随着时代与科技的发展,纳米科学得到了长足的发展,在信息、生物医药、能源环境、食品健康和航空与航天等众多技术领域将产生巨大影响。纳米技术因其可能引发新的工业革命,近年来成为世界各国高技术发展的热点。当纳米科技和纳米材料越来越多的应用于各个领域时,我们不能只注重其对我们生活产生的有益效应,其广泛应用可能带来的对环境和健康的潜在影响也是我们应该注意的重要问题。例如,纳米颗粒可以通过不同的暴露途径如呼吸、皮肤等进入机体的肺脏和其它内脏系统,从而可能引发呼吸毒理学效应,因此,如何负责任和安全的发展纳米技术受到国内外广泛的关注。本论文重点研究了两种重要的碳纳米材料即碳纳米管和石墨烯的细胞生物学效应和潜在毒性,对其作用机制进行了研究。碳纳米管,由于其巨大的潜在应用价值,被工业界大量的生产推广,这样就增加的其暴露于人体的途径和机会。大量的研究也已经证实其具有潜在的巨大的生物安全隐患。但是其潜在的毒理学机理一直是科学家们争论的焦点。本文第一部分研究碳纳米管及其浸取液毒理学效应,评价了碳纳米管的三种生物微环境浸取液和碳纳米管本身对肺上皮细胞活力、细胞内活性氧自由基(ROS)水平、细胞内超氧化物歧化酶(SOD)活力和细胞骨架的影响。我们发现,第一,碳纳米管的细胞毒性具有明显的浓度依赖效应和时间梯度效应；第二,随着碳纳米管中金属含量的增加其细胞毒性增强;第三,其微环境浸取液的细胞毒性和胞内ROS水平也与其金属含量成正相关。进一步用碳纳米管、浸取液、碳纳米管与浸取液混合分别孵育细胞,发现其细胞毒性、胞内ROS水平、SOD酶活力和细胞骨架损伤情况等毒理学指标均呈现共孵育毒性大于浸取液毒性大于单独碳纳米管毒性的现象,说明碳纳米管如果长期在生物微环境中存在,其毒性主要由其碳纳米管中的金属溶出诱导机体产生大量的ROS,并损伤机体的形式出现的。此外,对以铁为主要成分的碳纳米管浸取液潜在的致毒机理进行了研究,发现铁是通过转铁蛋白受体进入细胞内,使细胞内的可变铁池升高,并超出细胞本身利用情况,使铁代谢失衡的方式来诱导细胞内ROS产生,并引起细胞损伤的。本工作基本解决了困扰大家的碳纳米管及其金属杂质在碳纳米管诱导机体损伤中核心地位的生物安全评价问题,并通过潜在的机制研究进行了更加系统的解释说明。文章的第二部分,对另一种如今被广泛应用的碳纳米材料一石墨烯进行了系统的诱导凋亡机制的研究。我们发现原始状态的石墨烯材料具有明显的诱导细胞活力下降的现象,胞内ROS水平升高明显,并可诱导细胞的凋亡。我们从丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases, MAPKs)和转化生长因子(TGF-beta)途径入手,试图揭示石墨烯材料诱导细胞凋亡的机制。发现MAKP途径中的JNK、ERK和P-38均被可被石墨烯材料激活；而TGF-beta通路的SMAD信号通路也被激活,进而诱导Bim凋亡蛋白活性增加,这样最终引起了细胞凋亡通路的Caspase3的活性增加,进而诱导细胞的凋亡发生。说明原始的石墨烯材料可以通过激活凋亡通路：TGF-beta和MAPK的途径,来诱导细胞的凋亡。本研究结果为将来在抑制石墨烯材料诱导的细胞凋亡并解决一系列石墨烯材料诱导的生物毒性方面找到了很好的调控靶位点。