纳米生物膜界面相互作用及生物学效应异质性研究

Among the field of nano-bio interface birthed by nanobiotechnology, nano-biomembrane interface is the most important one. Biomembrane, not only is the first barrier nanomaterial may encounter when it is presented in a biological environment, but also exhibits heterogeneities in biomembrane microenvironment due to the species diversity and function specificity of phospholipids. The complexity and inhomogeneity of structure of nanomaterial make it a heterogeneity of regional physical and chemical properties. The heterogeneity of nanomaterials and biomembranes makes the nature of nano-biomembrane interface complex and diverse. However, the current research is mainly limited to the outcomes of interaction. Study of the basic mechanism and regulatory factors is extremely scarce, and study of the heterogeneity of interfacial interaction is not reported yet. This project plans to combine surface-enhanced infrared absorption spectroelectrochemistry and nano Fourier Transform infrared spectroscopy; take nano-biomembrane interface of graphene oxide materials with inherent structural heterogeneity as model system; construct label-free research platform on single component and mixed components biomembrane; systematically investigate the driving force and molecular mechanism of nano-biomembrane interface of graphene oxide materials; establish the relationship between heterogeneity of biomembrane/nanomaterial and nano-bio effects, and further provide theoretical guidance for optimization design of functional interface and management of biological effect of graphene oxide based biomaterials.

纳米生物技术催生的纳米生物界面研究领域中，纳米生物膜界面是最为重要的一种。生物膜不仅是纳米材料进入生物体系中遇到的第一道屏障，更因为磷脂种类的多样性及功能特异性而具有生物膜微环境的异质性。纳米材料结构的复杂性和不均一性使其具有区域性物理化学属性的异质性。生物膜和材料的异质性使得纳米生物膜界面的性质和作用复杂多样。然而，目前的研究大多局限于结果，对相互作用基本机制和调控因素的研究极为匮乏，对作用异质性的研究更是未见报道。本项目拟结合表面增强红外吸收光谱电化学和纳米傅里叶变换红外光谱，以具有天然结构异质性的氧化石墨烯类材料的纳米生物膜界面为模型系统，在单组份、混合组份生物膜上构建相互作用的免标记研究平台，系统研究氧化石墨烯材料纳米生物膜界面的相互作用驱动力和分子机制，最终建立生物膜异质性和材料异质性与生物学效应的关系，进而为氧化石墨烯生物材料的功能界面优化设计和生物学效应控制提供理论指导。

随着纳米技术，尤其是纳米生物医药的发展，纳米材料与生物组份相互作用形成的复杂的纳米生物界面成为研究热点。生物膜是纳米材料进入生物体系环境中遇到的第一道屏障。探讨纳米材料与生物膜的相互作用以揭示其蕴藏的机遇与存在的挑战，已成为纳米生物材料进一步发展和其生物学效应控制的关键问题。而异质性是生物体系和纳米材料的共有特性，更是纳米生物膜界面相互作用研究中不可回避的问题。磷脂种类和功能的多样性以及纳米材料结构的复杂性和不均一性，使得纳米材料和生物膜的相互作用复杂多样。因此，迫切需要从分子水平上揭示纳米材料与生物膜组份的纳米生物膜界面相互作用及生物学效应的异质性，获得普遍规律和揭示内在分子机理。本项目以具有天然结构异质性的氧化石墨烯类材料为模型，基于表面增强红外光谱原位实时免标记的化学敏感性，利用溶液化学和原位谱学分析结合的策略，系统探究了氧化石墨烯材料与仿生磷脂膜的相互作用机制及诱发生物学效应的异质性。主要学术成绩包括：（I）揭示了氧化石墨烯与生物膜代表性组份间的基本界面弱相互作用类型，建立了弱相互作用力的协同机制与诱发生物学效应的关系；（II）揭示了磷脂相态对氧化石墨烯与生物膜相互作用的调控机制；（III）发现了氧化石墨烯相互作用界面上的质子转移，获取了其与相互作用界面功能基团的关系。我们的研究获取了氧化石墨烯与生物膜界面相互作用的协同机制和诱发生物学效应的异质性的分子基础，为氧化石墨烯生物材料的优化设计和生物学效应控制提供了科学指导。在此项目的资助下，我们已在Analytical Chemistry、Langmuir等国际著名期刊发表论文19篇；1人入选中国科学院青年创新促进会，培养博士研究生3名，硕士研究生3名。