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纳米颗粒与磷脂分子的相互作用及对磷脂层结构的影响机制
结题报告
批准号:
21377070
项目类别:
面上项目
资助金额:
80.0 万元
负责人:
姜威
依托单位:
学科分类:
B0603.大气污染与控制化学
结题年份:
2017
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
张秋、虞俊超、魏潇然、王利鑫、林泳峰
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中文摘要
纳米颗粒在磷脂层的界面过程直接关系到其在生物体内的传输和应用安全性,但纳米颗粒的作用机制及引起磷脂层变化的规律尚待研究。本研究选取氧化物(Al2O3、SiO2和TiO2)和碳基 (C60、单壁碳管和多壁碳管) 纳米颗粒,综合运用荧光分子探针、冷冻电镜(Cryo-TEM)、小角X-射线散射(SAXS)、全反射红外(ATR-FTIR)和固体核磁共振(ssNMR)等手段,分析纳米颗粒与磷脂分子间的相互作用,以及对磷脂层结构完整性、层内流动性和分子排布的影响。目的在于揭示纳米颗粒在磷脂层的界面过程,进而阐明纳米颗粒表面特性(材质、粒径、电荷、修饰等),和颗粒-磷脂分子间作用力(静电力、范德华力、氢键和疏水作用等)与磷脂层结构相态变化的关系。本研究将为现有纳米颗粒的安全性评价,以及未来新型纳米材料的设计和应用提供重要的科学依据。
英文摘要
The processes of nanoparticles on phospholipid bilayers relate to its transport and safety to organisms. Additional research work is required to address the mechanisms and rules of nanoparticle-induced bilayer changes. In this study, oxide (Al2O3, SiO2 and TiO2) and carbon-based (C60, single-walled carbon nanotube, and multi-walled carbon nanotube) nanoparticles will be selected to explore the interactions of nanoparticles with phospholipids, and the effects on the integrity, fluidity and lateral organization of bilayers. The techniques we will use include molecular fluorescent probes, cryo-TEM, small angle X-ray scattering, ATR-FTIR and solid-state NMR. The objectives are to clarify the processes of nanoparticles on phospholipid bilayers, and to understand the roles of particle surface properties (material, particle size, charge, surface decoration) and intermolecular forces (electrostatic forces, van der Waals forces, hydrogen bonds and hydrophobic effects) on the changes of bilayer phases and structures. This study will provide important scientific information on the safety evaluation of the existing nanoparticles, also on the design/application of new types of nanoparticles in the future.
纳米颗粒由于特殊的电子、光学和热力学特性具有重要的应用前景。纳米颗粒与磷脂层的接触是其被生物吸收及导致毒性的关键步骤。本课题研究了不同材质的纳米颗粒与磷脂双分子层的相互作用,得到以下结论:. (1) 多种纳米颗粒均可引起磷脂双分子层的破裂。其中SiO2、Al2O3 纳米颗粒造成明显的磷脂膜破裂,而Fe2O3、TiO2、ZnO纳米颗粒和CdTe量子点引起的膜破裂不显著。氧化物纳米颗粒的表面羟基与磷脂分子形成氢键作用是磷脂层破裂的主要机制。在碳基材料中,多壁碳管对细胞膜的损伤与碳管表面的缺陷度相关,在静电相斥的条件下仍可抽提磷脂层中的磷脂分子;富勒烯C60可破坏相反电荷的磷脂层。. (2) 通过膜相态指示荧光探针的发射光谱变化,探明SiO2、Al2O3 纳米颗粒可导致磷脂膜胶态化转变。细胞膜中较高含量的胆固醇、脑磷脂和肌醇磷脂可减弱纳米颗粒对膜相态的影响。未检测到碳基纳米材料影响细胞膜相态。流动态的细胞膜对维持膜蛋白功能及物质的跨膜输送至关重要,因此膜胶态化可能是纳米颗粒细胞毒性的重要机制。. (3) 碳纳米管和CdTe量子点可通过胞吞作用被细胞摄入,也被观察到通过被动跨膜过程(不需要能量供给)进入质膜囊泡。细胞吸收CdTe量子点的主导机制是胞吞作用,然而被细胞吞入后细胞质中的量子点在细胞起泡过程中没有进入质膜囊泡,说明量子点被包裹在细胞内体中而不是均匀分散在细胞质溶液中,因此无法再次跨过细胞骨架。. (4) 纳米颗粒主要通过表面的含氧官能团与磷脂层的电荷力作用及形成氢键导致膜损伤。SiO2、Al2O3 纳米颗粒吸附牛血清蛋白后对细胞膜的影响减弱,因为牛血清蛋白覆盖了氧化物表面的羟基等含氧基团。而腐殖酸自身含有大量含氧官能团,吸附腐殖酸的纳米颗粒仍引起明显的磷脂膜破裂和膜相态改变。. 本课题首次系统运用模拟细胞膜技术研究纳米颗粒与磷脂层的作用机制及解释对应的细胞毒性,模拟细胞膜与荧光技术相结合为探讨颗粒污染物在生物界面的过程提供了新思路。研究结果对预测纳米材料的生物效应有重要意义。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1016/j.scitotenv.2015.10.083
发表时间:2016-01
期刊:The Science of the total environment
影响因子:--
作者:Qiuhua Zhou;Lixin Wang;Zhaoyu Cao;Xuehua Zhou;Fan Yang;P. Fu;Zhenhua Wang;Jingtian Hu;Lei Ding
通讯作者:Qiuhua Zhou;Lixin Wang;Zhaoyu Cao;Xuehua Zhou;Fan Yang;P. Fu;Zhenhua Wang;Jingtian Hu;Lei Ding
DOI:10.1016/j.envpol.2016.09.059
发表时间:2016-12
期刊:Environmental pollution
影响因子:8.9
作者:Xiaoran Wei;Xiaolei Qu;Lei Ding;Jingtian Hu;Wei Jiang
通讯作者:Xiaoran Wei;Xiaolei Qu;Lei Ding;Jingtian Hu;Wei Jiang
Effect of oxide nanoparticles on the morphology and fluidity of phospholipid membranes and the role of hydrogen bonds
氧化物纳米颗粒对磷脂膜形貌、流动性的影响及氢键的作用
DOI:10.1016/j.jes.2017.02.011
发表时间:2017
期刊:Journal of Environmental Sciences
影响因子:6.9
作者:Wei Xiaoran;Yu Junchao;Ding Lei;Hu Jingtian;Jiang Wei
通讯作者:Jiang Wei
DOI:10.1016/j.jes.2016.07.003
发表时间:2017
期刊:Journal of Environmental Sciences
影响因子:6.9
作者:Wang Lixin;Yang Xuezhi;Wang Qi;Zeng Yuxuan;Ding Lei;Jiang Wei
通讯作者:Jiang Wei
Bound and unbound humic acids perform different roles in the aggregation and deposition of multi-walled carbon nanotubes
结合和未结合的腐植酸在多壁碳纳米管的聚集和沉积中发挥不同的作用
DOI:10.1016/j.scitotenv.2017.02.050
发表时间:2017
期刊:Science of the Total Environment
影响因子:9.8
作者:Yang Xuezhi;Wang Qi;Qu Xiaolei;Jiang Wei
通讯作者:Jiang Wei
碳量子点负载TiO2纳米颗粒及其光催化降解PFOA混合产物的生物效应研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    57万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    姜威
  • 依托单位:
应用人工生物膜研究生物界面对碳纳米颗粒沉积的影响
  • 批准号:
    41773110
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    69.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    姜威
  • 依托单位:
应用光蚀刻微模型研究碳纳米颗粒在多相孔隙介质中的迁移规律
  • 批准号:
    41303079
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    姜威
  • 依托单位:
国内基金
海外基金