2010年12月- 生物医学纳米材料对细胞作用的研究

发布时间:2020-01-14发件人:消息来源:江苏省生物材料与器件重点实验室

国家重大科学研究计划项目“生物医学纳米材料对细胞作用的研究”工作进展与讨论

医用磁性纳米粒子对细胞作用的研究

东南大学 顾宁 教授


(1)系统开展了磁性纳米粒子的制备技术研究以及作为MRI造影剂和纳米探针的研究。建立了具有自主知识产权的三步法优化制备氧化铁磁性纳米颗粒的批量制备技术,可实现尺寸、表面、聚集态和磁性的化学控制制备。该技术生产工艺稳定、合理,易于实现,单批次产量为磁性纳米氧化铁20g,实现了20g级纳米γ-Fe2O3弛豫率标准物质的成功研制。选择评价磁共振成像造影剂对比增强效果最重要的参数-弛豫率作为标准物质的特征参量,采用临床西门子磁共振仪进行多家医院协作定值,确定纳米γ-Fe2O3弛豫率标准物质的特性量值为311 mM-1×S-1,总的不确定度为12 mM-1×S-1。所研制的纳米γ-Fe2O3弛豫率标准物质已经通过科技查新及科学技术成果专家鉴定会评审,认为该标准物质填补了国内外空白,丰富了国内外标准物质的种类,达到了国际同类标准物质的领先水平,对磁共振成像造影剂研制、生产及临床应用具有重要意义。

(2)系统开展了纳米粒子模拟酶研究及体外免疫检测的应用研究。发现一系列纳米粒子具有过氧化物酶活性的新效应,其相对于天然的辣根过氧化酶(HRP)具有简单易得、稳定、成本低的优势,同时具有依赖于尺寸和表面可调的类酶活性,通过表面工程可方便实现与各种分子探针的偶联,从而可用于替代HRP用于各种生物检测。通过大量筛选,发现氧化钴、氧化铜等具有变价的一类Fenton类元素氧化物都具有类酶活性,还发现金、铂等贵金属以及具有电化学活性普鲁士蓝纳米粒子也具有高的模拟酶特性。通过普鲁士蓝修饰纳米氧化铁构建复合材料以及在ELISA检测过程中进行金染和普鲁士蓝染色,可以大大提高类酶活性和检测灵敏度。相关研究成果发表在J.Mater.Chem.(2010,20, 5110–5116)杂志,被认为“This is a nice cross-discipline work which involves nanoparticle design and biological application”。

Fig.1. 普鲁士蓝修饰的氧化铁纳米粒子模拟酶及酶联免疫检测应用

(3)集影像诊断、药物传输及治疗于一体的多功能微纳米体系的研制具有重要意义。本研究设计和制备了装载超顺磁性Fe3O4纳米颗粒的聚合物超声微气泡,该体系具有US和MRI双模态造影功能,同时可作为药物载体实现可控释药。研究了交变磁场作用下磁性超声微气泡内NO形成及增强US成像的机制,该体系可望作为NO传输体系用于心脑血管疾病的诊断和治疗。还制备了以磁性海藻酸微球为模板的多层聚电解质微囊,通过负载阿霉素从而构建了一种磁控药物释放系统,研究了交变磁场作用下磁性微囊可控释药的行为。研究成果发表在Small(2010)和J Phys. CHem. C(2010)上。

Fig.2. 交变磁场作用下磁性超声微气泡内NO形成及增强US成像

Fig.3. 交变磁场作用下磁性微囊可控释药

(4)纳米颗粒自身的性质,对颗粒与细胞膜相互作用有着重要的影响。本研究通过粗粒度分子动力学计算方法,模拟了纳米颗粒的尺寸和表面电荷密度等因素,对纳米颗粒与电中性的磷脂双分子层膜作用的影响。通过对两者作用过程中,磷脂膜结构信息、体系热力学参数、以及扩散率等动态信息变化的分析,阐述了两者作用的微观机理,为纳米颗粒相应属性可能导致的,细胞膜结构和性质的变化,提供了一定程度的理论支撑。相关研究成果发表在J. Comput. Theor. Nanosci.(2010)和J Phys. CHem. B(2010)上。

Fig.4. 尺寸因素对纳米颗粒与磷脂膜作用的模拟研究

Fig.5. 表面电荷性质对纳米颗粒与电中性的磷脂双分子层膜作用的模拟研究

已发表文章


  1. Xubo Lin, Yang Li, and Ning Gu, Nanoparticle’s Size Effect on Its Translocation Across a Lipid Bilayer: A Molecular Dynamics Simulation, J. Comput. Theor. Nanosci. Vol. 7, 269–276, 2010

  2. Chen Y. J., Tao J., Xiong F., Zhu J. B., Gu N., Zh, Synthesis, self-assembly and characterization of PEG-coated iron oxide nanoparticles as potential MRI contrast agent, Drug Dev. Ind. Pharm. 2010; 36(10): 1235–1244.

  3. Yang Li and Ning Gu, Thermodynamics of Charged Nanoparticle Adsorption on Charge-Neutral Membranes: A Simulation Study, J. Phys. Chem. B, 2010, 114 (8), pp 2749–2754

  4. Chen Y. J., Tao J., Xiong F., Zhu J. B., Gu N., Ge, Characterization and in vitro cellular uptake of PEG coated iron oxide nanoparticles as MRI contrast agent, Pharmazia, 2010, 65: 481-486

  5. Jianfei Sun, Feng Sun, Beibei Xu, Ning Gu, The quasi-one-dimensional assembly of horseradish peroxidase molecules in presence of the alternating magnetic field, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 360 (2010) 94–98

  6. Fang Yang, Ping Chen, Wen He, Ning Gu, Xizhi Zhang, Bubble Microreactors Triggered by an Alternating Magnetic Field as Diagnostic and Therapeutic Delivery Devices, Small, 2010, 6(12): 1300-1305

  7. Xiao-Qing Zhang,Shang-Wenyan Gong,Yu Zhang,Ting Ya, Prussian blue modified iron oxide magnetic nanoparticles and their high peroxidase-like activity, J. Mater. Chem., 2010, 20, 5110–5116

  8. Weixin Zhang, Jianfei Sun, Tingting Bai, Chunyu Wa, Quasi-One-Dimensional Assembly of Magnetic Nanoparticles Induced by a 50 Hz Alternating Magnetic Field, ChemPhysChem 2010, 11, 1867 – 1870

  9. Jiwei Liu, Yu Zhang, Chunyu Wang, Ruizhi Xu, Zhong, Magnetically Sensitive Alginate-Templated Polyelectrolyte Multilayer Microcapsules for Controlled Release of Doxorubicin, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 7673–7679