（生物医学工程专业论文）纳米材料协同抗肿瘤药物作用的原子力显微镜研究.pdf

a b s t r a c t t i t l e ：a na t o m i cf o r c em i c r o s c o p ys t u d yo ft h es y n e r g e t i ci n t e r a c t i o no ft h ea n t i t u m o rd r u g s a n dn a n o m a t e r i a l s a u t h o r ：c 皿nc h e n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n g x u e m e i s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t u m o r s ( c a n c e b ) a r et h em o s ts e r i o u sa n dd i f f i c u l td i s e a s e si nh u m a nd i s e a s ed i a g n o s t i c se n d t r e a t m e n t s a l t h o u g hv a r i o u sk i n d so fs t r a t e g i e sh a v eb e e ne x p l o r e df o rt h ee f f i c i e n td i s e mm a n a g e m e n t , t h e r ea r es t i l lm a n yc h a l l e n g e st ob ef a c e dw i t h r e c e n t l y , m a n y r e s e a r c h e sf o c u so nt h ed e s i g ne n da p p l i c a t i o no ft h en 州f u n c t i o n a ln e n o m a t e r i n l si n t h ee a r l yc a n c e rd i a g n o s i se n dt a r g e td r u gd e f i v e r yd e et ot h e i re x c e l l e n tp r o p e r t i e s c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lm a t e r i a l s n a u o p a r t i c l e si nd r u gd e f i v e r ys y s t e m s , d u et ot h e i rd i m i n u t i v es i z e , c p e n e u a t e - r o a sb a n i e r st h r o u g hs m a l lc a p i l l a r i e si n t oi n d i v i d u a lc e l l st oa l l o we f f i c i e n td r u ga c c u m u l a t i o na tt h e t a r g e t e dl o c a t i o n si nt h eb o d y a f l 盯m o d i f i e de n df o u e t i o n a l i z e do nt h es u r f a c eo ft h en e n o m a t e r i a l s t h e e n t i t u m o rd r u g se n r i c h e do nt h e 甜l 血c eo ft h en e n o m a t e r i a l sc a ni n h i b i t 饥t e v e r s et h em u l t i d r u gr e s i s t a n c e o f t h e t u m o r c e l l s e n d i m p r o v e t h e t h e r a p y e f f e c l o f t h e t a r g e tc a n c c r s b y i n c r e a s i n g t h ed r u gc o n c e n t r a t i o n s a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) w 勰e m p l o y e da sap o w e r f u lt o o lf o ri m a g i n ge n dc h e c k i n g t h e a d v a n t a g e so ft h i st e c h n i q u ei n c l u d et h ea b i l i t yt oi m a g eb i o l o g i c a ls y s t e m si nt h e i rn a t i v ef o r m su n d e r p h y s i o l o g i c a lc o n d i t i o n su s i n gv e r ys m a l lf o r c e s ( n a u en e w t o n s ) t op r o b et h es a m p l e i nt h i st h e s i s , t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nd n ae n dp r o c a i n eh y d r o c l d o r i d eh a sb e e ni n v e s t i g a t e db ya f m t h eo b s e r v a t i o no f s o m es p o t sa p p e a r e do nd n ac h a i n si nt h ep r e s e n c eo fp r o c a i n eh y d r u e h l o r i d ei l l u s t r a t e st h a tp r o c a i n e h y d r o c h l o r i d ec o u l db i n ds e l e c t i v e l yt os o m es p e c i f i cs i t e so fd n ac h a i n s w h i c hi n d i c a t e st h a tp r o c a i n e h y d r o c h l o t i d em a yi n t e r a c tw i t hs o m es p e c i a ls e q u e n c eo fd n a d a u n o r u b i c i nh y d r o c h l o r i d ee n d d o x o m b i c i nh y d r o c h l o f i d ea r et w ok i n d so fe n t h r a c y c l i e ea n t i b i o t i c ，a n du s e da se n t i t u m o rd r u g si nt h e t h e s i s i nt h ee x p e r i m e n t ，t h em o r p h o l o g i e so fd n ae n dt h ea n t i d m g sh a v eb e e ni m a g e di nt h ep r e s e n c eo r a b s e n c eo ff e 3 0 4o rc d sn a n o p a r t i c l e s t h eo b s e r v a t i o ni l l u s t r a t e st h a tn a n o p a r t i c l e sc o u l di n d u c e a n t i c a n c e rd r u g sb i n dt od n a s i t e - s e l e c t i v e l y an o v e ls t r a t e g yt oi n h i b i tt h em u l l i d m gr e s i s t a n c eo ft h e t a r g e t e dt u m o r 。c e l l sb yt h es y n e r g e t i ce f f e c to ft h eu n i q u ep r o p e r t i e so fn a n o l r a a i c l e sa n d t h ed r u g a c c u m u l a t i o n m sa l s oe x p l o r e d t h ea f mo b s e r v a t i o n sd e n k n s t r a t et h a tn a n o p a r t i c l e sc a nr e a d i l yb i n d w i t ha n f i c a n c e rd r u ga n da s s e m b l eo nt h ee x t e r n a lm e m b r a n eo ft h eh u m a nl e u k e m i ak 5 6 2c e l l s w h i c h c o u l db ef u r t h e ru t t t i z e dt oi m p r o v et h ef u t u r ed n t ge f f i c i e n c yi n 砖筇b m v cg u i 3 rc h e m o t h e r a p i e s t w ok i n d so fn a n o f i b e rh a v eb e e nf a b r i c a t e db ye l e c t r o s p i n n i n gt e c h n i q u e sa n dt h e nn a n o f i b e r sb a s e d n a n o c o m p o s i t e sh a v eb e e np r e p a r e db ya c c u m u l a t i n ga n f i t u m o rd r u gd a u n o r u b i c i no i ln a n o h b e r st h r o u g h t h ec o m b i n a t i o nw i t hn a n o p a t f i c l e s o u ro l y r v a f i o n sd c m o m s f f a t ct h a tt h ef l c wn a n o c o m p o s i t e sc o u l d r e a d i l yi n d u c ea n t i c a n c e rd r u gd a t m o m b i c i na c c u m u l a t i n g0 1 1 t h es l i t f a c eo fn a n o f i b e r s s i n c et h e r e s p e c t i v en f wn a n o c o m p o s i t e sh a v eg o o db i o c o m p a t i b i l i t y , v e r yh i g hs t l r f a c ea r e aw h e r et a r g ea m o u n to f d r u gm o l e c u l e sc o u l db el o a d e d , t h i sm a yp r o v i d ean e ws t r a t e g yf o rd r u gd e l v e r ys y s t e mt oe n h a n c et h c a n f i c a n c e rd r u gu p t a k ei n 曲u g e tc a n c e rc e l l sa n dt h u sl e a dt ot h ee f f i c i e n tc u r eo f c a n c e r s j tc o u l db e c o m ea n o v e lb i o d e g r a d a b l es y s t e mf o rp r o l o n g e do rc o n t r o l l e dr e l e a s eo fa n f i c a n c e rt h u g s t oa c c o m p l i s ht h e d e s i r e d g o a l s o f t h i s i n n o v a t i v es y s t e m , 缸 t h e r c l i n i c a l t i i a l s n e e d t o b ed o n e k e y w o r d s ：d n a , n a n o p a r t i c l e ，c e l l ，n a a o f i b e r s s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p y , a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y , 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：暨：盔日期：尘! z ：f 夕 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：登! 盔导师签名：日 期：2 印zf 岁寸 第一章绪论 进入2 1 世纪后，虽然人类对癌症的治疗已卓有成效对各种肿瘤的治愈率逐渐提高，但癌症仍然是危 害人类健康的主要疾病之一。恶性肿瘤( 癌症) 具有极高的致死率，目前治疗癌症的主要方法有手术、 放疗以及化学治疗，其中化学药物治疗经历了半个多世纪的发展和完善，逐渐成为恶性肿瘤综合治 疗的主要手段之一。 迄今为止的化学药物治疗的基础或是抑制细胞d n a 的合成，或是破坏细胞的结构，阻止其分裂。 由于人体正常细胞和肿瘤细胞在生物化学方面的差异很小，致使人多数抗肿瘤药物对肿瘤细胞和正 常细胞都有非选择性的杀伤作用，因而抗癌药物在杀伤肿瘤细胞的同时，也杀伤了正常的组织细胞， 在临床应用时常引起严重的毒副反应。有鉴丁i 此，找出具有对肿瘤细胞和正常细胞不同作用的抗癌 药物，寻求最大限度的杀伤肿瘤细胞减少损伤正常组织细胞的治疗途径和方法，逐渐成为当今医 药科研工作者所探讨的一个热门话题。 1 1 纳米材料在肿瘤治疗中的应用 随着纳米技术的发展，纳米材料由于其特殊的表面效应、量子尺寸效应等而被引用到肿瘤治疗 中来以解决因肿瘤细胞的多药耐药性等所造成的肿瘤治疗失败这一难题。作为肿瘤药物输送系统， 纳米粒子具有缓释药物、靶向输送、减少剂量、保证药效并减轻毒副反应的作用。纳米粒子缓释抗 肿瘤药物延长了药物在肿瘤内存留时间，减缓了肿瘤的生长，较游离药物的抗肿瘤作用明显增强。作为 输送抗癌药物至靶组织或细胞的载体，其主要有被动靶向和主动靶向两种输送方式。研究证明，将抗肿瘤 药物连结在纳米粒子上，不仅可以提高药物抗癌的功效，抵御多药耐药性，还可以减小药物对正常组织的 不良反应增强药物的选择性，从而可以在病发早期进行评估和治疗，提高治愈机率，减轻病人痛苦，在 早期诊断上有着十分重要的意义。 1 1 1 纳米材料及其性质 纳米科技是在上个世纪年代末、9 0 年代初逐步发展起来的前沿、交叉性的新兴学科领域。纳 米科技的目的是使人类晟终能按自己的意愿来操纵单个原子或分子，使之成为自然界已有的或没有 的新的分子或分子器件，以实现对微观世界的有效控制。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个 热点，其相麻发展起来的纳米技术被公认为是2 1 世纪最具有前途的科研领域。 纳米材料是指具有纳米越级的超微粒构成的同体物质，是一种既不同丁品态也不同于非晶态的 第二类f i | i j 体材科，它是以组成纳米材料的结构单元晶粒、1 品粒、分离的超微粒子等的尺度大 小来定义的。处_ r1 1 0 0 n m 尺度范围内的超微颗粒及其致密的聚集体，以及由纳米微品所构成的 材料，统称为纳米材料，包含金属、非金属，有机、无机和生物等多种粉末材料。纳米材料可分为 纳米颗粒材料、纳米品粒材料和纳米复合材料【l l 。 纳米材料具有二个结构特点：结构单元或特征维度尺寸在纳米数量级：存在大量的界面或 白由表面；各纳米单元之间存在一定的相且作用。纳米材料的微粒尺寸人丁原子簇，小丁通常的 微粒。它包括体积分数近似相等的两个部分，一是直径为儿个或儿十个纳米的粒子，_ 二是粒子间的 界面：前者是具有长程序的品状结构后者是既没有k 程序也没有短程序的无序结构口j 。从材料的 结构单元层次来说，它介丁宏观物质平微观原子、分子的中间领域。住纳米材料中界面原子t i 极 人的比例而且原f 排列互不相同界面周同的品格结构互不相天，从而构成与品态、1 品态均不 同的一种新的结+ ：| 状态1 i 。在纳米材料中，纳米品粒和由此而产生的高浓度品界是它的两个重要特 征。纳米品粒中的原子 列已不能处理成无限k 程有序，赠常人品体的连续能带分裂成接近分子轨 道的能级，高浓度品界及品界原子的特睬结构能导致村科的力学性能、磁性、介电性，超导性、光 学乃至热力z 性能的显并政变【“j 。 通常材料的性能j i 其颗粒尺寸的关系极为密切。当品粒尺寸减小时品界相的相对体积将增加， 东南大学硬士学位论文 其占整个晶体的体积比例增大，这时，晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外，由于 界面原子排列的无序状态，界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实 物质的尺度到了纳米量级后，由于其表面电子能级的变化，会表现出许多与一般材料截然不同的性 能n 体现为表面效应( 界面和表面悬键) 、量子尺寸效应、体积效应、量子隧道效应以及其它界面 相关效应等。 ( 1 ) 纳米材料的表面效应 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所 引起的种种特异性的效应。众所周知，固体材料的表面原子与内部原子所处的环境是不同的。前者 的周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其他原子结合而稳定下来。当材料 粒径远人于原子直径时，表面原子可以忽略；但当粒径逐渐接近于原子直径时，表面原子的数目及 其作用就不能忽略这时品粒的表面积、表面能以及表面结合能等会急剧增加从而引起材料性质的 变化。纳米材料正是具有这种表面效应的粒子，在应用上主要表现为能有效地增大比表面积。当纳 米材料的粒径降到l n m 时，表面原子数比例达到约9 0 以上；而当粒子直径逐渐接近原子直径时， 表面原子占总原子的百分数急剧增加，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原 子数增多，其作用就显得异常明显，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子 相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性【b 】，如金属纳米粒子在空气中会燃烧，而非金属纳米粒 子在大气中会吸附气体并与气体进行反应等。 ( 2 ) 纳米材料的体积效应 由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小，因此许多现象就不能用通常 有无限个原子的块状物质的性质加以说明。这种特殊的现象通常称之为体积效应亦称小尺寸效应。 有名的久保( k u b o ) 理论就是体积效应的典型例子，它是针对金属纳米粒子费米面附近的电子 能级状态分布而提出的。久保效应是指与粒子尺寸f 降到最低值时，费米能级附近的电子能级由准 连续变为离散能级的现象p l 。久保把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的 简并电子气，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级认为相邻电子能级间距6 和金属 纳米粒子的直径d 的关系为： a - 等矿1z 万1 n3d 其中，n 为一个金属纳米粒子的总导电电子数；v 为纳米粒子的体积：e f 为费米能级。显然， 当n 一一时，6 0 ，即对人粒子或宏观物体，能级间距几乎为0 ；而对丁i 纳米微粒，由于n 为有 限值，8 就有一定的值，即能级问发生了分裂。随着纳米粒子的直径减小，能级间距增大，当能级 间距大1 ：热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，就导致纳米微粒的磁、光、 声、热、电以及超导电性与宏观物质有显著的不同。 ( 3 ) 纳米材料的量子尺寸效应 当纳米材料的尺寸卜降剑某一个阈值时金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级； 并且纳米、r 导体微粒中将出现不连续的最高被 据的分子轨道能级和最低朱铍- i 据的分子轨道能 级，使得价带和导带之间的能隙增人，此种处丁分离的草子化能级中的电子的波动性将发生突变， 从而产生一系列特姝性质这就是纳米材料的姑子尺寸效应【1 0 i 。纳米材料中处丁离散的草子化能级 中的电子的波动性使纳米材料具有一系列特殊性质，如高的光学前线性，特异的催化、强氧化性、 还原性平光催化性质等。另外，随着纳米粒子细化，品界数苗人幅度地增加，从而使材料的强度、 韧性和超塑性人为提高。当纳米粒f 的尺寸与光波波 = ：，德布罗意波k ，超导态的相干k = 度或与磁 场穿透深度相当或更小时，晶体周嬲性边界条 l 将铍破q ：，嚣晶态纳米微睾亟的颗粒表层附近的原子 密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。如光吸收显并增加，超导相向止常相转 变，金属熔点阶低增强微波吸收等。 ( 4 ) 宏观h r 隧道效府 隧道效应是琏本的鼙f ：现象之一，即当微观粒子的总能世小丁势垒高度时，该丰正f 仍能穿越这 第一章绪论 一势垒。微观粒子这种贯穿势垒的能力便称为量子隧道效应。一些宏观量，如微颗粒的磁化强度、 量子相干器件中的磁通量及电荷等也具有隧道效应，它们同样可以穿越宏观系统的势阱而产生变化， 故而称之为宏观量子隧道效应。磁化的纳米粒子即具有宏观量子隧道效应。 纳米材料由于其极细的晶粒及其所具有的特殊表面效应、体积效应等，使其在化学、冶金、电 子、航天、分子生物学、生物医学等领域的研究中具有广阔的应用前景 1 1 2 纳米材料在肿瘤诊断与治疗中的应用 当前，纳米结构材料的制备和应用已成为一个十分活跃的研究领域。纳米材料的组成和结构具 有很高的可控性并表现出许多独特的性质。一方面，通过控制纳米结构的尺寸能够定制所需的纳 米结构材料以关注其是否会出现某些新特性：另一方面，具有这些新特性的纳米复合材料，可满 足特定的应用。例如，金纳米壳材料就是一种新型的由薄金壳和绝缘体核组成的球状分层纳米复合 颗粒，因其光学性质的高度可调而成为基础研究及应用中的一个热点i l “”i 。 在癌症的治疗中。肿瘤细胞对药物产生的耐药性是一个临床上很难解决的问题。细胞产生耐药性后主 要可以导致两方面的后果：一是药物被阻断或是在进入细胞后被耐药蛋白泵出细胞，从而使细胞内的药物 浓度不能达到治疗的有效浓度；二是抗肿瘤药物在一些生物酶的作用下失活或是因为细胞产生变异使得药 物不能起到有效的治疗作用。为了解决这一问题，科学家们将纳米材料引入到肿瘤治疗当中。比如将 磁性纳米材料植入病变组织，通过磁场加热来杀死一些热敏感的肿瘤细胞；或者利用纳米粒子作为 药物载体，将药物定位到病变组织从而提高局部药物浓度，增强治疗效果。 纳米粒子作为输送抗癌药物至靶组织或细胞的载体其输送方式主要有被动靶向和主动靶向两 种。在肿瘤组织水平上粒子注入静脉后，主要是依靠被动扩散和弥散作用过度渗透入肿瘤的脉管 系统。而通过特异的识别配体修饰的粒子进入肿瘤组织脉管系统的方式则是一种主动靶向作用。为 完成这些过程，纳米粒子在肿瘤组织间隙中会有较长时间的停滞，最终导致药物在肿瘤细胞内的积 聚。 纳米粒子缓释抗肿瘤药物不但延长了药物在肿瘤内存留时间，而且减缓了肿瘤的生长，较游离 药物的抗肿瘤作用明显增强。在纳米控释系统中，药物的释放可以是药物通过囊壁沥滤、渗透和扩 敫出来，也可以是基质本身的溶蚀而使其中的药物释放出来。由丁肿瘤细胞具有较强的吞噬能力， 肿瘤组织的血管通透性也较大，所以静脉途径给予的纳米粒子可在肿瘤内输送，从而提高疗效，减 少给药剂量和不良反应。 1 1 3 纳米材料与细胞的相互作用研究 纳米材料在生物体内的作h 】与它特殊的结构和性能有关。首先，纳米尺寸的颗粒由于其表面积 很大，颗粒中的人部分原子都位丁表面而表面的原子由丁人量悬键存在导致其能埴较高，发生化 学反应的活性人。其次，纳米材料颦子化效应产生的离散能级容易处丁激发态，结果产生了带电原 子团簇( 有过剩电子或空穴) 这种原子团簇具有强烈的氧化还原性质。此外，纳米材料特殊性能还使 其具有催化产生白由基等高活性基团的能力。由r 上述原冈，当纳米材料进入生物体后，首先是通 过体液流动渗透进入血液循环系统，再通过内循环进入组织液、淋巴等。随着体液的流动，纳米材 料将进入其它的器官或在组织中蓄积。 纳米材料十分微小，如l o n m 左右的粒子仅与蜇白质分子人小相当，因此人体的保护屏障如血脑 屏障、血眼屏障从尺寸上已不能对其进行限制，纳米粒子极有可能在这些地方蓄积升起破坏作删， 这在c 的研究中已有体现4 。纳米较子在体液中游动时有可能会与细胞表面的载体通道、各种受 体等结合，使蛋白质结构构象发生转变，活性体变性等，并住分子水平上引起细胞功能受阻。一方 面，纳米粒子可以直接与人昔的生物代谢酶怍h | 。另一方面，它还可以通过一：次氧化或还原的方式 产生人鹫有害自由基团，破坏细胞内宙序站构乖i d ：常的代谢功能，并最终引发细咆的坏，e 或张序性 死亡。从w a n g i ”等人对丁静基修饰碳纳米管住小鼠体内的代i 身 情况来石，纳米粒子儿乎是无孔不入。 纳米粒子除了住部分地方蓄积较多外分子蛀很人的纳米管也可能畅通地矗二体内各个部伊运动。 一般认为纳米粒f 进出细咆的方式有二种：是存 ：丁液体【 】做细胞所胞饮：5 是通过受体的 胞吞作川通常崖有机基团的纳术托子：二是直j 蠹皱吞噬进入细胞内部。住细胞* 养液中，纳米粒 东南大学硕士学位论文 子可能以多种形式存在，如单个分散的粒子、几十纳米或几百纳米的粒子团聚体。而对于较大的粒 子团聚体，可以认为是通过吞噬作用进入细胞【1 2 ”。 1 2 原子力显微镜( a l m ) 简介及其应用 l 2 1 原子力显微镜简介 1 9 8 2 年，i b m 公司的g e r d b i n n i g 和h e i n d c h r o h r e r 在瑞士的苏黎士实验室发明了扫描隧道显微 镜( s c a n n i n g t u m e l i n g m i c r o s c o p e ，s n m z 2 j 。它是一种可以从原子水平到纳米尺寸观察物质结构的三 维成像工具，是一种新型的显微技术：它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其 排列状态，并研究其相关的物理和化学特性。因此，它对物理学、化学、材料科学、生命科学以及 微屯子技术等研究领域具有十分重要的意义并有着广阔的应用前景。s t m 的发明被公认为2 0 世 纪8 0 年代世界十大科技成就之一。它使人们首次能够真正实时地观察到单个原子在物体表面的排列 方式 2 3 1 ，是继高分辨透射电子显微镜、场离子显微镜之后，第三种以原子尺寸观察物质表面结构的 显微镜。1 9 8 6 年，b i n n i g 和r o h r e r 因发明扫描探针显微镜而获得了诺贝尔物理学奖。 由于s t m 只能观察导体或者半导体的表面结构，因而在1 9 8 6 年，g b i n n i g 博士与斯坦福大学的 c a l v i neq u a t e 以及m m 苏黎士实验室的c h r i s t o p hg e r b e r 一起合作，提出了短程范德华力相互作 用也可以用来形成一种扫描探测显微镜p 】，即原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，简称a f m ) ， 这是一种不需要导电试样的扫描探针型显微镜。a f m 弥补了s t m 的不足，使s t m 的应用范围扩大 到非导电的、软的、活体生物样品。1 9 8 8 年，国外开始对a f m 进行改进，研制出激光检测原子力 显微镜( l a s e r - a f m ) 瞄一2 7 1 。1 9 8 9 年，国外的l a s e r - f m 达到了原子级分辨率阳。目前a f m 已发 展成为一种十分重要的表面分析仪器。 a f m 与s p m 其他成员相比较具有很大的优势。与a f m 的前身s 1 m 相比，在某些情况下，s t m 的分辨率比a f m 高这是因为电流与距离成指数关系。而对y - a f m ，如果考虑接触力和探针的形 状特征，力和距离的关系就复杂得多。当然，由y - s t m 几乎只能用于导电的样品，而a f m 可用于 导体和绝缘体，因而a f m 的用途更广。与扫描电子显微镜s e m 相比，a f m 能提供极好的地形学对 比、直接的高度测最值以及术变形的表面特征图像，而且也不需有涂层。a f m 和透射电子显微镜 t e m 相比，a f m 无需费劲地制各样品便可得到二维图像，另外，a f m 图像所包含的信息也比被交 叉划分的样品的_ 二维轮廓图所提供的多。与光学显微镜相比，a f m 能提供准确的步长测量值，而且 与物质的反射率无芙。 另外，原子力显微镜的放大倍数远远超过以往的任何显微镜。光学显微镜的放大倍数一般都不 超过1 0 0 0 倍：电子显微镜的放人倍数极限为1 0 0 万倍；而原子力显微镜作为扫描探针显微镜的一种， 放人倍数能高达1 0 亿倍，比电子显微镜分辨率高1 0 0 0 倍，可以直接观察物质的分子和原子，这为 人类对微观世界的进一步探索提供了理想的，i ：具。 1 2 2 原子力显微镜的应用 原于力显微镜可以研究物质超微结构，并可以对纳米生物结构的表征与测量。它可以直接观察 到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态平位置、以及有表面吸附体引起的表面重构等。与其他 显微技术相比原子力显微镜的成像原理使其具有自身独特的优势。首先，原子力显微镜技术的样品 制备简单样品不用包埋与切片突破了对导电性的限制，也不_ l i j 进行特殊的处理，冈此，其破坏性 较其它生物。学常h j 技术( 如电子显微镜) 要小得多因而观察的样品范围很r ；第二，原子力显微镜能 住多种环境( 包括空气、液相干| l 真空) 中观察样品，生物分f 可在生理条什f 直接成像，故其可以在近 似生理环境r 卣接观测生物样鼎1 4 8 l ，并可实时观察某些动态的生化反席；第二原子力显微镜能提 供生物分子和生物表面的分f 弧分子分辨率的二维l 璺| 像：第四原子力显微镜分辨率极高横向分 辨率最高可达0 1 r i m ，纵向分辨率甚至可达0 0 lt i m 已超过也镜的分辨本领。原- f 力显微镜是第一个能 在近似生理条竹f 对q ：物样品j j 蔓像达剑纳水分辨率的枪测技术l 删。它能以纳米尺度的分辨牵观察局 部的l u 荷密度嗣物理特性，测鼙分，问( 如受体平配体) 的卡 1 且作川力；第五，原- r 力硅微镜能肘单个 生物分f 进行操纵：另外，由原子力显微镜获得的信息还能与其它的分忻技术和显微镜技术互补。 第一章绪论 除观察之外，a f m 还可以对样品进行操作如打磨、转孔，切割，这是一般的观察手段所不能完成 的。由于这些优点，a f m 的应用早已不局限于材料科学领域，而是越来越多地被应用于生命科学 研究的各个方面。因此，a f m 在生物研究中迅速得到了广泛的应用p “”i 。 另外，随着样品制各技术的完善，原子力显微镜( 也必将成为生物学领域中一种常规的研究 工具。同时，a f m 的进一步发展，势必与其它的技术手段相结合。不同优势的技术手段互补将会完 善原有的实验手段并拓展出新的研究范围。而a f m 作为一种研究手段还必将与近场扫描技术、微弱 荧光探测技术以及各种波谱学技术相结合。随着物理理论和技术的发展，这一技术将会愈加成熟， 并得到更为广泛的应用。 可以预期，原子力显微镜( a f m y 技术必将会在人类探索生命奥秘的道路上、在走向纳米时代和生 物时代的行程中发挥重大的作用。 1 3 研究内容、意义及创新点 本论文结合纳米技术、超分子组合化学以及分子生物学等技术和方法，设计并研究了对d n a 或 肿瘤细胞有特殊识别作用的功能化纳米探针和纳米器件。并利用原子力显微镜技术，从单分子、单 细胞水平上研究生物超分子复合物和分子组装及其分子之间相互作用，揭示了纳米界面体系中生物 分子问的结构功能关系、分子作用机理及相关反应动力学机制。 第二章中，我们研究了小分子化合物与d n a 的相互作用，从分子水平上研究抗癌药物的作用机理以 及致癌物质的分子生物学机理，从而为下步将a f m 研究引入纳米材料结合药物与d n a 及细胞的作用 打下了基础。 第四章中，戎们用原子力显微镜表征了f c l 0 4 以及c d s 纳米粒子协同抗肿瘤药物与d n a 作用后 的微观形貌。 第五章中，我们通过纳米粒子与抗肿瘤药物协同作用，研究了纳米粒子在提高肿瘤细胞药物吸 收等方面所起的作用。主要是利用a f m 对纳米粒子与细胞相互作用后细胞膜的形貌进行表征，并对 纳米粒子在肿瘤靶向治疗中的应用前景进行探讨。 第六章中，我们将纳米纤维结合纳米粒子作为抗肿瘤药物的控释载体，利用原子力显微镜对其 进行了形貌学表征，探讨了纳米纤维作为抗肿瘤药物载体的理论机制，并展望了其应用前景。 本论文的主要意义有以下几点： ( 1 ) 采用a f m 研究了柔红霉素和阿霉素两种药物分子结合纳米粒子后分别与d n a 及细胞作用 的微观形貌。 ( 2 ) 建立了f e 3 0 以及c d s 纳米粒子在协同抗肿瘤药物分子与d n a 和细胞作用的方法和a f m 研究手段。 ( 3 ) 实现了纳米纤维结合纳米粒子作为抗肿瘤药物的运输栽体这一纳米复合物模型的构建。 本论文的创新点在丁：在纳米粒子作为约物载体作_ 【 j 丁肿瘤细胞的研究中，采川a f m 表征手段， 对纳米粒子协同抗肿瘤药物在细胞表面聚集作刚后的结构形貌进行了探讨和研究；并且引入纳米纤 维作为一种抗肿瘤药物的运输载体，以嬲实现抗肿瘤药物的大量富集和集中转运。 参考文献 1 a t z m o n y u ，l i v e n z ，m c m i c h a e l r d ，e ta 1 m a g n e t i cv i s c o s i t yi n v e s t i g a t i o n so fn a n o g r a i n 订p o w d e r j a p p l p h y s 1 9 9 6 7 9 ：5 4 5 6 - 5 4 5 8 l 2a n d r e srp a v e r b a c krs ，b r o w nwle ta i r e s e a r c h o p p o r t u n i t i e s o nc l u s t e r sa n d c l u s t e r s a s s e m b l e dm a t e r i a l s j m a t e r r e s ，1 9 8 9 4 ：7 0 4 7 1 2 3g l e i t e rh o nt h es t r u c t u r eo f g r a i nb o u n d a r i e si r lm e t a l s m a t e r s c i e n g 1 9 8 2 5 2 ：9 1 1 0 2 4 s i e g e lr 、mh a h nh c u r r e n tt r e n d si nt h ep h y s i c so fm a t e r i a l ss i n g a p o r e w o r l ds c i e n t i f i c ， 1 9 8 7 ：4 0 3 4 0 4 5 a y y u bp _ m u l l a n im b a r m am s i z e i n d u c e ds t r u c l u r a lp h a s et r a n s i t i o na n dh y p e r f i n ep r o p e r t i e so f m i c r o c r y s t a l l i n ei c e v 1 0j p h y s ，j 9 8 8 2j ：2 2 2 9 2 2 3 l 5 东南大学硬士学位论文 6b r l l sle e l e c t r o n - e l e c t r o na n de l e c t r o n - h o l ei n t e r a c t i o n si ns m a l ls e m i c o n d u c t o rc r y s t a l l i n e s j c h e m p h y s ，1 9 8 4 8 0 ：4 4 0 3 - 4 4 0 9 7 b r u sle e l e c t r o n i cw a v ef u n c t i o n si ns e m i c o n d u c t o rc l u s t e r s ：e x p e r i m e n ta n dt i a e o r y , j p h y a c h e m 1 9 8 6 ，9 0 ：2 5 5 5 - 2 5 6 0 8b a l lp ，g a r w i nls c i e n c ea tt h ea t o m i cs c a l e n a t u r e ，1 9 9 2 ，3 5 5 ：7 6 1 - 7 6 6 9k u b or e l e c t r o n i cp r o p e r t i e so fm e t a l l i cf i n ep a r t i c l e s j p h y s s o c j a p 1 9 6 2 1 7 ：卿5 - 9 8 6 1 0g l e i t e rh n a n n c r y s t a l l i n em a t e r i a l s p r o g m a t e r s c j 。1 9 8 9 。3 3 ：2 2 3 3 1 5 1 1 o l d e n b u r gsj ，a v e r i urd ，w e s w o t tsl e ta 1 n a n o e n g i n c e r i n go fo p t i c a l 醒晷o n a n c c h e m p h y s l e t t 。1 9 9 8 2 8 8 ：2 4 3 2 4 7 1 2 k o n ggb r a u nrd a n dd e w h i r s tm 、】v _ h y p e r t h e r m i ae n a b l e st u m o r - s p e c i f i cn a n o l m a t i c l ed e l i v e r y ： e 此c lo fp a r t i c l es i z e c a n c e rr e s 2 0 ( ) 0 ，6 0 ：4 4 4 0 - 4 4 4 5 1 3p r o d u ne ，r a d l o f fch a l a snj ，n o r d l a n d e r ，p ah y b f i d i s a f i o nm o d e lf r ot h ep l a s i n o nr e s p o n s eo f c o m p l e xn a n o s t r u c t u r e s s c i e n c e2 0 0 3 3 0 2 ：4 1 9 - 4 2 2 1 4 b a e rr ，n e n h a u s e rd ，w e i s ss e n h a n c e da b s o r p t i o ni n d u c e db yam e t a l l i cn a n o s h e l l n a n o l e t t ， 2 0 0 4 4 ：8 5 8 8 1 5m a e d ah w uj s a w at t u m o rv a s c u l a rp e r m e a b i l i t ya n dt h e 口re 缸c li nm a c r o m o l e c u l a r t h e r a p e u t i c ：ar e v i e w j c o n i r o lr e l e a s e 2 0 0 0 6 5 ：2 7 1 2 8 4 1 6o b e r d r s t e rgf e r i nj ，l e h n