一維磁性納米材料在生物分子的檢測、運輸和胞內(nèi)提取上的應(yīng)用探索.pdf

1、疾病一直是困擾人類健康的重大問題。大量生物醫(yī)藥研究專注于疾病的診斷和治療，其中包括生物傳感器和藥物運輸?shù)难芯康?。對疾病診斷而言，疾病早期的有效診斷對于疾病的治愈和治療成本的降低都有著極大的促進作用。目前，常規(guī)的蛋白質(zhì)檢測手段如蛋白質(zhì)免疫印跡和酶聯(lián)免疫吸附測定等，多利用抗體-抗原的特異性作用，通過一定的抗體耦合和固定技術(shù)來實現(xiàn)對特定靶點蛋白的識別和檢測。這些檢測手段往往存在制備過程復(fù)雜、成本過高、靈敏度有限以及檢測條件苛刻等弊端，難以滿足

2、早期臨床診斷對高靈敏和高選擇性的要求。因此，研究設(shè)計具有更高靈敏性和選擇性的生物傳感器，用于超低濃度的生物標記物的檢測，對于疾病的早期診斷具有重要意義。與此同時，在藥物治療方面，傳統(tǒng)制藥行業(yè)制備的藥用小分子往往存在分子水溶性差、毒副作用強等問題，難以實現(xiàn)直接性給藥。具有良好生物活性的藥用大分子也因為易被酶催化分解、穩(wěn)定性差等問題，難以實現(xiàn)全身性給藥。因此，研究制備可同時實現(xiàn)靶向藥物運輸和控制藥物釋放的藥物載體來運載藥物用于全身性給藥，對

3、于提高藥物治療效果和革新傳統(tǒng)制藥行業(yè)具有重大意義。此外，細胞作為生命活動的基本單元，是生物醫(yī)藥研究的重要對象。從活細胞內(nèi)有效地提取生物標記物，用于實時監(jiān)測和分析細胞內(nèi)的生命活動信號，對于理解和認識細胞內(nèi)的信號通路、研究疾病的發(fā)病機制以及藥物篩選等具有重要意義。然而現(xiàn)有的胞內(nèi)信號物的提取手段依然依賴于細胞裂解技術(shù)，以破壞細胞膜為代價來釋放胞內(nèi)信號分子用于分析檢測。這樣既破壞了細胞活性，也忽略了細胞間的特異性差別，難以獲得細胞在時間上的進展

4、性信息以及單個細胞的特異性信息。
　　本文以一維納米材料為基礎(chǔ)，為解決疾病診斷和治療的研究在生物傳感器、藥物運輸和胞內(nèi)物質(zhì)提取等方面存在的諸多問題，開展了大量的研究工作。提出以碳納米管陣列為電極，結(jié)合蛋白質(zhì)印跡技術(shù)設(shè)計具有超靈敏性、超選擇性的生物傳感器用于蛋白質(zhì)的檢測；以磁性聚己酸內(nèi)酯納米棒為載體，結(jié)合金納米棒的光熱效應(yīng)實現(xiàn)藥物的靶向運輸和紅外光響應(yīng)的控制釋放；以及以納米穿刺技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)活細胞內(nèi)物質(zhì)的提取。具體內(nèi)容包括以下幾個

5、方面：
　　(1)以電聚合蛋白質(zhì)印跡為基礎(chǔ)的生物傳感器的機理研究
　　本文以聚苯乙烯微球緊密排列的單分子層為模板，制備呈現(xiàn)六邊形周期性排布的催化劑陣列，結(jié)合等離子體輔助的化學(xué)氣象沉積法，生長制備低密度且單根直立的碳納米管陣列。利用納米加工技術(shù)，使用絕緣性良好的環(huán)氧樹脂包埋碳納米管側(cè)壁，制備以碳納米管尖端為電極活性表面的微電極陣列。以該微電極陣列為工作電極，結(jié)合蛋白質(zhì)印記技術(shù)，采用苯酚電聚合的方法，在電極表面制備可特異性結(jié)合目

6、標蛋白質(zhì)的高分子薄膜。最后利用印記薄膜重新結(jié)合蛋白質(zhì)后引起的電極表面的電阻抗信號的變化，檢測目標蛋白質(zhì)。結(jié)果顯示該傳感器具有超高靈敏性和選擇性，靈敏度高達10-12 g/L。本文還結(jié)合仿真模擬和實驗驗證的方法，進一步詳細研究了該傳感器對蛋白質(zhì)的高靈敏識別的機制。蛋白質(zhì)結(jié)合位點的模擬計算結(jié)果顯示，苯酚電聚合過程中產(chǎn)生的大量中間體在與蛋白質(zhì)相互作用過程中，傾向于形成一個對目標蛋白質(zhì)有特異性結(jié)合的識別界面，該界面包含了所有苯酚類小分子化合物對

7、蛋白質(zhì)的結(jié)合力總和。實驗證明，在蛋白質(zhì)印記過程中，人為增加苯酚衍生物類的功能單體的含量，以增強識別界面的親和力，可進一步提高該方法制備的生物傳感器的識別靈敏性。該工作為以電聚合蛋白質(zhì)印跡為基礎(chǔ)的生物傳感器的設(shè)計提供了理論依據(jù)。
　　(2)以一維納米材料為基礎(chǔ)的藥物載體的研究
　　本文以多孔的氧化鋁濾膜為模板，成功制備了多種材料為基礎(chǔ)的一維納米材料，如鎳納米管、蛋白質(zhì)納米管和聚己酸內(nèi)酯納米棒。聚己酸內(nèi)酯優(yōu)良的生物相容性和生物可

8、降解性，促進了以該高分子材料為基礎(chǔ)的納米棒作為藥物載體的研究。研究顯示，模板潤濕的制備方法可通過原位混勻?qū)崿F(xiàn)聚己酸內(nèi)酯納米棒的多功能化修飾，為該材料作為優(yōu)良的藥物載體奠定了基礎(chǔ)。磁性氧化鐵納米顆粒在聚己酸內(nèi)酯納米棒表面的磁性修飾，賦予了該納米棒良好的順磁性，實現(xiàn)了該納米棒在外界磁場牽引下的靶向運輸。均勻地包埋在聚己酸內(nèi)酯納米棒基體中的金納米棒，在共振紅外光的照射下，產(chǎn)生熱效應(yīng)，對高分子基體進行局部性加熱，促進周圍局部區(qū)域內(nèi)的藥物分子釋放

9、，實現(xiàn)了對紅外光響應(yīng)的控制性釋放。此外，本文還詳細探討了金納米棒的光熱效應(yīng)，為進一步研究該藥物載體的控制釋放機制提供了理論依據(jù)。該研究以一種簡單的方法，制備了多功能化修飾的聚己酸內(nèi)酯納米棒。以該納米棒為基礎(chǔ)的藥物載體，可同時實現(xiàn)以外界磁場為響應(yīng)的靶向運輸和以紅外光為響應(yīng)的控制性釋放。
　　(3)活細胞內(nèi)物質(zhì)提取的研究
　　本文利用外加磁場，牽引一維磁性納米材料，穿透活細胞。納米材料在穿透細胞的過程中吸附胞內(nèi)物質(zhì)，最后在穿出細

10、胞后將胞內(nèi)信號物帶出胞外。對綠色熒光蛋白轉(zhuǎn)染的單個細胞的穿刺結(jié)果顯示，納米材料在穿透細胞的過程中，細胞內(nèi)表達的綠色熒光蛋白有效地吸附在納米材料表面，被納米材料從活細胞內(nèi)帶出胞外。此外，使用多孔濾膜作為細胞培養(yǎng)的基底，實現(xiàn)了對單個細胞進行穿刺的研究和分析。細胞活性的研究顯示，用于細胞穿刺的納米管對細胞膜只造成納米創(chuàng)傷，對細胞活性和細胞生理過程沒有影響。因此，該技術(shù)成功地實現(xiàn)對活細胞體內(nèi)信號分子的提取，對實時監(jiān)測和分析細胞內(nèi)的生命信號具有重