从确定性到随机性的黏附接触理论

胶体、药物输运、细胞-病毒等体系中广泛涉及纳米颗粒与弹性固体表面之间的黏附相互作用.本文简要回顾了黏附接触理论的发展历史:已有的确定性黏附接触理论(如JKR,DMT等模型)预测,颗粒在低于临界分离拉力的作用下不会与基底分离,这一结论在颗粒特征尺寸减小到纳米尺度时不再适用.研究表明:当纳米颗粒与固体表面黏附的能量尺度接近环境热噪声的特征能量时,其界面黏附呈现出显著的尺寸效应和由此导致的随机性.基于经典的Kramers理论,建立了统计的黏附接触理论,将纳米颗粒与固体表面的黏附状态演化视为广义扩散过程,并用黏附寿命的概率分布描述黏附界面的相对强弱.两个纳米颗粒同时与弹性固体表面作用时,二者的黏附状态呈现明显的时空关联,可通过改变其中一颗粒的状态,间接调控另一颗粒的黏附寿命.     

细菌表面镀镍的透射电子显微镜与原子力显微镜表征

近年来微生物细胞由于尺寸小、几何外形标准多样和资源丰富等特点成为制备金属纳米结构或材料极具吸引力的生物模板. 以典型的革兰氏阴性菌——大肠杆菌为模板通过无电子化学镀成功制备了具有标准杆状外形的表面镀镍的纳米金属材料, 并利用原子力显微镜和透射电子显微镜对化学镀镍前后的大肠杆菌作了形貌学上的表征、测量与对比. 结果显示, 空白对照菌表面平整光滑并在云母基底表面表现出较显著的铺展效应; 经过活化和化学镀镍后的菌细胞表面粗糙度明显增大, 并在基本保持原有菌模板外形的基础上, 其高宽比有所增大. 超薄切片结果表明, 菌细胞表面的金属镍镀层分布均匀, 其厚度处于纳米量级.     

降低纳米毒性的途径及其机理研究进展

纳米材料广泛应用在光照疗法、光声成像、癌症的早期诊断、药物转运和组织工程学等领域,通过应用或无意释放的形式进入植物、动物、人体和生态环境,带来了潜在的环境和人类健康风险.在纳米材料广泛应用或释放到环境之前,亟需探索降低其生物毒性的方法和机理.本文通过对纳米颗粒的物理化学属性,包括尺寸、纯度、表面性质(表面电荷、亲疏水性和表面修饰)以及纳米材料与细胞相互作用的环境条件,包括暴露剂量、暴露时间、反应/作用介质等的调整来探讨降低纳米毒性的方法.同时从细胞及亚细胞结构的生理生化损伤、氧化应激、基因、蛋白质和代谢5个方面来阐述纳米颗粒产生毒性及降低其毒性的途径、机理,并对今后降低纳米毒性的相关研究进行展望.     

纳米颗粒与细胞的交互作用

与大块材料相比,纳米尺度材料有着独特的光学、电学、力学和生物学性质,这使得纳米颗粒在药物输运和肿瘤成像等医学方面展现出巨大的应用前景.同时,愈来愈多的工业化纳米颗粒和纳米材料的制备,使得其生物安全性也受到很大的关注.由于纳米颗粒进入体内后的作用发生在细胞层面上,这要求我们很好地去理解纳米颗粒与细胞之间的相互作用.大量的实验表明,纳米颗粒吸附在细胞膜表面,并通过不同方式被细胞所摄取.纳米颗粒的尺寸、形状、表面化学性质、表面电荷分布、拓扑结构以及颗粒弹性性能等都对两者间的相互作用有着显著的影响.本文简要介绍颗粒进入细胞的路径,着重阐述影响颗粒/细胞交互作用的关键因素,并对后续的研究方向进行展望.     

基于惯性微流原理的微流控芯片用于血浆分离

血浆是临床生化检验中一类广泛使用的样品, 从全血中分离血浆是生命医学研究领域中一项非常重要的技术. 惯性微流(inertial microfluidics)原理的主要特点是无需施加任何外力如电磁力等, 仅依靠液体流动就可以在微通道内实现一定尺寸的微粒或细胞的聚焦流动. 本研究基于惯性微流原理, 设计并制备了具有不对称弯管结构通道的微流控芯片. 采用制备的荧光微球作为模型样品考察了装置的性能, 发现尺寸越大的微球保持惯性聚集流动的流速范围也越大. 在此基础上, 利用发展的芯片平台成功实现从稀释的血液样品中将血浆分离. 使用芯片对样品进行两次分离, 即二级分离后, 血液中血红细胞的分离效率超过90%. 该装置具有结构简单、体积小巧、操作方便等特点, 不仅可以快速分离血浆, 而且对血细胞基本无损, 易于作为功能模块与现有的一些芯片实验室(lab on a chip, LOC)系统集成结合.     

纳米技术在癌症诊疗一体化中的应用

癌症的早期诊断与高效无毒的药物治疗是目前癌症诊疗的最大挑战,纳米技术的快速发展为癌症诊疗带来了新的希望.通过优化材料构建稳定、高效和安全的纳米载体,利用纳米载体结合抗癌药物和高准确度的癌症诊断探针,整合药物靶向运输、活体示踪、药物治疗和预后监测等功能于一体的多功能纳米体系将是未来的研究趋势,这将为有效地提高药物呈递效率和减轻药物毒副作用提供强有力的支持.本文总结了人类癌症治疗所面临的巨大挑战,综述了量子点、纳米金/银、碳纳米管/石墨烯、磁性纳米颗粒、脂类/聚合物类纳米颗粒以及介孔纳米材料等纳米颗粒的最新研究进展及其在癌症诊疗一体化领域的研究成果,并对纳米技术在癌症诊疗一体化的发展趋势进行了展望.纳米诊疗体系正在不断走向完善,而且未来会有更多的纳米体系用于癌症的诊断与治疗,但将安全可靠和高效低毒纳米体系应用于临床诊断和治疗,还应对纳米体系对人体细胞、组织、脏器的影响,量化和标准化生产等基础问题进行深入探究.     

自驱动微纳米马达的设计原理与结构简化方法

自驱动微纳米马达由于其自主运动特性,在药物运输、生物传感、细胞分离、微手术和环境治理等方面有着重要的应用前景.本文通过分析自驱动微纳米马达的气泡反冲和自泳等各种驱动机理,指出设计制备自驱动微纳米马达的关键是在微纳米粒子周围构建非对称场;重点综述了自驱动微纳米马达从双面神结构和多层管状结构到各向异性单组分结构和各向同性粒子的结构演变与简化历程,并对其发展和应用前景做出了展望.     

亲和层析的定量分析

亲和层析技术广泛地用于多糖蛋白质，核酸，激素，维生素和细胞等的分离与纯化。近年来，亲和层析技术逐渐被用于定量分析，并且在生物和临床医学的研究的研究及对某些疾病进行检验和诊断中获得了成功。     

含微量过渡元素的铁基纳米晶合金性能的研究

近年来,具有纳米级晶粒尺寸的多晶材料的研究引起了人们极大的兴趣。很重要的原因是晶界已成为该材料中一项不可乎略的组元。这些材料中大量晶界的存在导致许多与微结构特性有关的性能发生变化,如反常Hall-Petch关系的发现。Lu等提出了利用非晶晶化法制备大块纳米晶合金,即通过控制热处理工艺使非晶条带、丝或粉晶化成具有一定晶粒尺寸的纳米晶材料,为直接生产大块纳米晶合金提供了可能性。本文利用该方法成功地制备了晶粒尺寸在15-250nm范围内的Fe-TM-Si-B(TM-Cu,Mo)多晶合金,并研究了显微硬度     

闭合式无线纳米孔电极检测单个外泌体

单个体电化学通过在限域电化学测量界面上检测单个纳米粒子、单个脂质体、单个细胞等的电化学特性,实现对单个体各向异性的研究.这种高度灵敏的电化学方法能够快速测量并区分纳米级单个体的大小和表面电荷等.目前,已在单颗粒催化、环境监测和细胞分析等领域得到应用.本研究通过使用尺寸可控的石英纳米孔作为模板,将贵金属金沉积在石英纳米孔尖端,以形成用于单个体测量的纳米级电化学限域界面,从而制备具有高灵敏度的闭合式无线纳米孔电极.利用该电极构建了单个体电化学测量体系,实现了单个外泌体的检测,获得了信噪比高达25.1的单个外泌体碰撞信号,电化学测量平均电流幅值为15.1 pA,单个信号持续时间为0.4 ms,从而实现了单个外泌体与纳米电极间动态相互作用的实时测量.     

“摇铃形”金复合纳米二氧化硅在细胞和组织暗场成像中的应用

金纳米颗粒因其具有独特的物理化学及光学性质, 在生物影像、癌症诊断治疗等领域表现出极大的应用前景, 但因小尺寸纳米金颗粒(<20 nm)在生理体液环境中稳定性较差、体内安全剂量低、被动靶向效果不明显等问题, 使其在体内成像, 尤其在活体肿瘤部位成像中受到较大局限. 本文针对上述问题, 将13 nm金颗粒生长在具有特殊核壳结构的夹心二氧化硅空腔之内, 形成具有新型结构的“摇铃形”金复合纳米二氧化硅(silica nanorattles@gold nanoparticles, SN@GN), 既保留金纳米颗粒的强散射特性以利于细胞和动物组织中实现暗场成像, 同时二氧化硅壳层将金颗粒保护起来, 提高了纳米颗粒的稳定性. 细胞毒性实验表明SN@GN的细胞生物相容性良好, 毒性低. 动物急性毒性实验表明, SN@GN的最大耐受剂量大于200 mg/kg, 而GN的体内最大耐受剂量仅为4.6 mg/kg, 显著提高了金纳米颗粒的生物相容性. 本研究为SN@GN在生物暗场影像领域的应用提供了重要的实验依据.     

纳米金等离子共振特性在生物成像中的应用

随着生物医学的发展, 科学研究对生物成像技术和成像分辨率的要求越来越高, 纳米技术和材料被越来越多地应用到生物医学领域中来. 在细胞和生物组织的成像分析中, 纳米金由于其特殊的表面等离子共振特性和优良的生物相容性, 常被用作对比剂、靶向载体、增强剂、示踪剂和传感器而广泛应用于生物成像领域中. 我们将课题组的研究方向与目前该领域的研究热点相结合, 从纳米金辅助细胞及细胞内成像和动物活体成像两个方面就纳米金在生物成像、医学诊断等领域中的应用进展进行了阐述.     

一种新型的非病毒DNA传递载体:多聚赖氨酸-硅纳米颗粒

DNA传递是基因表达与功能研究及其医学应用的重要技术。安全高效的DNA传递一直是人们梦寐以求的目标，伴随纳米生物技术发展而产生的纳米DNA传递载体为此带来了新的希望。通过OP－10／环己烷／氨水微乳液体系合成了不同粒径的硅纳米颗粒，并利用正交分析阐明了该体系中各组分对硅纳米颗粒粒径及其分布的影响；成功地在小粒径（约20nm）硅纳米颗粒表面修饰上多聚赖氨酸，研制出复合纳米材料－多聚赖氨酸－硅纳米颗粒。DNA结合分析及DNaseI消化实验发现，多聚赖氨 酸－硅纳米颗粒能有效结合和保护DNA。细胞转染实验发现，它能高效传递DNA进入HNE1细胞，并产生高水平的绿色荧光蛋白表达。这些结果表明多聚赖氨酸－硅纳米颗粒是一种．新型的非病毒纳米DNA传递载体，并将可能在基因表达与功能研究及基因治疗等领域发挥重要作用。     

核酸适配体功能化的脂质体负载上转换颗粒用于肿瘤靶向成像

核酸适配体是一类能够与靶标物高特异性地结合的寡核苷酸序列,可作用于金属离子、小分子化合物、蛋白质及细胞等.由于对靶标物具有高选择性,核酸适配体可赋予递送体系靶向特异性,同时增加递送药物及成像试剂在肿瘤组织内的富集,在分子诊断和体内靶向治疗等生物医学领域具有很大的应用潜能.本文基于聚丙烯酸(PAA)修饰的NaYF4:Yb/Er/Nd@NaYF4:Nd上转换纳米颗粒(UCNPs-PAA),将其封装于AS1411核酸适配体修饰的脂质体(Apt-Lip)中,构建了一种近红外(NIR)光激发的光学成像及靶向识别的UCNPs@Apt-Lip多功能纳米平台.透射电子显微镜、水合粒径、Zeta电势及共聚焦实验图表明成功制备了具有独特的核@空腔@壳构造的纳米体系.流式细胞仪和靶向细胞荧光共聚焦成像实验结果表明UCNPs@Apt-Lip材料对人乳腺癌细胞具有很强的靶向识别及荧光成像的能力.该多功能纳米平台具有上转换发光成像的可动核心,中空内腔和靶向壳层等独特性能,有望推动其在光催化纳米反应器、药物输送、肿瘤治疗等领域的发展.     

癌症个体精准化诊治的挑战和癌细胞纳米生物力学研究的应用前景

中国癌症负担日益加重的今天,临床上急需可以实现癌症早诊早治的方法以及可以在癌症各阶段对患者预后进行精确评估的手段.目前的癌症诊断金标准——病理学诊断对预后的评估能力有限,难以满足临床个体化治疗的要求.即使使用二代测序等先进的基因分析技术,所得的信息也往往是间接和局部的,无法在单细胞水平上对癌细胞的生物学行为,尤其是侵袭或转移的能力进行准确的判断.得益于近年来纳米和微流控技术的发展,研究人员在少量的细胞与组织样品上即可进行细胞生物力学性质与肿瘤微环境的定量分析,进而预测癌细胞的侵袭转移能力,对患者的预后进行快速精准评估.同时,也有研究发现,通过检测肿瘤细胞的生物力学性质,可以评估肿瘤细胞的耐药性和治疗反应.为应对目前临床对肿瘤诊断与治疗的新要求,本文阐述了癌细胞生物力学的分子机制基础研究与其在癌症诊治中可能的应用与展望.     

纳米颗粒表面活性剂对T型微通道中液滴分裂的影响

液滴分裂是微通道中获得单分散小尺寸液滴的重要方法,纳米颗粒表面活性剂能够包裹液滴,是制备功能胶囊的潜在技术手段,研究纳米颗粒表面活性剂作用下的液滴分裂行为对于获得尺寸更小、分散性更好的功能液滴具有重要意义.本文通过微流体可视化实验和理论分析方法,研究纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响规律.在纳米颗粒表面活性剂作用下,液滴分裂存在阻塞分裂、过渡态分裂、非阻塞分裂、不分裂4种状态;通过分析液滴颈部宽度随时间的变化关系,得出纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响机理,即通过降低界面张力影响挤压颈缩速率;通过分析基于液滴尺寸与毛细数的液滴分裂状态分布相图,建立了液滴阻塞分裂与非阻塞分裂的临界转化理论模型.     

镶嵌在SiO_2薄膜中的纳米InSb颗粒的制备

用射频磁控测射的方法制备了镶嵌在SiO2 薄膜中的纳米InSb颗粒 .透射电子显微镜观察表明 ,纳米InSb颗粒均匀地镶嵌在SiO2 介质中 .通过控制热处理的条件 ,可以得到具有不同颗粒尺寸的InSb纳米颗粒 .InSb颗粒的尺寸与热处理温度和时间成正比 ,但是并不满足t1/3 的关系 .另外 ,还通过X射线衍射以及X射线光电子能谱对InSb SiO2 复合薄膜的结构和成分进行了分析     

蒙脱石载体对“核-壳”结构零价铁纳米颗粒制备及其尺寸控制的影响与机理

以蒙脱石为载体和分散剂, 通过硼氢化钠化学液相还原三价铁离子成功制备了负载在蒙脱石上的零价铁纳米颗粒. 所得零价铁纳米颗粒不含硼化物杂质, 具有较高的单分散性, 且在蒙脱石上分散良好. 铁颗粒本身具核-壳结构, 内核为单质铁, 外壳为铁氧化物. 外壳厚度保持在3 nm左右, 赋予铁纳米颗粒较强的抗氧化能力. 通过控制三价铁离子用量可对所得铁纳米颗粒尺寸进行调节, 这种调节主要与蒙脱石所起分散作用有关.     

纳米SnO_2固体低温内耗和模量特征

一、前言 纳米固体是由纳米量级的小颗粒压制而成,颗粒之间的分界面占很大的比例。由于小尺寸效应和界面效应使纳米固体比同样成分的传统宏观固体性能优越,纳米SnO_2固体的气敏特性具有灵敏度高、响应速度快的特点,并随颗粒尺寸减小这种特性愈来愈明显。为了探索纳米SnO_2固体的气敏特性与界面的相关性,研究纳米固体的界面结构和弛豫行为显得十分重要。     

多功能纳米CT造影剂的研究进展

计算机断层扫描(CT)具有适用面广、价格相对低廉、高效性和高分辨率等特点,是使用最广泛的无创临床成像技术之一.尽管CT的分辨率远高于传统X射线和其他几种成像技术,但因为成像原理的限制,CT很难分辨软组织的微小变化.为增强软组织的对比度,提高疾病诊断的准确性,人们研制了多种CT造影剂.临床上最早使用的CT造影剂是小分子碘化物,但它们具有毒性和循环时间短的缺点限制了其进一步应用.开发纳米尺寸的造影剂能有效增加循环时间,降低造影剂副作用.除了含碘纳米粒子,基于重金属的纳米粒子,如金、钽、镧系、铋等均可作为高效的CT造影剂.这类新型纳米CT造影剂具有更好生物相容性和更长循环时间,在血管和肿瘤的可视化成像中有十分明显的优势.此外,将CT和其他成像技术,如磁共振成像和超声成像等联合使用,则可以实现优势互补,为临床诊断提供更精确、清晰的图像,为疾病的诊治提供更多个体化诊断信息.考虑到目前疾病诊治,尤其是癌症诊治方面存在的问题,整合了诊断和治疗功能的诊疗一体化制剂更适合临床应用.将CT成像和各种治疗方式结合在一起,即开发基于CT成像的多功能诊疗制剂,可以实现对疾病的实时成像和监控治疗.本文介绍了CT成像的基本原理和当前常用的几种CT造影元素,包括碘、金、铋、钽、镧系元素等,综述了目前多功能纳米CT造影剂的研究现状、发展趋势和面临的问题.