三维纳米结构羟基磷灰石用于癌症特征物质快速传感机理研究

Hydroxyapatite (HAp) has been widely used in the adsorbtion of biomacromolecules, environmental monitoring and purification engineering. It also has the clinical potential in the adsorbtion of characteristic gases of lung cancer. The adsorbing capability is closely related to its morphologies and microstructures.This project is focused on the nucleation and growth of HAp crystals on the cation-exchange membrane in electric field, based on the technique of membrane-assisted electrochemical deposition, which is aimed to develop a novel way for the early diagnosis of lung cancer. The self-assembly mechanism of three-dimentional nanostructure, the adsorbing mechanism of characteristic gases on the surfaces of HAp, the variation of morphologies, crystallographic lattice constants, chemical bonds, electrical responds, as well as chromatographic behavior will be studied in detail, in order to determine the sensing principles for different gases. Through the researches mentioned above, the influences of cathion-exchange membrane on the three-dimentional nanostructured HAp by cathodic deposition will be identified. The transducting mechanism of HAp towards characteristic gases will be obtained. Additionally, a prototype of three-dimentional nanostructured HAp applicable for the rapid detection of characteristic gases and diagnosis of early lung cancer will be built up.

羟基磷灰石（HAp）由于其特殊的晶体结构已广泛应用于生物大分子吸附、环境检测和净化工程，其在临床上对于肺癌特殊气体的吸附也具有潜在的应用价值。HAp的气体吸附能力与其形貌和结构密切相关。本课题在自主开发的阳离子交换膜辅助电化学沉积技术的基础上，针对材料对早期肺癌特征气体传感作用，重点研究电场条件下HAp 晶体在阳离子交换膜上的形核和晶体长大行为；三维纳米结构HAp的自组装机制；肺癌特征气体在三维纳米结构HAp表面的吸附机制；同时研究HAp与气体分子结合后形貌、晶格常数和化学键等变化，以及电学响应机制和色谱特性，确定其对不同特征气体的传感机制。通过上述研究，建立阳离子交换膜对阴极沉积三维纳米结构HAp的作用机制；获得HAp对于肺癌特征气体的传感规律；形成三维纳米结构HAp快速检测肺癌特征气体、用于肺癌早期诊断的技术原型。

羟基磷灰石(HAp)是广泛研究的生物医用材料。由于其特殊晶体结构和形貌，HAp在气体和重金属离子的检测方面也具有重要的应用前景。本课题针对肺癌病人呼吸气体中常见的氨气和硫化氢等，通过模板方法控制羟基磷灰石的形貌，以及分别掺杂金、石墨烯、聚苯胺、硫杆细菌等，系统研究了纳米结构HAp成分、形貌与气敏特性的关系，获得了较高的气体探测灵敏度，制备出了多种有望用于肺癌早期诊断的复合气敏材料。所取得的创新性成果如下：.1）采用阳离子交换膜辅助法，制备具有特殊纳米结构和形貌的管状HAp，其比表面积大，分子吸附位点多、气敏性能比棒状纳米晶羟基磷灰石明显提升；.2）研究了纳米结构HAp与多种气体的作用，发现了磷灰石在室温下对氨气就具有很高的敏感性和选择性，而其他气敏材料则需要在一定温度下才能检测，阐明了其作用机理与晶体结构的相关性。.3）将有机气敏材料聚苯胺与HAp复合，同时发挥聚苯胺结构中的离域键能使聚合物呈现出导体性质，以及纳米HAp的高比表面积和活性的优点，得到的气敏性能均优于纯HAp和纯聚苯胺。此外，还发现聚吡咯导电高分子材料与HAp的复合同样能够显著提高气敏特性。.4）采用仿生矿化法制备了石墨烯和HAp复合物，得到三维微球状HAp，提高了导电性和吸附活性，复合材料对氨气的响应灵敏度比石墨烯提高了1.9-3.7倍。.5）针对硫化氢气体检测难的问题，将嗜酸性氧化亚铁硫杆菌与HAp构成复合材料，发现HAp对H2S气体分子的吸附能力有限，而At.F菌的细胞壁富含巯基、羟基、羧基等化学活性，在复合物中作为气体吸附位点，从而提高了复合物对气体分子的吸附能力。.以上发现对于理解HAp与气体分子的作用机理具有重要的科学价值，对肺癌病人的早期诊断试剂开发具有很好的指导作用。在HAp与微生物复合，提高材料对硫化氢气体的敏感性方面，具有较大的创新性和开创性。通过以上研究，在国内外期刊，如Analyst, New Journal of Chemistry, Materials Science and Engineering C 等，发表学术论文12篇，申请和授权发明专利共计3项，培养博士后1名，博士2名，硕士4名。参加国内外学术会议，并做特邀或者口头报告5次，与英国伯明翰大学以及玛丽皇后学院建立了长期合作关系。项目负责人刘咏于2016年获得国家自然科学基金杰出青年基金的资助。