纳米碳管与纳米金是当前广泛研究且可能大规模应用的典型一维与零维纳米材料,在生物医学领域具有广阔的应用前景。利用其新颖的光学、电学以及其他物理化学特性,可以设计新的癌症诊断和治疗机制、开发新的药物输送系统、研发新的医学成像手段。本文围绕纳米碳管与纳米金在癌症治疗应用中的基础问题,主要开展了两方面的研究:重点研究了纳米碳管和纳米金的光致效应以及在癌症靶向治疗中的可能应用;同时研究了纳米碳管和纳米金与活细胞的相互作用以及对细胞功能的影响。主要研究内容与成果总结如下:(1)研究了水溶液体系中纳米碳管的光声效应,以及由巨光声效应导致的微爆炸现象。分析了脉冲激光作用下光声冲击波的产生过程,以及激光作用前后纳米碳管的结构改变。结合理论模型对光声冲击波的产生机理与波压强度进行了分析,并对纳米碳管光声效应在癌症诊断与治疗中的潜在应用做出预测。(2)基于纳米碳管的光声效应,发展了癌症光声治疗方法,并完成了纳米碳管光声效应物理方法治疗癌症的细胞验证。制备了对癌细胞具有选择性靶向的生物功能化纳米碳管,分析了生物功能化纳米碳管对癌细胞的靶向效率。在激光的激发下,成功实现了对癌细胞的靶向损伤,并分析了纳米碳管的最佳工作浓度。与光热治疗机制相比,光声方法降低了激发激光的能量,减小了对正常细胞的损伤。(3)发展了纳米碳管共价-非共价生物功能化方法,制备了具有良好水溶性和生物相容性的纳米碳管,研究了生物功能化碳管的细胞代谢以及细胞毒性。分析了不同浓度条件下纳米碳管导致的细胞死亡以及凋亡,从亚细胞层面解析了纳米碳管的生物毒性规律,提出了纳米碳管毒性的有阈性。(4)研究了不同管径、不同长度的纳米碳管进入细胞的详细途径,以及在细胞内部的分布情况,确立了纳米碳管细胞代谢机制与其物理尺寸的相关性。细胞具有不同的特定代谢途径来摄入不同长度的纳米碳管,纳米碳管在细胞内部的分布与其物理尺寸密切相关。摄入的纳米碳管主要分布在细胞胞浆,在碳管长度小于一定尺寸时,纳米碳管可以进入细胞核。(5)利用纳米碳管的特征拉曼光谱,结合荧光显微分析方法,研究了纳米碳管在小鼠体内的代谢行为。分析了纳米碳管在小鼠体内的循环、沉积和清除的短期规律,讨论了器官中沉积的纳米碳管可能导致的组织损伤。(6)利用纳米金粒子的表面等离子激元效应,搭建了纳米金散射活细胞显微观测系统,实时观测了细胞分裂的不同阶段核内染色质的运动规律。作为一种新的技术手段,纳米金散射显微技术相比荧光染料优势明显,没有光漂白,没有光毒性,适合细胞的长期实时观测。(7)研究了细胞核靶向的纳米金粒子对癌细胞周期和分裂的干扰和调控,成功实现了细胞核靶向的纳米金诱导的癌细胞胞质分裂阻滞并促使细胞凋亡。理论分析了细胞分裂过程的热动力学以及纳米材料的影响,提出了纳米技术调控癌细胞分裂的策略。表明纳米金粒子可能作为一种新的抗癌药物,为将来发展基于纳米技术的癌症治疗新方法提供了新的视野。(8)研究了纳米金光热治疗中的两个基本问题。分析了纳米金粒子在细胞的不同位置,以及使用不同种类激光的条件下,导致癌细胞死亡的激光能量阈值以及细胞的死亡机制;分析了使用连续波激光和脉冲激光条件下,纳米金粒子与光的作用方式以及对细胞的损伤途径。讨论了利用单脉冲纳秒激光实现癌症光热治疗的可能性。基于以上研究成果,以第一作者共在JACS,Small,Carbon,Nanotechnology等发表论文14篇。论文被Nature Nanotechnology,PNAS,Angew.Chem.Int.Ed等国际著名期刊他引80余次,申请国家发明专利2项,美国发明专利2项;参与撰写专著一部。