納米材料與細胞作用的綜述

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計（綜 述） The Review of The Interaction of Nano Materials and Cells納米材料與細胞作用的研究綜述 申請學(xué)位： 學(xué)士學(xué)位 院 系： 藥學(xué)院 姓 名： 孟凡飛 學(xué) 號： 122120209 指導(dǎo)老師： 張懷斌（講師） 二0一四年六月十二日 目錄摘要.1Abstract.2 引言.31納米ZnO的制備及性質(zhì).31.1 納米ZnO的制備.31.1.1 制備方法的概述.31.1.2 醋酸鋅法制備納米ZnO.3 1.2 納米ZnO的性質(zhì).52納米ZnO與不同細胞的相互作用.52.1 納米ZnO與人支氣管上皮細胞(BEAS-2B).5

2、2.2 納米ZnO黃曲霉細胞的相互作用.62.3 對白色念珠菌的生物毒性.62.4 納米ZnO對人胚肺成纖維細胞（HELF）的生物毒性的劑量效應(yīng).72.5 尺寸效應(yīng)對ZnO納米粒子對洋蔥表皮細胞作用的影響.83展 望.93.1 發(fā)展與應(yīng)用.93.2 缺點與改進.10參考文獻.11致謝.13 納米材料與細胞作用的研究綜述孟凡飛摘要: 從近年來對于納米材料的安全性評價的工作進展看，人們對于現(xiàn)今應(yīng)用較廣的ZnO納米材料的生物安全性研究較少。本文將著重闡述ZnO納米材料在機理、劑量、尺寸方面對不同生物細胞的相互作用，為做好納米材料使用的安全防護工作、研究納米材料在生物安全性方面的影響、建立一套研究納米

3、材料安全性評價的方法提供必要依據(jù)。關(guān)鍵詞: ZnO納米材料；機理；劑量；尺寸；生物細胞；相互作用 The Review of The Interaction of Nano Materials and CellsMENG Fan-feiAbstract：From the recent progress about the safety evaluation of nano materials,The research on biological safety of ZnO nano materials that are widely used today is very less. This

4、paper will focuse on the interaction of different biological cells and ZnO nano particles in mechanism, dose and size,to do a good job about security protection of nano materials used, research the effects of nano materials in the biological safety, provide the necessary basis for the establishment

5、of a set of research method on safety evaluation of nano materials.Keywords：ZnO nano materials；mechanism；dose；size；biological cells；interaction 引言 納米材料是指至少在一維空間上粒徑不大于100nm的材料，主要有四大類：納米粉末，如納米ZnO粉末；納米纖維，如碳納米管；納米膜，如納慮膜；納米塊如ZrO2和TiO2納米塊體。由于其尺寸很小，結(jié)構(gòu)特殊，因此具有許多新的物理化學(xué)特性，如尺寸效應(yīng)、大的比表面、極高的反應(yīng)活性、量子效應(yīng)等1。隨著納米技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，

6、各種納米材料因其優(yōu)良特性及新奇功能而具有廣泛的應(yīng)用前景，遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、軍事、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域2。而日常的生活用品中，如化妝品、食品、織物、涂料、抗菌材料等，也含有納米材料，人們接觸納米材料的機會同益增多3。由此，納米材料的生物效應(yīng)和安全性問題也凸顯出來，尤其是納米顆粒對人體健康、生存環(huán)境和社會安全等方面是否存在潛在的負面影響。毒理學(xué)研究結(jié)果表明納米顆?？梢砸愿鞣N途徑進入人體或生物體，包括吸入、攝食吸收、皮膚滲透等，隨后在生物體內(nèi)產(chǎn)生不同水平的毒理學(xué)效應(yīng)4。 目前體內(nèi)外的實驗證實納米ZnO可在不同程度上對細菌、水生生態(tài)動物、哺乳動物細胞產(chǎn)生毒性作用，對多種正?；虿徽＜毎a(chǎn)生相互作用5。

7、1 納米ZnO的制備及性質(zhì)1.1 納米ZnO的制備1.1.1 制備方法的概述 目前實驗室制備的方法主要有以下幾種：（1） 醋酸鋅法 以ZnAc22H2O為原料，經(jīng)溶解，加熱回流，沉淀，洗滌，離心，干燥得本品。然后表征，經(jīng)SEM(掃描電子顯微鏡)測試，X射線衍射，HRTEM(高分辨率的透射電鏡)測試得本品。這也是主要的制備方法。（2）氫氧化鋅法 利用硝酸鋅制得前驅(qū)氫氧化鋅，在600保持2h，高溫熱分解得納米氧化鋅。 （3）直接沉淀法 在可溶性鋅鹽中加入沉淀劑后，當溶液離子的溶度積超過沉淀化合物的溶度積時，即有沉淀從溶液中析出。沉淀經(jīng)熱解得納米氧化鋅。常見的沉淀劑為氨水、碳酸銨、和草酸銨。此法操作

8、簡單易行，對設(shè)備要求不高，成本較低，但粒度分布較寬，分散性差，洗滌原溶液中陰離子較困難。1.1.2醋酸鋅法制備納米ZnO 將適量ZnAc22H2O稱量后加入到三口燒瓶中，用量筒量取一定體積的Xylene溶劑，加入三口燒瓶，攪拌溶解。隨后稱取DBS加入到上述的體系并加入一定的量50N2H4H2O的乙醇溶液。反應(yīng)在室溫條件下進行。在滴加的初期，微混的微乳液會逐漸澄清，但是隨著滴加過程的進行，開始出現(xiàn)白色沉淀，直到反應(yīng)結(jié)束，沉淀始終存在。在滴加完畢后，繼續(xù)攪伴14小時以上，然后加熱回流?；亓魍戤吅螅陔x心作用下將固體沉淀從溶液中分離出來。將沉淀用特定的溶劑洗滌，以除去多余的雜質(zhì)，經(jīng)過多次的洗滌、離心

9、后，將沉淀在低溫的真空條件下進行干燥或者自然干燥，得到干爽的粉末，粉末可以用來測試結(jié)構(gòu)和性能。更換溶劑和表面活性劑得到其他形貌的產(chǎn)物。在實驗中，對樣品進行了表征，方法如下所示：(1)SEM測試所用的儀器型號是JEOL S4800，加速電壓5KV。樣品 制備：將一小片5wanx5minx2mm的玻璃片在醇中超聲清洗并干燥后，將待粉測末樣品在乙醇中超聲分散后，滴在干凈的玻璃片上，在室溫下晾干后進行噴金處理，處理完畢后可以進行測試。(2)X射線射實驗所用的儀器是日本生產(chǎn)的衍射儀(Rigaku，Dmax2Cu-Ka)，所用波長為1.5406，工作電壓為40KV，電流為30mA，掃描速度為00100/s

10、。樣品是粉末態(tài)，裝在一個有凹糟的平面玻璃板上，壓平后進行測試。(3)HRTEM測試在JEM2100F型高分辨透射電鏡上進行。JEM高分辨透射電鏡的相關(guān)參數(shù)為：加速電壓，200kV；晶格分辨率，0.14nm；分辨0.23nm；放大倍數(shù)2000-1500000。配有X射線能譜儀和多掃描CCD相機6。掃描圖像如下圖1. 圖1. 納米ZnO的形貌，a and b SEM，c和d為b中納米棒HRTEM圖像1.2納米ZnO的性質(zhì) 與常規(guī)氧化鋅相比，納米氧化鋅對生物細胞具有較強的氧化性、光催化氧化性，與大分子共價結(jié)合效應(yīng)，尺寸效應(yīng)7，濃度效應(yīng)等，性質(zhì)的不同，直接導(dǎo)致其對生物細胞有著不同的影響作用。對其上述性

11、質(zhì)的研究，安全使用，仍是當今納米技術(shù)研究的重要課題。 此外，納米級氧化鋅還是一種新型鋅源8，具有較高的生物活性、免疫調(diào)節(jié)能力和吸收率，較少的納米氧化鋅即可達到促進生物體生長的功效9。2 納米ZnO與不同細胞的相互作用2.1納米ZnO與人支氣管上皮細胞(BEAS-2B)之間的相互作用 Huang10等對人支氣管上皮細胞(BEAS-2B)細胞進行ZnO納米粒子(20nm)懸液染毒。研究表明，納米氧化鋅對 BEAS-2B 的毒性，是通過乳酸脫氫酶(LDH)、活性氧(RO)測定結(jié)果推測氧化應(yīng)激可能是納米粒子產(chǎn)生細胞毒性的機制之一，對相關(guān)基因進行檢測，發(fā)現(xiàn) BNIP，PRDX3，PRNP 和 TXRND

12、1 基因表達異常，說明納米氧化鋅改變了BEAS-2B 細胞轉(zhuǎn)錄調(diào)控，DNA合成受損，導(dǎo)致細胞死亡。這與 Heng11的研究結(jié)果不謀而合。機理如下圖2. 圖2. 納米ZnO顆粒引起氧化損傷并導(dǎo)致DNA損傷的毒性機理示意圖2.2納米ZnO黃曲霉細胞的相互作用 納米ZnO緩釋出的Zn+接觸微生物，因細胞膜帶負電荷而與Zn+發(fā)生庫倫吸引而相互接觸，即所謂的微動力效應(yīng)，導(dǎo)致Zn+穿透細胞膜進入微生物體內(nèi)，與微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)上的硫基發(fā)生反應(yīng)使微生物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，造成微生物死亡或者產(chǎn)生功能障礙。從而將黃曲霉細胞殺死12。機理如下圖3. (蛋白質(zhì))-sH+Zn+ (蛋白質(zhì)) sZn+H+ (蛋白質(zhì)、核酸)

13、-H+Zn+ (蛋白質(zhì)、核酸)-Zn+H+圖3. 納米ZnO殺滅黃曲霉細胞的作用機理2.3對白色念珠菌的生物毒性 到目前為止，由于納米ZnO的抗菌性能以及它作為一些傳染病的抗菌藥，存在潛在的藥用價值，許多已經(jīng)發(fā)表的論文中研究了納米粒子對于微生物的影響。例如，Adams等13，Brayner等14，以及Zhang L15等人的研究都表明納米ZnO粒子對于E. col菌的生長有明顯的抑制作用。Roselli等人的研究也表明，ZnO可以通過抑制損傷腸細胞的E.coli菌而保護腸細胞16，Huang Z等人的研究中發(fā)現(xiàn)ZnO對于可以導(dǎo)致人類傳染疾病的鏈球菌和葡萄狀球菌有很好的抑制作用17。特別是在光催

14、化對白色念珠菌等細菌的殺滅抑制作用18。 納米氧化鋅光催化殺菌劑，通常表現(xiàn)出超過傳統(tǒng)抗菌劑(即僅能殺滅細菌本身)的性能。對于納米半導(dǎo)體，當粒子細化到納米尺度時，產(chǎn)生電子和空穴的氧化還原能力增強19。受陽光和紫外線的照射時，納米氧化鋅抗菌劑在有水分和空氣存在的體系中能自行分解并釋放出自由電子(e.)，同時留下帶正電的空穴(h+)，生成的帶羥基的自由基OH和超氧化物陰離子自由基O2都非?；顫?，化學(xué)活潑性很強，能與多種有機物發(fā)生反應(yīng)(包括細菌內(nèi)的有機物及其分泌的毒素)從而將微生物殺滅20。納米氧化鋅在陽光尤其是紫外線照射下，具有極強的化學(xué)活性，能與大多數(shù)有機物(包括細菌) 發(fā)生氧化反應(yīng)，從而殺死大多

15、數(shù)病菌和病毒21。據(jù)此，可以對某些癌細胞進行光動力殺滅，傳統(tǒng)的光敏分子治療方法相比，避免了光敏分子容易發(fā)生脫落現(xiàn)象，相關(guān)工作還在進一步研究當中22。作用機理如下圖4. 圖4. 光激發(fā)ZnO殺菌機理 2.4 納米ZnO對人胚肺成纖維細胞（HELF）的生物毒性的劑量效應(yīng) 以細胞生存率為縱坐標，對ZnO 納米粒子濃度(橫坐標)作圖，結(jié)果如圖5.所示 圖中可見，HELF細胞與不同濃度的40nm 氧化鋅納米粒子相互作用72小時后細胞生存率與納米氧化鋅濃度的增大而急劇減小23。當ZnO 納米粒子濃度低于2.45mg/L時，細胞幾乎沒有明顯變化，而當濃度達到約20mg/L時，細胞存活率已低于10.這表明細胞

16、的生存率受納米氧化鋅濃度影響非常明顯。實驗過程發(fā)現(xiàn)， 納米氧化鋅濃度超過40mg/L后，溶液已出現(xiàn)明顯渾濁，影響了光線透光率，導(dǎo)致吸光度失真增大。所以，圖中顯示細胞生存率下降趨勢平緩.正如文獻報道24，在較低濃度時，氧化鋅納米粒子的生物安全性是也可靠的.本實驗中濃高于20mg/L 時，人胚肺成纖維細胞死亡率顯著增加25。 圖5. HELF細胞與不同濃度40nm氧化鋅納米粒子作用后的存活率2.5 ZnO納米粒子的尺寸效應(yīng)對洋蔥表皮細胞作用的影響 寧月輝研究了ZnO納米粒子和ZnO納米棒對洋蔥表皮細胞的影響。結(jié)果表明：粒徑較小(5 nm)的ZnO納米粒子能夠透過細胞壁而進入細胞內(nèi)部，并且富集在細胞

17、核上。尺寸較大的ZnO納米棒則無法穿越細胞壁。由此可知納米材料的尺寸和形貌是影響其生物效應(yīng)的重要因素26。 通過熒光顯微技術(shù)證實了直徑5 nm左右的納米氧化鋅粒子能夠穿透洋蔥表皮的細胞壁和細胞膜，進入細胞內(nèi)部，并富集在細胞核上，引起細胞紫外區(qū)發(fā)光特性的改變。納米材料在生物體內(nèi)可以穿過其他材料難以穿越的部位，因此納米材料在生物體內(nèi)可能會出現(xiàn)特殊的代謝情況，并且可能會與某些特定部位的器官或者組織細胞作用進而帶來某些特殊毒性，所以富集在細胞核上的氧化鋅納米粒子對生物的生長與發(fā)育可能存在不利影響。直徑約為200 nm的氧化鋅納米棒由于其尺寸較大，難以穿過洋蔥表皮細胞的細胞壁和細胞膜進入細胞內(nèi)部，在細胞

18、的熒光顯微照片上，沒有觀察到來自細胞核周圍的綠色熒光。這說明氧化鋅納米材料對細胞壁的穿透能力與其形貌和尺寸有密切關(guān)系。當我們討論納米物質(zhì)的生物效應(yīng)或毒性這個問題時，不能泛泛而言，必須明確材料的種類、形態(tài)、尺寸（粒徑）大小、以及劑量的多少等參數(shù)，即使同一種類的納米材料，當其尺寸（粒徑）大小不同，其生物效應(yīng)可能相差很大27。如下圖6. 圖6. ZnO納米粒子（a）和ZnO納米棒（b）處理的洋蔥表皮細胞3 展 望3.1 發(fā)展與應(yīng)用 納米技術(shù)自20世紀問世以來，納米材料在全世界大量涌現(xiàn)28，越來越多的納米材料應(yīng)用于人們的日常生活，其中，納米ZnO以其獨特的性質(zhì)成為近年納米復(fù)合材料的研究熱點，在人類社會

19、中被廣泛應(yīng)用，包括防曬劑，食品添加劑，傳感器，電子材料等等。近年國內(nèi)功能型納米復(fù)合材料的應(yīng)用研究十分活躍，已有商品化產(chǎn)品問世，且已有較多的納米粉體生產(chǎn)企業(yè)，可生產(chǎn)各種各樣的用于制備納米復(fù)合材料的粉體材料29。納米ZnO在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用如：癌癥的治療、細胞內(nèi)部染色、納米藥物控釋材料、納米抗菌材料、創(chuàng)傷敷料、生物活性材料等，也將會有更大的發(fā)展利用空間。3.2 缺點與改進 其所引起的安全性問題也必須給予足夠的重視。活性氧的產(chǎn)生和納米粒子的細胞內(nèi)化是納米粒子與細胞相互作用過程中的兩個普遍現(xiàn)象。納米粒子的生物毒性主要是由其內(nèi)核的結(jié)構(gòu)所決定，表面修飾對納米材料的毒性也起到相當重要的作用。對那些在生物應(yīng)

20、用研究中有重要應(yīng)用的納米粒子，表面修飾的類型是必須考慮的因素。對毒性有影響的因素還有表面電荷，陽離子毒性比陰離子毒性更強一些，中性表面納米粒子具有最強的生物相容性。究其原因可能是陽性粒子比較容易接近帶負電的細胞膜30。2003年的美國化學(xué)會年會上報告了納米顆粒對生物可能的危害。2003年4月Science31、2003年7月Nature32相繼發(fā)表編者文章，開始討論納米尺度物質(zhì)的以及對環(huán)境和健康的影響問題。2004年1月美國化學(xué)會的Enviromental Science & Technologies33雜志、2004年6月Science34再次載文強調(diào)，必須對納米技術(shù)的安全性問題進行研究。英

21、國皇家學(xué)會和皇家工程院于2004年7月29日發(fā)布長達95頁的報告，建議英國政府成立“納米物質(zhì)生物環(huán)境效應(yīng)”研究中心，以期對納米材料的安全使用，提供更多的依據(jù)，造福人類。參考文獻1 Roc MC. Nanotechnology: convergenc with moden biology and medicineJ. Curr Opin Biotechnol, 2003, 14(6): 337-346.2 Freitas RA. What is nanomedicine? J. Nanomedicine. 2005.1: 2-9.3 Aitken RJ, Chaudhry MQ, Boxall

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