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

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。

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。