一維磁性納米材料在生物分子的檢測(cè)、運(yùn)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(lèi)健康的重大問(wèn)題。大量生物醫(yī)藥研究專(zhuān)注于疾病的診斷和治療，其中包括生物傳感器和藥物運(yùn)輸?shù)难芯康?。?duì)疾病診斷而言，疾病早期的有效診斷對(duì)于疾病的治愈和治療成本的降低都有著極大的促進(jìn)作用。目前，常規(guī)的蛋白質(zhì)檢測(cè)手段如蛋白質(zhì)免疫印跡和酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定等，多利用抗體-抗原的特異性作用，通過(guò)一定的抗體耦合和固定技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定靶點(diǎn)蛋白的識(shí)別和檢測(cè)。這些檢測(cè)手段往往存在制備過(guò)程復(fù)雜、成本過(guò)高、靈敏度有限以及檢測(cè)條件苛刻等弊端，難以滿足

2、早期臨床診斷對(duì)高靈敏和高選擇性的要求。因此，研究設(shè)計(jì)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(biāo)記物的檢測(cè)，對(duì)于疾病的早期診斷具有重要意義。與此同時(shí)，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(qiáng)等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)直接性給藥。具有良好生物活性的藥用大分子也因?yàn)橐妆幻复呋纸狻⒎€(wěn)定性差等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)全身性給藥。因此，研究制備可同時(shí)實(shí)現(xiàn)靶向藥物運(yùn)輸和控制藥物釋放的藥物載體來(lái)運(yùn)載藥物用于全身性給藥，對(duì)

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(xì)胞作為生命活動(dòng)的基本單元，是生物醫(yī)藥研究的重要對(duì)象。從活細(xì)胞內(nèi)有效地提取生物標(biāo)記物，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析細(xì)胞內(nèi)的生命活動(dòng)信號(hào)，對(duì)于理解和認(rèn)識(shí)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)通路、研究疾病的發(fā)病機(jī)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(hào)物的提取手段依然依賴于細(xì)胞裂解技術(shù)，以破壞細(xì)胞膜為代價(jià)來(lái)釋放胞內(nèi)信號(hào)分子用于分析檢測(cè)。這樣既破壞了細(xì)胞活性，也忽略了細(xì)胞間的特異性差別，難以獲得細(xì)胞在時(shí)間上的進(jìn)展

4、性信息以及單個(gè)細(xì)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(yùn)輸和胞內(nèi)物質(zhì)提取等方面存在的諸多問(wèn)題，開(kāi)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(jì)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(cè)；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(shí)現(xiàn)藥物的靶向運(yùn)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(shí)現(xiàn)活細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的提取。具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)

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(jī)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(zhǎng)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(shù)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(biāo)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(hào)的變化，檢測(cè)目標(biāo)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(dá)10-12 g/L。本文還結(jié)合仿真模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，進(jìn)一步詳細(xì)研究了該傳感器對(duì)蛋白質(zhì)的高靈敏識(shí)別的機(jī)制。蛋白質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)的模擬計(jì)算結(jié)果顯示，苯酚電聚合過(guò)程中產(chǎn)生的大量中間體在與蛋白質(zhì)相互作用過(guò)程中，傾向于形成一個(gè)對(duì)目標(biāo)蛋白質(zhì)有特異性結(jié)合的識(shí)別界面，該界面包含了所有苯酚類(lèi)小分子化合物對(duì)

7、蛋白質(zhì)的結(jié)合力總和。實(shí)驗(yàn)證明，在蛋白質(zhì)印記過(guò)程中，人為增加苯酚衍生物類(lèi)的功能單體的含量，以增強(qiáng)識(shí)別界面的親和力，可進(jìn)一步提高該方法制備的生物傳感器的識(shí)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(jì)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(jìn)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(rùn)濕的制備方法可通過(guò)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(shí)現(xiàn)了該納米棒在外界磁場(chǎng)牽引下的靶向運(yùn)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(duì)高分子基體進(jìn)行局部性加熱，促進(jìn)周?chē)植繀^(qū)域內(nèi)的藥物分子釋放

9、，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅外光響應(yīng)的控制性釋放。此外，本文還詳細(xì)探討了金納米棒的光熱效應(yīng)，為進(jìn)一步研究該藥物載體的控制釋放機(jī)制提供了理論依據(jù)。該研究以一種簡(jiǎn)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(shí)實(shí)現(xiàn)以外界磁場(chǎng)為響應(yīng)的靶向運(yùn)輸和以紅外光為響應(yīng)的控制性釋放。
　　(3)活細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)提取的研究
　　本文利用外加磁場(chǎng)，牽引一維磁性納米材料，穿透活細(xì)胞。納米材料在穿透細(xì)胞的過(guò)程中吸附胞內(nèi)物質(zhì)，最后在穿出細(xì)

10、胞后將胞內(nèi)信號(hào)物帶出胞外。對(duì)綠色熒光蛋白轉(zhuǎn)染的單個(gè)細(xì)胞的穿刺結(jié)果顯示，納米材料在穿透細(xì)胞的過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)表達(dá)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(xì)胞內(nèi)帶出胞外。此外，使用多孔濾膜作為細(xì)胞培養(yǎng)的基底，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行穿刺的研究和分析。細(xì)胞活性的研究顯示，用于細(xì)胞穿刺的納米管對(duì)細(xì)胞膜只造成納米創(chuàng)傷，對(duì)細(xì)胞活性和細(xì)胞生理過(guò)程沒(méi)有影響。因此，該技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)對(duì)活細(xì)胞體內(nèi)信號(hào)分子的提取，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析細(xì)胞內(nèi)的生命信號(hào)具有重