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《江南大学》 2018年
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基于无机氧化物纳米添加剂尺寸效应的细胞膜受损研究

宋娇阳  
【摘要】:在食品工业中,有一类以二氧化钛(Titanium Dioxide,TiO_2)、氧化锌(Zinc Oxide,ZnO)、二氧化硅(Silicon Dioxide,SiO_2)三种无机氧化物为代表的食品添加剂,广泛应用于烘焙、糖果、速溶饮品、乳制品、休闲零食及食品抗菌包装等的生产加工中。随着纳米技术的飞速发展,这类无机氧化物食品添加剂的尺寸逐渐趋于纳米化,已有大量纳米级颗粒从部分食品及添加剂中检出。与大尺寸颗粒相比,纳米颗粒因尺度较小而具有多种特殊理化性质,当人体接触这类纳米颗粒后,可能会对机体产生不利影响。因此,食品中的无机氧化物纳米添加剂作为可能被人体摄入的纳米颗粒来源之一,亟需对其进行相关安全性评价。在对纳米颗粒安全性评价中,已知毒理机制有金属离子溶出机理、DNA损伤机理、紫外光催化氧化机理等。在前期研究的基础上,本课题认为基于无机氧化物纳米颗粒尺寸效应导致的细胞膜受扰损伤是纳米颗粒的重要细胞毒理机制之一,为了深入研究不同尺寸的颗粒与细胞膜的相互作用情况,本课题以不同尺寸的TiO_2、ZnO、SiO_2颗粒及细胞膜(真实细胞膜、模型细胞膜、模拟细胞膜)为主要研究对象,相关研究内容及结果如下:(1)利用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、Zeta电位仪、X射线衍射仪(XRD)对本实验体系中各无机氧化物颗粒(TiO_2、ZnO、SiO_2)进行尺寸形貌、电位及晶型表征。结果表明,TiO_2、ZnO颗粒各具有3组不同纳米尺寸,SiO_2颗粒具有5组不同纳米尺寸;同时,同种无机氧化物颗粒均具有相同的电性及晶型表现。(2)将不同尺寸的各无机氧化物颗粒作用于人结肠腺癌细胞Caco-2,对含真实细胞膜体系的细胞受损情况进行初步安全性评价。结果表明,通过细胞活力检测(CCK-8)及乳酸脱氢酶(LDH)检测,大多数颗粒可引起细胞活力的降低及对细胞膜完整性的损伤,且这种损伤具有尺寸效应,较小尺寸颗粒对细胞膜的损伤相对更大,且显微镜下可观察到颗粒吸附在细胞膜表面。(3)将不同尺寸的三种无机氧化物颗粒作用于仅含磷脂双分子层的磷脂巨囊泡(GUV),进一步对此模型细胞膜体系进行受损评价。激光共聚焦显微镜(CLSM)下均可观察到同尺寸效应密切相关的GUV受扰渗漏现象,同时还观察到颗粒吸附、镶嵌于GUV膜表面并引起GUV出芽、形变、磷脂聚集、产生微管等现象,均表明组成GUV的磷脂分子正常自组装状态受到影响。此外,通过颗粒作用于不同电性GUV,还发现了静电相互作用具有的重要影响,即静电相互吸引或排斥会导致颗粒对膜双层结构破坏的增强或减弱。(4)最后,通过计算机模拟手段,以粗粒化模型构建不同尺寸纳米颗粒及磷脂双层膜结构,进一步研究纳米颗粒同模拟细胞膜的相互作用过程。结果发现,尺寸相对较小的颗粒在作用于磷脂膜的初始阶段对磷脂膜的扰动更为剧烈,随后可更迅速穿过磷脂双层膜,对膜结构造成损伤。综上,本研究从对真实细胞Caco-2的初步安全性评价,再到构建不含众多细胞器及其它物质的模型细胞膜体系GUV,最后到研究计算模拟条件下的微小空间和时间尺度中,单一颗粒同膜相互作用行为及过程,逐步探明了因尺寸效应产生的细胞膜受扰损伤机制,即颗粒可通过镶嵌、吸附甚至穿过磷脂膜的方式对细胞膜产生扰动作用,且随着颗粒尺寸的减小,更易扰动细胞膜表面磷脂分子的自组装及有序度使细胞膜受扰破损,引起细胞内外物质的渗漏从而产生细胞毒性,对机体存在潜在风险。在实际生产应用中,本研究能够为此类无机氧化物纳米添加剂的生产设计及安全标准的制定提供理论支持和指导。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TS202.3

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