不能保护红细胞免受形态诱变剂的作用。
　　3.氧化石墨烯对红细胞乙酰胆碱酯酶功能影响研究。红细胞乙酰胆碱酯酶是红细胞膜上的重要功能性蛋白。实验发现，游离态的氧化石墨烯会使底物更稳定，但在与红细胞结合后，氧化石墨烯贴附在细胞表面使红细胞乙酰胆碱酯酶活性增加，底物分解增加。用BSA分散石墨烯对红细胞乙酰胆碱酯酶活性没有显著提高的作用。推测氧化石墨烯可能通过影响底物硫代乙酰胆碱的局域浓度或分解后产生的羧酸的离去速度，造成了底物分解速率变快。
　　4.分子动力学模拟研究氧化石墨烯对乙酰胆碱酯酶影响机理。我们通过分子动力学模拟发现，氧化石墨烯贴附在乙酰胆碱酯酶表面，但不与蛋白的活性位点结合。通过氢键及蛋白质稳定性的分析发现:氧化石墨烯不会和乙酰胆碱酯酶活性位点的氨基酸形成氢键，并且对蛋白的稳定性没有显著地影响;含氧量20％的氧化石墨烯会使乙酰胆碱酯酶的溶剂可及表面积增加。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 氧化石墨烯性质及特点

1．2 石墨烯类材料的生物应用

1．3 石墨烯类材料的生物相容性

1．3．1 石墨烯类材料体外相容性

1．3．2 石墨烯材料体内相容性

1．4 氧化石墨烯的红细胞相容性

1．5 红细胞乙酰胆碱酯酶与氧化石墨烯

1．6 全原子分子动力学模拟

1．6．1 CHARMM力场及CHARMM-GUI

1．6．2 氧化石墨烯的分子动力学模拟

1．7 本文的重要研究内容

1．8 课题研究目的及意义

第二章 氧化石墨烯的红细胞相容性研究

2．1 引言

2．2 实验材料

2．3 实验仪器

2．4 实验步骤

2．4．1 实验所需溶液的配置

2．4．2 氧化石墨烯表征

2．4．3 红细胞的获取

2．4．4 不同片径氧化石墨烯对红细胞溶血率的影响

2．4．5 红细胞脆性实验

2．5 结果与讨论

2．5．1 氧化石墨烯AFM表征

2．5．2 氧化石墨烯孵对红细胞溶血率的影响

2．5．3 氧化石墨烯对红细胞脆性的影响

2．6 本章小结

第三章 氧化石墨烯对红细胞形态影响研究

3．1 引言

3．2 实验材料

3．3 实验仪器

3．4 实验步骤

3．4．1 环境扫描电镜观察氧化石墨烯对红细胞形态的影响

3．4．2 氧化石墨烯对红细胞形态保护研究

3．5 实验结论与讨论

3．5．1 环境扫描电镜观察氧化石墨烯对红细胞形态的影响

3．5．2 氧化石墨烯对红细胞形态保护研究

3．6 本章小结

第四章 氧化石墨烯红细胞乙酰胆碱酯酶活性影响研究

4．1 引言

4．2 实验材料

4．3 实验仪器

4．4 实验步骤

4．4．1．乙酰胆碱酯酶活性测定条件优化

4．4．2 不同片径氧化石墨烯对乙酰胆碱酯酶功能影响

4．5 实验结果与讨论

4．5．1 乙酰胆碱酯酶反应时间条件优化

4．5．2 氧化石墨烯对底物的影响

4．5．3 氧化石墨烯与红细胞孵育时间优化

4．5．4 不同片径氧化石墨烯对乙酰胆碱酯酶功能影响

4．5．5 红细胞乙酰胆碱酯酶活性增加机理分析

4．6 本章小结

第五章 分子动力学模拟研究氧化石墨烯对乙酰胆碱酯酶的影响机理

5．2 实验材料

5．3 实验步骤

5．3．1 实验模型建立

5．3．2 gromacs模拟中的盒子构建

5．3．3 能量最小化及平衡

5．3．4 模拟产品的输出

5．4 实验结果与讨论

5．4．1 分子动力学模拟轨迹文件分析

5．4．2 氧化石墨烯与乙酰胆碱酯酶的氢键分析

5．4．3 氧化石墨烯对乙酰胆碱酯酶结构影响分析

5．4．4 氧化石墨烯与乙酰胆碱酯酶作用分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 课题结论与总结

6．2 未来与展望

参考文献

致谢

作者和导师简介