近年来,二维纳米材料因其突出的物理化学性质在生物医学领域得到了广泛的关注。2015年,Mahmood等人通过自上而下的湿化学方法成功制备了一种新型氮化石墨烯二维纳米材料——碳二氮(C2N)。相较于石墨烯(Graphene,Gr),C2N合成方法简单,成本较低,溶解度较好。这使得C2N可能成为石墨烯基纳米材料在生物医学应用中的潜在替代物。已有分子动力学模拟(molecular dynamics simulation,MD)研究表明C2N与生物组分DNA和蛋白质的相互作用不会破坏分子的结构和功能。然而,生物微环境极其复杂,在分子水平上研究它与某一生物组分的相互作用不足以充分的说明其真实的毒性行为。因此,本研究旨在通过实验和理论模拟相结合的方法,探究C2N的生物毒性行为并揭示其内在机理,为该新型二维纳米材料在生物医学领域的研究与发展提供重要的研究基础。本论文主要的研究目的、内容和结论概述如下:第一章:本章节我们采用实验与理论模拟相结合的研究方法探讨了新型二维纳米材料C2N与人体血红细胞(red blood cells,RBCs)之间的相互作用。同时也选用典型的还原型氧化石墨烯(reduced graphene oxide,rGO)纳米片作为研究对照。体外溶血实验表明,rGO会诱导RBCs出现明显的溶血现象,而与C2N纳米片共孵育RBCs则显示极其微弱的溶血效应。进一步地实验观测发现,C2N纳米片对RBCs形态和数量的影响可以忽略不计,这表明C2N与RBCs具有优良的生物相容性。我们利用MD模拟的方法探索了这一现象相应的内在机理,结果表明C2N纳米片不能刺入RBCs细胞膜也不能抽取其中的磷脂,更倾向于吸附在细胞膜-水界面上。结合MD能量分析和密度泛函计算分析,我们发现:C2N独特的表面静电势所提供的库仑作用是阻止C2N破坏细胞膜的关键。这些结果表明C2N与细胞膜具有良好的生物相容性,为该二维纳米材料在生物医学相关领域的进一步探索提供了重要的研究依据。第二章:本章节我们结合实验手段与理论模拟技术,进一步地研究了 C2N的细胞毒性及其毒性机制。体外实验表明,未经修饰的C2N纳米片对人脐静脉血管内皮细胞(human umbilical vein endothelium cells,HUVECs)具有不可忽视的毒性作用。通过实验结合理论的研究方法,我们进一步揭示C2N的细胞毒性主要来源于其对细胞内抗氧化分子的氧化作用,导致活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)的过度积累。与氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)相比,C2N的细胞毒性相对较弱,更重要的是,该新型二维纳米材料不会通过直接的物理作用破坏细胞完整性(尤其是脂质膜),这与被广泛报道的Gr及其衍生物的细胞毒性机制是不同的。因此该类材料或许可以用于选择性的杀死某些对ROS更加敏感的细胞(如肿瘤细胞)。我们的研究结果表明C2N可能成为Gr类材料在生物医学应用中的潜在替代物。此项工作系统地阐述了 C2N纳米片的细胞毒性及其潜在机制,这对于C2N将来在相关生物医学中的应用至关重要。第三章:本章节我们简要地阐述了二维纳米,特别是碳基二维纳米材料在生物医学领域的应用及其诱导的血液毒性和细胞毒性,并重点阐述了本论文的研究背景和研究意义。