基因治疗概念的提出和研究的进展给用传统医疗手段难以治疗的疾病如遗传病、癌症等的根治带来了希望。然而,治疗性外源基因本身并不能有效进入细胞,缺乏高效的基因传递系统成为限制基因治疗临床应用的最大障碍之一。本文第一章对基因传递的各种方法作了较系统的评述,并着重介绍了无机纳米材料作为基因载体的研究进展。用于基因治疗的理想载体必须同时具有优异的基因传递效率、良好的生物安全性、便于批量制备等性能,有时还需要具有对特定细胞或组织的靶向性。大多数无机纳米粒子生物相容性良好、毒性很低,并且制备尺寸和结构可控的无机纳米粒子的技术已经比较成熟,能实现批量生产。无机纳米粒子的表面反应活性高、可接枝的密度大,易于同时与多个靶向分子作用。表面经过适当修饰的无机纳米粒子能包载基因并通过细胞的内吞作用介导基因进入细胞,从而实现基因转染。因此,以易于合成的、结构和尺寸确定的无机纳米粒子为平台,在其表面进行合理的功能化,有可能得到性能优异的新型基因载体。我们选用最常见的纳米二氧化硅和纳米金粒子作为平台,因为这两种无机纳米粒子都具备制备简单、粒径可控、易于功能化、毒性较低等特点。将聚乙烯亚胺(PEI)通过共价键接枝到纳米粒子表面,成功合成了PEI修饰的纳米二氧化硅粒子和纳米金粒子,体外实验结果表明它们都可以用作高效低毒的基因载体。在第二章中,我们先通过反相微乳液法制备了表面巯基修饰的二氧化硅纳米粒子SiNP-SH,再利用能连接胺基与巯基的偶联剂SPDP将PEI25k以S-S键接到SiNP上,成功制备了PEI25k修饰的二氧化硅纳米粒子SiNP-SS-PEI25k;我们利用Stober法制备了未经修饰的二氧化硅纳米粒子,并通过带有环氧基的硅烷偶联剂将PEI键接到SiNP上,成功制备了低分子量PEI800修饰的二氧化硅纳米粒子SiNP-PEI800。透射电镜显示两种方法制备的SiNP粒径都在100nm左右。MTT法测定结果显示SiNP-SS-PEI25k对HeLa细胞的毒性远低于PEI25k,其半数抑制浓度是PEI25k的15倍,而SiNP-PEI800的毒性则略低于PEI800。凝胶电泳显示SiNP-SS-PEI25k在低N／P即N／P=2时即能与DNA完全复合,而SiNP-PEI800仅能在高的N／P即N／P=10时与DNA充分复合,因而证明了SiNP-SS-PEI25k的复合能力明显高于SiNP-PEI800。两种二氧化硅纳米粒子均能在转染N／P的范围内对DNA起到保护其不受核酸降解酶降解的作用。HeLa细胞的转染实验结果证明在无血清培养基中,SiNP-SS-PEI25k的转染效率要略低于PEI25k; SiNP-PEI800的转染效率不高,但仍比未经修饰的PEI800的转染效率提高了约2个数量级；在含10%血清的培养基中,SiNP-SS-PEI25k的转染效率可达到PEI25k转染效率的6倍,SiNP-PEI800的转染效率则不受血清的影响而降低,几乎与无血清时相同。在第三章中,我们在硼氢化钠还原氯金酸的反应中加入巯基化的低分子量PEI(PEI 800 Da),通过改变PEI与Au的投料摩尔比,成功制备了三种不同PEI接枝密度的金纳米粒子(GNP-PEI800)。透射电镜观察金纳米粒子的粒径在6 nm左右,分散均匀,无聚集倾向。MTT法测定结果显示低PEI接枝密度的金纳米粒子具有良好的体外细胞相容性,对COS-7细胞的毒性远远低于PEI25k,与PEI800的毒性相近；高PEI接枝密度的金纳米粒子毒性较大,但其半数抑制浓度仍是PEI25k的四倍。凝胶电泳实验证明金纳米粒子在较低N／P(N／P=4)时就能完全阻滞DNA在电场中的移动。在合适的N／P比范围内,GNP-PEI800能与pGL3质粒形成直径约为200nm、表面电势约为+30mV的复合物微粒。该复合物能保护DNA不受核酸降解酶的作用。在无血清培养基中,GNP-PEI800的转染效率达到了PEI25k效率的量级,比未经修饰PEI800的效率高出了近4个数量级。GNP-PEI800的转染效率随PEI接枝密度的增加而升高,高PEI接枝密度的金纳米粒子的转染效率还会随血清浓度的增加而进一步提高：在含10%血清的培养基中,其最高转染效率比PEI25k高出了约2个数量级,而较低PEI接枝密度的金纳米粒子则能保持转染效率不变。细胞示踪实验证明了COS-7细胞对高PEI接枝密度金纳米粒子的摄取量很高,这也可能是高PEI接枝密度金纳米粒子细胞毒性较大的原因。第四章的工作中我们进一步研究了金纳米粒子上PEI的接枝密度、PEI的分子量及巯基含量、以及金纳米粒子的粒径等因素与基因传递性能之间的构效关系。通过改变还原剂的种类和浓度,我们制备了表面被PEI 1800Da修饰的不同粒径的金纳米粒子(GNP-PEI1800)。透射电镜结果显示,硼氢化钠还原制备的GNP-PEI1800的粒径约为6nm,而不同浓度的柠檬酸钠还原的金纳米粒子的粒径分别为19nm、49nm、98nm。根据计算可知,随着金纳米粒子的粒径增加,GNP上所能接上的PEI的量急剧减少,当粒径超过19nm后,由于GNP-PEI1800上PEI的量过少,难以对DNA进行有效的缩合。MTT法测定结果显示接枝密度较低的金纳米粒子毒性与PEI1800Da相近,而接枝密度高的金纳米粒子的毒性也低于PEI25k。凝胶电泳实验证明GNP-PEI1800的复合能力随SH含量和接枝密度的增加而增强：最高接枝密度和SH含量的GNP-PEI1800能在极低的N／P即N／P=0.5时与DNA完全地复合,而最低接枝密度和SH含量的GNP-PEI1800则仅能在N／P=6时使DNA全部滞留在孔中。在当N／P比高于10后,金纳米粒子均可与DNA形成粒径在150nm左右、表面带有正电荷的稳定的复合物。金纳米粒子在转染N／P下均能保护DNA不受核酸降解酶的作用。在无血清培养基中,金纳米粒子在最优N／P下的转染效率都比PEI25k高出一个量级；在含10%血清的培养基中,金纳米粒子的最高转染效率要比PEI25k高出2至3个数量级。与低分子量的GNP-PEI800相比较,虽然细胞毒性稍高,较高分子量的PEI1800修饰的金纳米粒子GNP-PEI1800具有更高的缩合DNA的能力和更高的介导基因转染的效率。