多壁碳纳米管对人工模拟细胞膜和质膜囊泡的作用及过程

发布时间：2017-08-19 04:34

  本文关键词：多壁碳纳米管对人工模拟细胞膜和质膜囊泡的作用及过程

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【摘要】：碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)具有出色的电学、力学和热力学性能,在工业和科技领域拥有极高的应用潜力,如超级电容器、生物传感器、药物运输载体等。越来越多的碳纳米管被排放进入环境体系,碳纳米管的毒性逐渐受到重视。碳纳米管与细胞膜的直接接触是其被细胞摄取并导致细胞毒性的关键。但是,碳纳米管对细胞膜完整性的破坏以及其进行跨膜运输的方式仍存在疑问。本论文以多壁碳纳米管为研究对象,以人工模拟细胞膜和质膜囊泡为载体,研究多壁碳纳米管在细胞膜表面的吸附过程、跨膜过程、引起膜损伤以及与碳管性质的关系,并讨论了这些过程的相关机理。选择表面性质不同的纯化、石墨化、羟基化和羧基化多壁碳纳米管,制备表面带正、负电的大单层囊泡(giant unilamellar vesicles, GUVs)和支持磷脂双层膜(supported lipid bilayers, SLBs)作为细胞膜模型,通过显微镜观察和耗散型石英晶体微天平(quarz crystal microbalance with dissipation monitoring, QCM-D)的检测,研究碳纳米管的表面电性与缺陷程度对模拟细胞膜损伤的影响,对碳管在膜上的吸附进行定量分析,并对模拟细胞膜的破裂过程进行讨论。真实体液环境中大量蛋白质等生物分子能够吸附在碳管表面,因此用牛血清白蛋白(bovine serum albumin, BSA)修饰碳管,并对吸附蛋白前后的碳管进行全面的表征。表面带负电的碳管在静电力作用下吸附在正电SLBs上,使正电GUV破裂；可以提取膜中的磷脂分子,造成负电SLBs的质量少量流失,但对负电GUV没有明显损伤。碳管的缺陷程度与在正电膜上的吸附质量呈线性关系,并决定了负电膜的流失质量。来自于缺陷氧化的表面官能团和未氧化的悬挂碳键都是与膜反应的活性位点。正电GUV的破裂伴随着碳管吸附,可以将碳管吞入正电GUV内部。实验结果说明,碳管在模拟细胞膜上的吸附受静电作用主导,也可通过非静电作用与膜作用；缺陷程度决定了碳管与模拟细胞膜作用、造成膜损伤的程度。为了进一步理解碳纳米管的跨膜过程,我们研究了羧基化多壁碳管对人鼠嗜碱性细胞白血病(RBL)细胞、从RBL细胞剥离的大型质膜囊泡(giant plasma membrane vesicles, GPMV)、负电GUV的影响,并研究了钙离子在此过程中的作用。 研究发现带负电的碳管能够吸附在带负电的RBL细胞表面。Ca2+的加入能促进细胞摄取碳管,这种摄取是RBL细胞的内吞作用主导的。Ca2+的存在下多壁碳管能够自发进入GPMV中并富集,但不破坏GPMV的形态,却可以破坏负电GUV的形态。实验结果说明,单根碳管可以不依赖于细胞能量供给,不经过内吞作用而直接穿透细胞膜进入细胞内部。
【关键词】：多壁碳纳米管 人工模拟细胞膜 质膜囊泡 膜破坏 跨膜过程
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X171.5
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 碳纳米管简介11-13
• 1.1.1 结构、性质和应用11-12
• 1.1.2 功能化修饰12-13
• 1.2 碳纳米管的细胞毒性13-17
• 1.2.1 碳纳米管的性质对细胞毒性的影响13-14
• 1.2.2 碳纳米管对细胞膜的损伤14-16
• 1.2.3 碳纳米管的跨膜运输16-17
• 1.3 细胞膜模型17-19
• 1.4 研究意义及创新点19-20
• 第2章 多壁碳纳米管对人工模拟细胞膜的作用及破坏20-45
• 2.1 材料与方法20-30
• 2.1.1 实验材料与试剂20-21
• 2.1.2 多壁碳纳米管的表征21-23
• 2.1.3 多壁碳纳米管悬浮液的制备23-25
• 2.1.4 多壁碳纳米管的标准定量曲线25-27
• 2.1.5 暴露实验27
• 2.1.6 吸附实验27-30
• 2.2 结果与讨论30-45
• 2.2.1 多壁碳纳米管的性质30-33
• 2.2.2 表面电性的作用33-36
• 2.2.3 表面缺陷的作用36-40
• 2.2.4 模拟细胞膜破裂的过程和机制40-44
• 2.2.5 本章小结44-45
• 第3章 多壁碳纳米管的跨膜过程45-55
• 3.1 材料与方法45-47
• 3.1.1 实验材料与试剂45
• 3.1.2 溶液配制45-46
• 3.1.3 细胞培养与暴露实验46
• 3.1.4 质膜囊泡的制备与暴露实验46-47
• 3.2 结果与讨论47-55
• 3.2.1 RBL细胞对多壁碳纳米管的摄取47-49
• 3.2.2 多壁碳纳米管对质膜囊泡的影响49-54
• 3.2.3 本章小结54-55
• 第4章 结论与展望55-57
• 4.1 结论55-56
• 4.2 展望56-57
• 参考文献57-67
• 致谢67-69
• 硕士期间论文发表情况69-70
• 附件70

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本文编号：698739