生物材料与细胞相互作用及表面修饰

生物材料用作人工细胞外基质(ECMs)在组织工程中起重要作用。生物材料表面的拓扑结构、亲水／疏水平衡、自由能、电荷状况、化学基团和生物特异性识别对材料／细胞相互作用有较大影响。生物材料表面与细胞的相互作用主要是细胞膜表面受体与生物材料表面配体间的相互分子识别,因此采用仿生修饰生物材料表面以提高细胞亲和性和特异性识别。本文对生物材料与细胞相互作用及表面修饰的技术方法进行了介绍。     

利用表面上的小分子控制细胞黏附

细胞黏附是重要的生理过程,多细胞生物体中大部分种类的细胞都依赖于在表面的黏附而进行其正常生理活动。细胞的黏附需要固定在表面的有机分子（例如蛋白质或多肽）作配体。我们利用表面小分子模拟蛋白质或多肽作为配体,通过与细胞膜上受体结合,促进细胞黏附到表面。聚乙二醇（PEG）可以抵抗细胞在表面的黏附,我们利用含有PEG的表面小分子来调节细胞黏附。细胞表面的受体与胞外基质表面的配体结合是一个动态过程,在适宜时间和空间发生的时候,细胞就会产生运动和迁移,细胞的迁移也是重要的生理过程。本文主要介绍近年来利用小分子的表面化学和微纳米结构控制细胞在表面的黏附和迁移。     

纳米颗粒-蛋白相互作用及其生物效应研究

纳米颗粒和蛋白分子的相互作用及其生物学效应是当今纳米生物领域的研究热点之一,对于正确评估纳米安全性,指导纳米颗粒的生物学应用具有重要意义.本文首先介绍了纳米颗粒和蛋白分子之间的相互作用,在总结国内外相关文献和课题组工作的基础上,重点阐述了纳米颗粒-蛋白冠对蛋白分子的结构和功能、纳米颗粒的生物相容性及细胞摄取等的影响,指出在进一步的工作中,应注重研究纳米颗粒-蛋白冠对某一具体生物学过程的影响,为设计具有不同生物学应用的纳米颗粒-蛋白冠提供基础.     

电化学限域SiN_X纳米孔道检测核酸分子的研究

固体纳米孔道因其机械强度高、尺寸可控、易于表面修饰及集成化设计等优点被广泛应用于DNA、RNA和蛋白质等生物分子的检测研究.为了检测单个单链核酸分子,本研究采用电化学刻蚀法可控制备了单个SiN_X固体纳米孔道,通过SiN_X固体纳米孔道限域空间效应增强了纳米孔道与短链核酸分子之间的弱相互作用,从而实现了核酸分子的单分子水平检测.通过研究不同孔径(3.1和8.5 nm)纳米孔道与核酸分子间的弱相互作用差异,有效区分了核酸分子在限域空间内产生的过孔和碰撞两种个体行为,加深了对固体纳米孔道限域空间内核酸分子电化学行为的理解.     

基于核酸适配体和纳米粒子的光学探针

核酸适配体(aptamer)是一类通过指数富集的配体系统进化技术(SELEX)经体外筛选得到的单链DNA或RNA。核酸适配体借自身形成的空间结构与靶标分子特异性结合,具有靶分子广、亲和力高、特异性强、易改造修饰等特点,因而在生命科学、临床诊断、药物发现和环境科学等方面得以广泛应用。近年来,核酸适配体与纳米技术结合,并利用纳米材料在光学、磁学、电学、化学及生物学方面表现出的特殊性质,实现了对靶标分子高灵敏度、高选择性、简便快速的识别与检测。本文评述了基于核酸适配体-纳米粒子特性的光学探针在生物大分子、金属离子和有机小分子检测等领域的应用现状与发展趋势,主要包括比色法、荧光光谱法、表面增强拉曼光谱法等。     

金纳米团簇功能化及其在生物医学中的应用

对单分子层保护的金纳米团簇(Au-MPCs)进行化学修饰,可制成多元单层修饰的金纳米团簇（Au-MMPCs）。常用的修饰方法为配体交换法,这种方法用带有生物活性基团的巯基化合物或二硫化合物取代Au-MPCs表面的配体分子,形成多元单层修饰的金纳米团簇。巯基化合物或二硫化合物中的生物活性基团可使所制备Au-MMPCs与蛋白质、核酸或细胞膜等作用,使Au-MMPCs具有相应的生物活性,从而能广泛应用于细胞转染、药物传输、酶活性调控等生物医学领域。本文介绍了用Brust-Schiffrin法制备Au-MMPCs的机理及影响因素,基于Au-MMPCs的方法及相关机理,综述了Au-MMPCs在生物医学中的应用。     

金-硫键自组装生物分子膜

应用硫原子与金表面的强烈相互作用，可获得具有特定功能的生物分子自组装膜，在生物学、药理学及仿生学方面有重要的研究意义。本文着重介绍了一些相关的生物分子自组装体系，包括葡萄糖氧化酶、类脂、核酸传感器等在金基底表面的自组装。     

基于DNA纳米结构的细胞间相互作用的调控

细胞通过化学信号、 电子交换和直接接触等方式交换彼此之间的物质和信息, 以调节生命体的生长发育. 因此, 细胞间的相互作用研究与调控在细胞功能的机制研究和疾病的诊断及治疗等领域具有非常重要的意义. DNA纳米结构具有易合成、 易修饰、 可编程性设计及生物安全性高等优点, 有望实现操作简单、 精确可调、 智能响应的细胞间相互作用调控, 受到了广泛关注. 本文综述了寡核苷酸链杂交、 受体-配体结合和核酸适体靶向识别等基于DNA纳米结构的细胞组装策略, 总结了pH调控、 金属离子调控和DNA链激活等细胞间相互作用的调控手段, 并重点介绍了其在细胞间作用力的测量和成像、 体外组织模型的构建、 细胞间的通讯交流和细胞免疫治疗等领域的应用. 最后对该领域进行了总结和展望, 希望为相关研究提供有益参考.     

配体-受体相互作用的计算机模拟及其在药物设计中的应用

配体-受体相互作用在许多生物过程中起重要作用, 计算机分子模拟技术和理论化学计算方法在配体-受体相互作用研究中得到了广泛的应用。本文综述了有关配体-受体相互作用分子模拟和理论计算的常用方法及其在药物设计中的应用。     

光谱学与分子对接结合解释生物大分子与配体间作用机制的研究进展

本文综述了近年来利用光谱学数据分析与分子对接计算相结合,在分子层面解释蛋白质、DNA及病毒RNA三类生物大分子与配体相互作用的研究工作。着重介绍了通过光谱分析包括紫外可见光谱、荧光光谱、圆二色光谱、傅里叶红外光谱,以及三维荧光光谱等获得的光谱信号强度及位置的变化,直接或间接获取生物大分子与探针相互作用时大分子结构的改变、对特定基团的影响及热力学参数等信息。同时,分子对接计算可以模拟出配体与受体结合的位置、结合能,以及相互作用类型和距离等,将二者结合,使受体与配体结合机理的分析更加准确可靠。最后,将该领域的研究工作进行总结评价并对未来的发展作出展望。     

多效价树枝状糖苷配体的合成

许多生命过程如细胞间的识别、信号传递等通常依赖于细胞表面的多个配体和受体的协同作用.多效价树枝状糖基配体的合成是研究生物体内蛋白质与糖类、糖类与糖类相互作用的重要途径.本文综述了多效价树枝状糖基配体这类合成配体的最新研究进展,包括以树枝状聚合物、环糊精、糖环、芳烃和大环等为框架的多效价树枝状糖基配体的合成.     

基于环糊精的靶向药物传递系统

癌症等恶性增殖疾病的靶向治疗有赖于靶向药物传递系统（targeted drug delivery system,TDDS）的开发。环糊精具有低毒、易修饰等优良性质,并可通过与药物分子形成包合物而提高药物的溶解性、稳定性、安全性和生物利用度等,因而具有成为优秀药物载体的潜力。环糊精不仅可以以其本身或修饰环糊精的形式充当载体,还可通过聚轮烷、阳离子聚合物或纳米粒等形式构建有效的药物载体。肿瘤或人体某些病变部位的细胞表面存在过度表达的生物受体如叶酸受体、去唾液酸糖蛋白受体、透明质酸受体、转铁蛋白受体和整合素受体等,可以与其相应的配体产生特异性识别。用适当的化学方法将配体分子如叶酸、单糖或寡糖、透明质酸、转铁蛋白及RGD肽等键接在基于环糊精的载体上,可形成具有靶向性质的药物载体,进而与药物分子一起构筑靶向药物传递系统。这种药物传递系统不仅针对于化学治疗药物,在核酸传递中也得到了丰富的应用。本文综述了基于环糊精的靶向药物传递系统的靶向机理及最新研究进展,并对其发展前景作了展望。     

NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)上转换发光纳米晶在三元混合溶剂体系中的配体交换修饰及发光性质

选用2-胺乙基膦酸双官能团小分子作为配体交换剂,采用氯仿/乙醇/水三元混合溶剂体系下的配体交换修饰方法,解决了疏水纳米晶与亲水配体的有效接触反应问题,实现了上转换纳米晶的水溶性以及表面胺基功能化修饰.通过傅里叶变转换红外光谱和热重分析证实了表面配体分子的替换.透射电子显微镜和激光粒度分析结果显示,所得水溶性纳米晶具有粒径均一,水力直径小和分散稳定的特点.样品的发射光谱结果表明,配体交换过程对纳米晶的发光无明显影响,保持了良好的发光性能.通过荧光共聚焦成像技术实现了胺基修饰上转换发光纳米晶对HeLa细胞的光学成像,证实所得纳米晶适合于潜在的生物学应用.     

金纳米晶制备和表面修饰中的分子配体

配体在纳米晶的制备和表面功能化过程中起着至关重要的作用。本文对金纳米晶制备和表面修饰中常见的分子配体,如柠檬酸根、巯基化合物、表面活性剂、树枝状分子、生物分子等的研究进展进行了概述。重点介绍了不同分子配体在金纳米晶尺寸形貌控制及表面功能化等方面的特点和作用,并对相关研究领域未来的发展趋势进行了展望。     

半冠醚配体在Au(111)电极表面上的有序阵列的原位STM研究

利用电化学扫描隧道显微术(ECSTM)和循环伏安法, 研究了三个半冠醚配体在Au(111)表面上的吸附结构. 虽然配体分子的几何结构复杂、对称性较差, 但在Au(111)电极表面, 均形成了有序的阵列, 这是分子-分子间相互作用与分子-基底间相互作用平衡的结果. 高分辨率STM图像揭示了有序阵列中分子的内部结构、取向、排列方式等. 该研究为通过过渡金属调控的纳米结构制备提供了实验依据.     

氧化铁磁性纳米粒子的制备、表面修饰及在分离和分析中的应用

氧化铁磁性纳米粒子通过表面化学修饰得到无机、有机或聚合物壳包覆在其表面。其中的壳结构既具有生物适应性,又具有可键合生物分子如细胞、蛋白质、酶、抗体和核酸的活性基团,而核具有磁性特性。本文总结了氧化铁磁性纳米粒子的制备方法,介绍了其表面化学修饰及在分离和分析应用的最新进展。     

糖-蛋白质特异性识别在生物材料领域的应用

糖类不仅是组成生命体的基本物质之一,还是很多生理和病理过程中分子识别和细胞间相互作用的基础。糖的生物学功能可通过与蛋白质的相互作用来实现。这种可逆的特异性识别在信号传导、细胞粘附、增殖、分化、病菌感染和免疫应答等生命过程中具有重要意义。本文着重介绍了糖-蛋白质相互作用的种类和机理,综述了糖-蛋白质特异性识别作用在生物材料领域的应用进展,包括将糖类作为靶向分子修饰到纳米粒子或载体分子表面进行药物传递和基因转染,利用糖-蛋白质非共价作用力进行分子组装,以及制备糖基化表面用于调控蛋白粘附和细胞行为。由于糖类特殊的生物学性能和种类的多样性,基于糖-蛋白质特异性识别有望用于制备更加实用和智能的生物材料。     

活细胞单分子力谱研究阿托伐他汀对ICAM-1与CD11b相互作用的影响

调节细胞黏附的整合素蛋白CD11b与其配体ICAM-1的相互作用在动脉粥样硬化的炎症进程中起至关重要的作用.阿托伐他汀(Atorvastatin,ATV)作为他汀类药物中的主要成员,以其良好的降脂作用广泛应用于动脉粥样硬化疾病的临床治疗,同时大量证据表明ATV还具有独立的抗炎作用,但其具体分子机制尚未完全明确.我们应用活细胞单分子力谱法研究了ATV干预对ICAM-1/CD11b相互作用的影响.结果表明原子力显微镜(AFM)在活细胞表面测得单对黏附分子ICAM-1/CD11b的相互作用力值约为40pN,ATV不能通过直接阻断ICAM-1或CD11b影响其单分子黏附力,而抗ICAM-1单克隆抗体则有效降低了此对黏附分子作用力.此外,流式结果表明ATV干预有效抑制了肿瘤坏死因子(TNF-α)诱导的人脐静脉内皮细胞(HUVEC)表面ICAM-1表达增加.本研究建立的方法模型可作为活细胞体系研究临床药物影响细胞黏附分子间相互作用及抗炎机制的重要手段.     

纳米颗粒与蛋白质分子的相互作用

纳米技术的快速发展和广泛应用前景,引起了人们对纳米生物效应和安全性问题的普遍关注。为保证纳米技术的健康持续发展,纳米颗粒与生物体的相互作用以及产生的生物学效应不容忽视。为充分了解纳米颗粒物产生的生物学效应,阐明纳米颗粒如何进入生物体以及与生物体相互作用的分子过程至关重要。在总结国内外相关研究的基础上,本文介绍了纳米颗粒进入机体的主要途径,并系统综述了纳米颗粒与蛋白质分子的相互作用及其表征方法,以及纳米颗粒与蛋白质相互作用对蛋白质结构功能和纳米颗粒生物效应的影响。     

金属纳米材料表面配体聚集效应

金属纳米材料表面配体不仅可以稳定金属纳米颗粒,辅助合成特定尺寸和形貌的纳米材料,还可用于调控金属纳米颗粒的表面化学性质。由于现有表征技术的局限性,金属纳米材料表面有机配体的结构和功能一直以来并未被深入研究。得益于分子结构明确金属纳米团簇和其他模型纳米材料体系的发展,配体在金属纳米材料表面的精确配位结构及其对催化过程的促进作用正不断被揭示出来。金属表面有机分子配位不仅可以调控表面金属电子结构,还可以分割表面原子周期性结构。表面有机配体的聚集可以进一步在金属表面构筑3D空间结构,改变纳米材料亲疏水性,并影响催化底物和反应中间体与表面的相互作用强弱和吸附构型。此外,有机配体与表面金属所组成的界面还可以构筑新的活性位点,改变催化反应路径,从而提升催化反应活性和选择性。金属纳米材料表面有机配体的聚集效应使得异相纳米材料可以同时表现出均相催化和酶催化的优势。