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纳米银是一种被广泛应用的纳米材料,其应用领域包括抗菌剂、医药、日用品等。随着纳米银产品的研究开发以及普及推广,纳米银的环境安全性以及生物学效应引起了人们的关注。本文以纳米银的体内体外毒性评价为重点,研究了纳米银在典型环境以及生物因素条件下的稳定性和团聚动力学,在此基础上开展了体外生物学安全性的评价,探讨了粒径在纳米银体外生物学活性中的作用。在体外评价的基础上进一步进行了体内生物学效应的评价和探讨,并选择另外两种常用纳米材料量子点和碳纳米管对体内毒性评价结果进行了比较和对照。本文的研究期望对纳米银的生物学效应进行全面的评价,为纳米银的应用提供安全性评价数据,并建立纳米材料生物学效应研究的方法和体系。
本文第一部分,探讨了离子强度、价态、生物分子成份、pH值等环境及生物因素对纳米银颗粒特征吸收光谱、粒径、zeta电位、银离子释放率的影响。发现离子强度、价态、无血清培养基以及多种环境因子的联合作用会破坏纳米颗粒稳定性。温度能够促进纳米银发生团聚。而在血清存在的条件下,纳米银颗粒在所研究的体系内均能够保持稳定的分散态。由此推测,在相似于生物体的环境下(生物小分子、盐类、蛋白质、37℃),纳米银可以保持稳定的纳米尺度特性。
第二部分,研究了三种不同粒径(5nm,20 nm,50 nm)的纳米银颗粒(SNP-5,SNP-20,SNP-50)的细胞毒性。细胞模型为不同组织来源的肿瘤细胞(A549,SGC-7901,HepG2,MCF-7)。毒性终点包括细胞形态学改变、细胞存活率、细胞膜损伤、氧化损伤、细胞周期以及细胞凋亡与坏死。在SNP-5和SNP-20暴露组中,可以观察到细胞形态学的显著变化和细胞膜完整性的丧失。三种纳米银均可以导致细胞内ROS水平的升高和细胞在S期的阻滞。纳米银可以导致4-9%的细胞发生凋亡。所有的毒性终点测定以及半数致死率的数值均显示,纳米银的细胞生物学活性与其粒径具有密切的关系。超薄切片显示三种纳米银颗粒均可以进入细胞内,用ICP-MS测定细胞内纳米银的含量,发现粒径较小的颗粒更容易被细胞吞噬。这一结果很好的解释了小粒径纳米银具有更高毒性的原因。
第三部分,在纳米银体外生物学效应的基础上,进一步研究了纳米银在体内的生物学效应。通过长期暴露(3-6周),考察了纳米银对小鼠血液学组成的影响,发现纳米银能够降低小鼠外周血中血红蛋白的含量。为了研究血红蛋白降低的机理,测定了外周血中网织红细胞的含量,发现暴露于20μM纳米银的小鼠血液内网织红细胞含量显著升高。另外,通过系统的炎性测定,发现纳米银没有引起小鼠体内的炎症反应。组织病理学观察发现纳米银能够导致肝细胞的坏死和水肿。
第四部分,选用半导体纳米材料量子点和有机纳米材料单/多碳纳米管作为研究对象,对纳米银体内毒性的结论进行验证比较。经过长期的暴露,量子点同样可引起小鼠外周血液中血红蛋白含量降低,但是其网织红细胞的含量并没有显著的改变。此外,量子点可以导致小鼠腹腔的轻度炎症反应。同时量子点也能够导致肝脏的毒性,使肝脏细胞水肿。碳纳米管的体内毒性研究结果显示,碳纳米管暴露不会引起小鼠血液学的改变,但是能够引起小鼠体内的炎性反应。