纳米材料在生物医学和环境等方面呈现的巨大应用潜力,使得其生物学效应与生物安全性评价受到了广泛而密切的关注。纳米材料的生物效应取决于纳米材料与生物体组分之间的动态物理化学相互作用。因此,深入系统地研究纳米材料与生物体系之间的相互作用机制,是控制其生物学效应以及推动纳米材料发展的关键。本论文采用表面增强红外吸收光谱和荧光技术等研究手段,以纳米材料及其降解成分与生物组分,包括蛋白质、生物膜和细胞为纳米生物模型,在分子水平上探究了纳米生物相互作用的驱动力,作用效果及作用机理,为评估纳米材料的生物学效应和安全性及设计各种医学应用的纳米材料提供理论指导。本论文的工作内容和创新点主要分为以下四个部分:1.纳米材料的生物效应包括纳米材料与蛋白质的相互作用,我们以二氧化硅纳米材料与生物界面上的蛋白质作为纳米生物模型,通过表面增强红外光谱电化学探究了纳米材料对生物界面上的蛋白质结构和功能的影响。研究发现二氧化硅纳米粒子轻微地引起氧化态细胞色素c的β-sheet及其周围环境的改变,进而改变了血红素的定向及其周围的环境,从而导致了处于氧化态的细胞色素c水合度增加,最终使细胞色素c的式电势发生负移及电子转移速率增加。二氧化硅纳米粒子对细胞色素c构象和血红素微环境的扰动,也可能是增强其电催化还原过氧化氢能力的原因之一。2.纳米材料的生物效应也体现在纳米材料与生物膜的相互作用,我们以氧化石墨烯与生物模拟膜作为纳米生物模型,通过改变氧化石墨烯表面含氧官能团的数量和种类来调节氧化石墨烯-生物膜界面的相互作用力,应用表面增强红外吸收光谱以及激光扫描共聚焦显微镜等技术揭示了弱作用力如何协同合作诱导氧化石墨烯对生物膜的抽提效应。结果表明在平衡静电排斥作用后,氧化石墨烯和磷脂头部基团之间适中的吸引作用(例如静电和/或疏水作用)最利于磷脂的抽提。在氧化石墨烯和磷脂头部基团适度的吸引力下,氧化石墨烯可以保持适中的旋转自由度,从而易与磷脂疏水区域中的羰基基团形成氢键。在氢键作用的驱动下,氧化石墨烯插入磷脂烷基链区域并从膜中抽提磷脂分子。我们的结果对于如何揭示纳米生物界面上弱相互作用的协同机制具有重要指导意义。3.基于第二部分工作,我们又研究了磷脂膜的相行为对氧化石墨烯和磷脂膜相互作用的影响。研究发现氧化石墨烯对磷脂膜中磷脂分子的抽提作用具有显著的相态选择性,其选择性地抽提流动相的磷脂分子;氧化石墨烯对流动相磷脂的抽提作用受到膜中凝胶相磷脂存在比例的影响,只有流动相磷脂分子占磷脂膜中磷脂分子的绝大部分时才能够发生抽提作用,且只有流动相的磷脂分子被抽提。4.纳米材料诱导的生物效应涉及纳米材料降解引发的一系列细胞内反应,如含铁纳米材料的降解会释放出铁离子,其可以参与脂质过氧化反应产生脂质反应活性氧导致细胞发生铁死亡。我们使用羟基自由基(由铁离子和过氧化氢反应产生)诱导磷脂膜过氧化,并使用荧光技术和表面增强红外吸收光谱等方法揭示了铁死亡中铁离子参与磷脂过氧化的新分子机制,并通过铁死亡诱导剂诱发细胞的铁死亡进行了验证。研究发现羟基自由基引发磷脂过氧化过程中会产生磷脂过氧自由基,其除了通过罗素(Russell)机制可以产生少量单线态氧,还可以在传播过氧化过程中导致更多的磷脂过氧自由基和磷脂氢过氧化物的积累并在铁离子的催化下通过罗素机制产生大量的单线态氧,进而促进细胞膜完整性的丢失和细胞的死亡。我们首次揭示了单线态氧在铁死亡中的产生及其影响。