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无机纳米颗粒基于电荷传递的细胞毒性机制

赵玉华  
【摘要】:随着纳米科技的发展,无机纳米颗粒被广泛应用于人类生活和生产的各个方面。大量的研究数据表明,很多无机纳米粒子都具有显著的毒性,对生态环境和人体可能带来潜在危害,然而人们对于无机纳米粒子的细胞毒性机制尚不明确。本论文选择革兰氏阴性菌(大肠杆菌)、革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)以及哺乳动物细胞(小鼠腹腔巨噬细胞RAW264.7),对几种代表性的无机纳米颗粒(Au,Ag,Pt,ZnO,TiO_2,Fe_2O_3)的抗菌性和细胞毒性进行系统评价,旨在揭示无机纳米颗粒物理化学性质和其生物效应之间的相关性。研究内容主要分为以下四个部分:(1)无机物质及相应纳米颗粒抗菌性和细胞毒性主导机制的探究。利用抑菌圈、最小抑菌浓度、细菌失活动力学常数、MTT技术评价上述纳米颗粒的抗菌活性和细胞毒性。通过对经由纳米颗粒溶解饱和的液体培养基的抗菌性评价试验排除纳米颗粒溶解毒性机制的主导作用。通过对纳米颗粒分散液体系的羟基自由基产生能力进行评价,并与抗菌活性进行对照,锁定活性氧物种(ROS)主导的毒性机制。(2)ROS毒性机制研究。利用对苯二甲酸作为荧光探针分子,基于荧光测量,检测纳米颗粒体系中羟基自由基的产生。利用有氧和无氧气氛下纳米颗粒分散液自发的和电化学诱导的羟基自由基生成实验,证明了羟基自由基的产生来源于氧气分子的还原。设计一系列电化学测试实验(主要包括开路电压测试、计时电流测试)研究无机物质与微生物细胞间的电荷传递过程。设计电化学诱导的羟基自由基生成实验对比研究不同无机物质羟基自由基生成能力。通过厌氧菌(C.perfringens CVCC 52)培养实验证明氧气分子对纳米颗粒ROS毒性机制的不可或缺性。利用DCFH-DA生物检测方法对细胞内ROS进行检测。基于上述研究最终揭示了微生物细胞和无机物质间电荷传递诱导发生催化氧还原生成羟基自由基这一普遍存在的毒性机制。(3)氧化锌ROS毒性机制的深入探究。在缺氧气氛下高温热处理氧化锌纳米粉体。借助透射电子显微镜(TEM),X射线粉末衍射(XRD),傅里叶变换红外光谱(FT-IR),光致发光光谱(PL)、电子顺磁共振谱(EPR)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射谱(UV-vis DRS)以及循环伏安(CV)等测试技术对样品的颗粒尺寸、比表面积、氧空位缺陷、抗菌活性、羟基自由基生成能力等进行对比性研究,揭示了氧空位缺陷是氧化锌催化氧还原生成羟基自由基的活性位点,氧空位密度是决定其抗菌性的关键因素。(4)作为电荷传递诱导产生羟基自由基这一毒性机制的应用,通过锰掺杂来调控氧化锌的氧空位缺陷,从而制备具有不同氧空位浓度的氧化锌纳米颗粒材料。首先利用研磨法制备不同锰掺杂含量的氧化锌纳米粉体材料,利用XRD、TEM对样品的结构和形态进行表征,利用UV-vis DRS、PL、XPS、CV等技术对样品表面缺陷进行表征,利用MIC、抑菌圈以及细菌失活动力学常数测试评价不同样品的抗菌活性,利用粉末自发的以及电化学诱导的羟基自由基生成实验对比研究不同样品产生羟基自由基的能力,证明了适量锰掺杂可以提高表面缺陷密度进而提高羟基自由基生成能力,最终提高了氧化锌纳米粉体抗菌活性。


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