纳米材料生物效应及其毒理学研究进展

纳米科学与信息科学和生命科学并列, 已经成为21世纪的三大支柱科学领域. 由于纳米材料独特的物理化学性质, 纳米尺度及纳米结构的材料乃至器件, 已逐渐走出实验室, 进入人们的生活. 这些具有独特物理化学性质的纳米材料, 对人体健康以及环境将带来的潜在影响, 目前已经引起科学界, 乃至政府部门的广泛关注. 文中分析综述了几种纳米材料(纳米TiO₂、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管及超细铁粉)目前已取得的部分生物效应及毒理学的研究结果, 包括纳米材料在生物体内的分布、作用的靶器官、纳米材料引起的细胞毒性、细胞凋亡等. 文中还评价了纳米颗粒的生物毒性. 纳米颗粒的尺寸越小, 显示出生物毒性的倾向越大; 尽管碳纳米管是由石墨层卷成的圆筒, 但是根据石墨的安全剂量来外推碳纳米管的安全剂量是不可行的, 碳纳米管的生物毒性远大于石墨粉; 表观分子量高达60万的水溶性纳米碳管, 在小鼠体内却显示出小分子的生理行为; 一种正在研究的磁性纳米颗粒在动物体内显示出迅速团聚、堵塞血管等现象. 纳米材料在生物体内呈现出的这些生理现象, 仅利用现有的知识尚无法解释. 最后还介绍了纳米物质生物效应(包括毒理学, 安全性)研究的部分实验方法; 展望了该新领域今后的发展方向和亟待研究的重要问题.     

纳米材料有毒吗

介绍了纳米材料的一些应用和几种主要纳米材料（如纳米TiO2、碳纳米管、纳米铁粉等）目前已取得的部分生物效应及毒理学的研究结果;讨论了纳米材料对人体和环境带来的潜在影响,及纳米颗粒材料未来的毒性研究重点,并对纳米材料安全性进行了展望。     

碳纳米材料的细胞生物效应

碳纳米材料包括富勒烯如C60、金属富勒烯、碳纳米管及其衍生物等.这一类纳米材料不仅在环境和生物医学领域已有大量的基础研究成果,而且具有广泛的应用前景.因此,理解它们与细胞相互作用的过程和相互作用机制,对阐明它们的生物医学功能十分重要.尤其是这类纳米颗粒是否能够进入细胞,如何进入细胞,在细胞内的定位,以及对细胞的生物学功能有何影响,本文对这些问题,从不同的方面进行了综述和探讨.为这类纳米材料的生物医学应用提供了较为系统的基础知识.     

富勒烯衍生物纳米颗粒水悬液对细菌生长的抑制作用

富勒烯纳米颗粒的生物学效应受到了广泛关注。本文首次测定了二加成亚甲基富勒烯[60]二膦酸四乙酯(bis-methanophosphonate fullerene, BMPF)的纳米水悬液（nano-BMPF）和富勒醇纳米水悬液（nano-fullerol）对细菌生长的影响。结果显示,nano-BMPF和nano-fullerol在黑暗条件下可抑制革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌的生长,且呈现浓度梯度依赖性,半抑制浓度IC50值分别为9.1 μM和4.2 μM;nano-fullerol对金黄色葡萄球菌生长的抑制可能与活性氧无关, nano-BMPF对金黄色葡萄球菌生长的抑制则可能与超氧阴离子自由基(O2.-)有关。在黑暗条件下二者对革兰氏阴性菌大肠杆菌的生长无影响。以上结果表明,这2种富勒烯衍生物纳米颗粒作为抗生素在生物医用领域具有潜在的应用前景。     

单细胞水生生物金属纳米颗粒的定量分析

人类活动释放的金属纳米颗粒不可避免地进入水环境中。大量研究表明,金属纳米颗粒会对水生生物产生生殖毒性和遗传毒性等,金属纳米颗粒还可能沿着食物链传递,对环境生物和人类健康造成威胁。细胞内金属纳米颗粒定量分析是研究金属纳米颗粒生物效应的重要基础。此外,单细胞之间存在异质性,具有特殊生理特性的细胞个体可能影响细胞群体的命运。而基于细胞群体平均值的定量分析则忽略了细胞个体的异质性,遗漏了对群落具有重要功能的细胞群体信息。因此,在单细胞水平上定量分析水环境中底层营养级的单细胞微生物细胞内金属纳米颗粒,对认识金属纳米颗粒与水生生物的相互作用,评估其进入食物链的潜在风险至关重要。本文梳理了已用于单细胞水生生物体内金属纳米颗粒的单细胞定量分析方法,阐述了它们的工作原理和在相关研究中的应用,总结了各方法的优缺点,期望为今后相关研究的方法选择提供参考,最后展望了该领域未来的研究方向。     

环境中典型人工纳米颗粒物毒性效应

随着纳米技术和纳米材料在工业和生活中的大规模应用,大量的人工纳米颗粒物将不可避免地释放到环境介质(如水体、土壤、沉积物等)中。纳米颗粒物所具有的独特性质已引发人们对它们可能造成的健康风险和环境危害的关注和讨论。本文对目前环境中存在的几种主要典型人工纳米颗粒物的性质、来源、纳米毒性及影响纳米毒性的因素进行详细介绍,阐述了纳米颗粒物对生物的可能致毒机理。在分析纳米颗粒物毒性影响因素过程中,提出了纳米材料在环境中相关毒性研究展望。最后文中总结目前纳米材料在环境中的行为和毒性研究中所存在和面临的问题,并在此基础上提出将来纳米材料毒性的研究方向(如纳米材料的定量结构-活性关系,纳米材料表征技术及慢性毒性研究等)及需要改进的相关建议。     

纳米颗粒物的中枢神经毒性效应

随着纳米科技的迅速发展,纳米颗粒物的安全性评价备受人们关注,而由于中枢神经系统有可能是纳米颗粒作用的潜在靶器官,纳米颗粒的中枢神经毒性效应已成为研究热点.本文首先总结了纳米颗粒进入中枢神经系统的可能途径,从生物整体水平和细胞水平分析了纳米颗粒对中枢神经系统的毒性效应研究以及可能的机制.最后讨论了目前的实验研究中所存在的问题与缺陷,并对纳米颗粒的中枢神经毒性效应方面的研究方向进行了探讨.     

碳纳米材料的同位素标记及其在纳米毒理分析研究中的应用

碳纳米材料因独特的物理化学性质,而成为纳米产品中使用最多的纳米材料之一.这些纳米材料不可避免地通过各种途径进入环境,其生物安全性研究是碳纳米科技健康发展亟待解决的关键科学问题.寻找和建立针对环境生物体系中碳纳米材料高灵敏、本征的定量检测方法,获得与环境生物体系相关的数据,是推动其环境纳米生物效应和安全性研究的关键.在纳米毒理学研究中,同位素标记分析方法是一种不可替代的定量分析方法,尤其对碳纳米材料,具有独特的优势.结合现代分析技术,可本征、快速、准确、高灵敏地对其纳米生物效应与毒理学进行研究.本文综述了典型碳纳米材料的放射性同位素和稳定性同位素标记技术和方法、检测方法及其在碳纳米材料结构形成、生物体内定量吸收、分布、转化和排泄等纳米生物效应与毒理学分析研究的相关应用,并展望了同位素标记技术在碳纳米材料的毒理学研究和环境健康效应研究中的应用.     

人工纳米材料与植物的相互作用:植物毒性、吸收和传输

近十几年来纳米科技取得了突飞猛进的发展,人工纳米材料的应用日益广泛,势必导致大量纳米材料进入生态环境中,因此纳米材料可能带来的环境污染和生态效应也受到了高度关注。越来越多的研究表明,纳米材料对微生物、水生和陆生动物和植物都具有一定的毒性效应。植物是生态系统的重要组成部分,一方面纳米材料可能影响植物的发育与生长;另一方面,植物的代谢活动会影响纳米材料在环境中的迁移转化行为及其在食物网中的传递。但是,目前关于纳米材料与植物相互作用的研究还十分匮乏,多数研究只局限于相互作用导致的表观现象,例如:毒性的研究多关注于纳米材料对植物或植物细胞的表观毒性效应,缺乏对致毒机制的探讨;纳米材料的植物吸收和传输研究也仅停留在现象观察阶段,缺乏对吸收与传输机理的深入研究。而且很多研究结论还存在较大的争议,因此非常有必要对相关的研究进展与结论做全面梳理。本文综述了近年来关于纳米材料与植物相互作用的研究,从植株到植物细胞水平讨论了不同纳米材料对植物的毒性效应以及纳米材料的植物吸收和传输过程。     

稀土纳米材料与植物相互作用研究进展

稀土纳米材料被广泛使用,目前已大量进入环境,并可能对环境产生负面影响。植物是生态系统的基本组成部分,它与稀土纳米材料的相互作用应受到更为广泛的关注。稀土纳米材料被认为可进入植物体内,但途径尚存在争议;这类材料被认为具有植物毒性,但致毒机制尚不明确。稀土纳米材料还能产生代际效应、食物链传递过程等,关系着食品安全。就近年来植物吸收、迁移、转化稀土纳米材料进行了综述,同时评述了稀土纳米材料的植物毒性效应、代际效应及食物链传递机制。     

A carbanion induced synthesis of highly congested pyrazole and imidazole containing heterocycles

An efficient approach to the synthesis of highly congested di, penta and hexacyclic pyrazoles as well as imidazole fragment containing novel heterocyclic molecule has been developed through a carbanion induced transformation of suitably functionalized 2H-pyran-2-ones, benzo[h]chromene and thiochromeno[4,3-b]pyrans. Due to the presence of fluorescence, we report their prime application metal sensor as off/on switching in ferric ions.     

Selective synthesis of 4,5-dihydroimidazo- and imidazo[1,5-a]quinoxalines via modified Pictet–Spengler reaction

An efficient tandem approach for the selective synthesis of 4,5-dihydroimidazo[1,5-a]quinoxalines 6a–g and imidazo[1,5-a]quinoxalines 7a–h by the reaction of 2-imidazolyl anilines 4a–c with aryl aldehydes 5a–k under mild reaction conditions is described. Introduction of electron releasing alkyl groups in substrates 4a–b was found to be instrumental for the success of the reaction.     

Understanding the Diels-Alder reactivity of 1,2-azaborine analogues

The Diels-Alder reactivity of 1,2-heteroborines (H₄C₄B(H)X, X?=?NH, PH, AsH; O, S, Se) has been computationally explored by means of Density Functional Theory (DFT) calculations. The influence of the HB?=?X fragment on the reactivity of the system has been quantitatively analyzed in detail by means of the so-called Activation Strain Model (ASM) of reactivity. It is found that the interaction between these species and the dienophile is significantly stronger than that computed for their all-carbon isoelectronic counterpart, benzene. In addition, the strain energy plays a key role in the observed reactivity trends. The role of the aromaticity strength of these heteroarenes on the reactivity is also assessed.     

Synthesis of N-substituted carbazolones from α-iodo enaminones via Pd(0)-catalyzed intramolecular coupling under microwave irradiation

A variety of N-aryl and N-alkyl carbazolones were conveniently achieved in good to high yields via Pd₂(dba)₃-mediated intramolecular coupling of N-substituted α-iodo enaminones under microwave irradiation. The Pd(0)-catalyzed cyclization was found to proceed favorably with the more electron-deficient phenyl ring during the reactions involving unsymmetrical N,N-diaryl α-iodo enaminones. This unique property enables the construction of carbazolone skeleton containing nitro substituted benzenoid ring.     

Synthesis of substituted 2,4,5,6-tetrahydrocyclopenta[c]pyrazoles and 2,4,5,6-tetrahydropyrrolo[3,4-c]pyrazoles by intramolecular nitrilimine cycloaddition

Both substituted 2,4,5,6-tetrahydrocyclopenta[c]pyrazoles and 2,4,5,6-tetrahydropyrrolo[3,4-c]pyrazoles have been synthesized by the 3+2 intramolecular dipolar cycloaddition of nitrilimines to alkynes. This cyclization has been extended to more versatile 3-bromo derivatives by the use of alkynylbromides as dipolarophiles.     

Catalyst free,visible-light promoted photoaddition reactions between C60 and N-trimethylsilylmethyl-substituted tertiary amines for synthesis of aminomethyl-1,2-dihydrofullerenes

An efficient and benign method for the preparation of aminomethyl-substituted fullerenes has been developed. The process, involving catalyst free, visible-light irradiation of 10% EtOH-toluene solutions containing fullerene C₆₀ and N-trimethylsilylmethyl-substituted amines by using a 20 W compact fluorescent lamp, leads to formation of aminomethyl-substituted fullerene adducts in a highly efficient manner. The photoaddition reaction takes place via a pathway initiated by visible light absorption by C₆₀, followed by SET from the amine to the triplet excited state of C₆₀. Ethanol-promoted desilylation of the resulting a minimum radical then generates the corresponding α-amino radical which couples with the C₆₀ radical anion to form the anion precursor of the fullerene adducts. The new approach using visible-light takes place under mild conditions and it does not require the use of photocatalysts. Thus, the method developed in this effort could broadens the range of functionalized fullerene derivatives that can be readily prepared.     

Highly efficient and stereoselective cycloaddition of nitrones to indolyl- and pyrrolylacrylates

The reactions of various nitrones with indolyl- and pyrrolylacrylates proceeds regioselectively with high diastereoselectivity in the case of aldonitrones, and represents an effective method for obtaining new indolyl- and pyrrolyl-substituted isoxazolidine carboxylates stabilized by weak (CH?O) and moderate (NH?N) strength intramolecular hydrogen bonding. The resulting cycloadducts exhibit promising in vitro anti-influenza activities.     

Transition metal-free direct amination of benzoxazoles using formamides as nitrogen sources

A transition metal-free method for the direct amination of benzoxazoles using formamides as nitrogen sources is reported, which was mediated by an inexpensive and environmentally friendly tetrabutylammonium iodide/tert-butyl hydroperoxide system and gave the 2-aminobenzoxazole derivatives with moderate to good yields.     

l-Proline-catalyzed five-component domino reaction leading to multifunctionalized 1,2,3,4-tetrahydropyridines

Multifunctionalized 1,2,3,4-tetrahydropyridines are concisely synthesized in good yields via l-proline-catalyzed or l-proline/FeCl₃-cocatalyzed one-pot multicomponent reactions (MCRs). The MCRs involve a domino hydroamination/prins reaction/Mannich-type reaction/intramolecular dehydration-cyclization process. The molecular structure of 5baa, one of multifunctionalized 1,2,3,4-tetrahydropyridines, was confirmed by single-crystal X-ray diffraction.     

Studies of Photoionization of CF3 I by Femtosecond Time-resolved Mass Spectrometry

The multi-photon dissociative photoionization dynamics of CF3I has been studied with femtosecond two-color pump-probe time of flight mass spectra at a pump pulse of 265 nm and a probe pulse of 398 nm. The life constants of CF3I+ and its fragment ions CF3+ and I+ are obtained as (96±7), (198±130) and (167±6)fs, respectively. The multi-photon dynamics leading to these ions differ. CF3I+ corresponds to a (1+2′) transition with one-photon pump excitation to the A band of CF3I. CF3+ are mainly formed by a tow-photon probe excitation to the CF3+ with subsequent dissociation of parent ions. I+ are produced in (2+2′) combined with (1+1′+2′) process. The results provide information on the multi-photon pathways involved.