《典型纳米材料的生物效应及调控方法原理》

该项目属于环境化学、纳米化学和环境毒理学交叉领域。

纳米材料在日常生活中的广泛应用增加了纳米材料对人体的暴露机会,其与生物系统的作用规律影响到纳米技术的研发和纳米毒理学及纳米医学的应用,已成为诸多交叉领域面临的重大基础前沿科学问题。然而,纳米材料组成、粒径、形状和表面化学等性质的多变性增加了研究和调控其生物效应的难度。因而,阐明复杂体系中纳米材料生物效应的调控方法是纳米毒理学亟待解决的难题。该项目立足于学科发展,面向国家和社会重大需求,综合运用环境化学、纳米技术及毒理学等多学科的原理与技术,揭示了纳米材料理化性质对其细胞识别及细胞功能的影响机制,首次阐明了碳纳米管在动物体内的生殖毒性及机制,开创了纳米组合化学方法调控纳米材料生物效应的策略与方法,丰富了纳米毒理学的内涵,推动了该学科的快速发展。主要取得以下创新成果:

一、揭示了纳米材料典型理化性质对其细胞识别与毒性的影响机制。揭示了不同尺寸石墨烯材料通过嵌入或内吞的方式摄入细胞,聚集状态的多壁碳纳米管通过内吞体进入细胞、通过溶酶体途径排出细胞,纳米材料导致的氧化应激是产生毒性的机制之一,证实了小粒径纳米颗粒具有更高的细胞毒性,为纳米材料的细胞毒性机制提供了研究积累。

二、首次阐明了碳纳米管在动物体内的生殖毒性及机制。较早从动物水平开展纳米材料毒性及致毒机制方面的研究,首次探究羧基化多壁碳纳米管对小鼠生殖毒性和肝脏急性毒性的影响,揭示了不同电荷纳米材料会使小鼠睾丸内的活性氧含量增加,进而产生急性损伤。尽管这种影响在60天后会自动修复,但该研究启示课题组关注纳米材料对动物体毒性的重要性,引领了纳米毒理领域的发展。

三、开创了纳米组合化学调控纳米材料生物效应的新方法。通过合成和研究多变量及单一变量纳米组合化学颗粒库调控纳米材料的细胞识别及细胞功能,并运用纳米效应大数据及机器学习和人工智能等方法进行纳米材料结构-效应关系计算机模拟及建立预测模型,为调控纳米材料生物效应提供了新方向,产生了广泛的国内/国际影响。

该项目共发表SCI论文150篇,授权国家发明专利9项,应邀为Chem.Rev.、Chem.Soc.Rev.等杂志撰写综述,编撰英文专著2部。8篇代表性论文发表在Nat.Nanotechnol.、JACS和Nano Lett.等该领域著名期刊,SCI他引939次,其中5篇论文单篇SCI他引超过100次,2篇入选ESI高被引论文,Nat.Nanotechnol.的研究入选北京科技报2010年中国十大科学进展(列第五位)。面对纳米安全这个大众急切关注的问题,课题组在报纸等媒体进行了大量普及化宣传,为纳米与健康知识的普及做出了大量努力。在前期工作基础上,获得了国家重点研发计划纳米专项(2016YFA0203103)和国家自然科学基金重大研究计划重点项目(91543204)。基于该项目,1人获教育部博士研究生学术新人奖,2人获山东省优秀博士学位论文,1人被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号,2人获ACS国际会议组织的专题讨论分会表彰,1人担任Ecotox.Environ.Safe.共同主编,2人分别担任Environ.Sci.Technol.、NanoImpact副主编。

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