细胞表面非基因功能化(本论文中简称细胞表面功能化),既能避免基因修饰所需要的复杂过程,也能增强细胞的稳定性,赋予细胞本身不具备的新功能。因此,这项技术已经在纳米生物、材料、能源、环境、化学和医疗领域受到广泛的关注。近年来,大量的纳米功能材料已经被用于细胞表面功能化,不仅能够提高细胞的稳定性,增强细胞的可操纵性,同时还能赋予细胞新的纳米功能。然而,在非生命材料和生命细胞复合中,如何在两者之间构筑生物适应性界面就成为了最大的挑战。天然生物小分子和纳米金粒子都具有良好的生物适应性,并且能够相互作用,形成具有精细结构的纳米生物杂化材料。这类生物适应性很好的材料可以自组装到活细胞表面形成我们希望得到的生物适应性界面。我们利用了这种自组装材料实现了在细胞表面构建生物适应的生物活性界面。这种界面不仅具有纳米孔结构,而且还能进一步诱导其它纳米无机壳层的形成,实现细胞表面双层纳米壳的构建。该双层纳米壳可以赋予细胞的新功能,如防强光辐射、抗酸碱变化、防生物侵害、抗紫外辐射和磁性等。进一步地我们还详细研究了纳米壳化细胞的稳定性和多功能,以及界面的形成和纳米诱导机制。最后,我们还发现该界面一个新颖的自修复性能。具体的内容如下:首先,我们选择具有光合作用的蓝藻细胞,制备单细胞光合作用反应器。我们将纳米金@L-半胱氨酸纳米生物杂化前驱体自组装到蓝藻细胞表面形成生物杂化界面;接着在该界面基础上诱导二氧化硅层的形成,实现了蓝藻细胞表面构建生物杂化层@二氧化硅层双层纳米壳。双层纳米壳包覆的单细胞光合作用反应器展示了很好活性、高稳定性和可循环性。然后,我们选择脱硫细胞,制备了多功能的单细胞脱硫反应器。我们将纳米金@L-赖氨酸纳米杂化物自组装在脱硫细胞表面形成纳米杂化层。该生物杂化层保持了脱硫细胞的脱硫活性。并且,我们通过在生物杂化层表面引入无机功能壳层,赋予了脱硫细胞更多的新功能。例如,我们在脱硫细胞表面引入二氧化钛层,能够使脱硫细胞的脱硫效率提高24%,引入Fe3O4/SiO2层能够在5秒内实现脱硫细胞的快速磁性分离。接着,我们以酵母细胞为例,仔细研究了生物杂化界面和双层纳米壳的形成机理及保护机制。并且我们深入地探讨了双层纳米壳在复杂环境中对细胞的保护机制。研究结果证实了这种双层纳米壳构建的细胞展示了很高的稳定性,如10次循环后仍然能够保持初始活性的79%(±2%)。最后,我们分别以酵母细胞和蓝藻细胞为真核细胞和原核细胞模型,深入研究了生物杂化界面的自修复功能。通过研究我们发现纳米金@L-半胱氨酸生物杂化粒子能够随着细胞的分裂,不断自组装到裸露的细胞表面,实现破裂壳层的自修复。不仅如此,该自修复壳层还能够提高细胞在分裂过程中的的活性和稳定性。例如,在酵母细胞分裂过程中,生物杂化壳构建的细胞在紫外辐射5小时后仍然能够保持初始活性的98%(±6%)。通过我们的研究证明,在细胞表面引入的生物杂化界面具有生物适应性,其纳米孔结构有利于物质交换,同时还能诱导无机功能壳层的形成,赋予细胞更多新功能,在细胞应用领域具有很好的潜能和研究价值。本论文分为六章。第1章绪论介绍了细胞表面功能化的发展历程以及分类范畴和应用。第2章以光合细胞为范例,第3章以脱硫细胞为范例,构筑了单细胞光合作用反应器和脱硫反应器;第4章以酵母细胞为范例,详细研究了生物杂化界面在细胞表面的自组装机制和诱导纳米壳的形成机制,以及赋予细胞的多功能机制研究;第5章对生物杂化壳的自修复功能进行详细的研究;第6章结论与展望总结了本论文的生物适应性杂化界面的研究工作,并对本研究工作的未来发展趋势进行展望。