碳点-细胞膜界面相互作用行为及热力学机制

As carbon nanodots (C-dots) are superior in the aspects of high aqueous solubility, outstanding photoluminescence properties and favorable biocompatibility, they have emerged as attractive candidates for a variety of application prospects in biological and medicinal fields. The behavior of C-dots at the nano-cytomembrane interface is of vital importance, but relevant studies are still scarce. In this proposal, the cytomembrane will be selected as the research object. With the help of biological microcalorimetry methods, the thermodynamic modes and thermodynamic parameters (K, △H, △S, △G etc) related to the behavior of C-dots with different surface chemistry at nano-cytomembrane interface can be determined. The cytobiological methods enables us to study the effects of C-dots at the nano-cytomembrane interface on cell membrane functions, including membrane fluidity, membrane permeability and membrane potential as well as transport mechanism of C-dots. The influence of C-dots at nano-cytomembrane interface on microstructural changes of cytomembrane and the binding sites of C-dots on the cytomembrane will be analyzed by spectroscopic and modern microscopic imaging techniques. The behavior and thermodynamic mechanism of C-dots at nano-cytomembrane can be disclosed through the relationships between thermodynamic parameters of C-dots absorbed and transport across cell membrane, changes of macroscopic properties and microstructure of cell membrane. We hope this project will provide important scientific basis on the synthesis, safe application and biosafety evaluation of C-dots.

碳点具有良好的水溶性、优越的荧光性质、良好的生物相容性等优点，它在生物医学等领域表现出巨大的潜力。其在纳米-细胞膜界面上的行为十分重要，但相关研究较少。本项目拟以细胞膜为研究对象，采用生物微量热的方法，建立热力学模型，获取不同表面修饰的系列碳点在细胞膜上吸附、跨膜转运过程中的热力学参数(K, △H, △S, △G等)；结合细胞生物学研究方法，研究碳点在碳点-细胞膜界面上对细胞膜宏观性质的影响，包括细胞膜流动性、通透性、膜电势等，并进一步研究碳点的跨膜转运机制；采用光谱法、现代显微成像等研究技术和方法，深入剖析碳点在碳点-细胞膜界面上对细胞膜微观结构的影响及其在膜上的结合位点；通过建立碳点-细胞膜界面相互作用行为的热力学参数、细胞膜宏观性质变化以及微观结构变化三者之间的内在联系，进一步揭示碳点-细胞膜界面相互作用的行为及热力学机制。该项目的研究结果将为碳点在生物医学中的安全应用提供科学依据。

采用微量热、电子显微镜、现代光谱学技术和细胞生物学等手段，结合热动力学研究方法，从纳米-生物界面的角度出发，分别在生物大分子、微生物、细胞层次上，研究了碳量子点在纳米-生物界面上的吸附行为及机制。首先合成制备了多种表面状态不同的碳量子点及相关的纳米材料，如表面电荷不同的碳点、表面氧化程度不同的碳点、多种发红色荧光的碳点以及碳点包裹的纳米银；在生物大分子层次上，利用现代光谱、等温滴定微量热等技术研究表面电荷不同的碳点在人血清白蛋白（HSA）上的吸附行为及机制，同时研究了两种不同的碳点对人胰岛素纤维化的抑制作用及其抑制机制。在微生物层次上，首先从纳米-细胞膜的界面上研究表面氧化程度不同的碳点（还原型碳点和氧化型碳点）包裹的纳米银的抗菌活性及抗菌机制，特别是从热力学的角度定量的表征了这两种纳米银在细菌表面吸附能力的差异，同时研究了单宁酸/铁/纳米银的复合薄膜自身及在660 nm光辐照下对细菌细胞膜的影响。在细胞膜层次上，采取流式细胞仪，激光共聚焦显微镜研究了发红光碳点在三种不同状态的细胞（去极化、极化、超极化）上的吸附行为，研究发现超极化（电荷最高）细胞可以促进碳点在其表面的吸附，而去极化（电荷最低）细胞则会抑制碳点在其表面的吸附。随后从学热力学和动力学的角度，研究了碳点在三种不同电荷的脂质体表面上的吸附行为，研究证实了吸附常数和吸附动力学常数与脂质体的表面电荷呈现正相关的关系，随后运用等温滴定微量热的技术也证实了上述吸附规律。项目执行期间，相关研究工作共发表SCI 源刊论文12篇，较好的完成了该项目的研究任务。