Cxvmzdi纳米生物材料的合成组装及在生物医学领域的应用.docx
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Cxvmzdi纳米生物材料的合成组装及在生物医学领域的应用
七夕，古今诗人惯咏星月与悲情。
吾生虽晚，世态炎凉却已看透矣。
情也成空，且作“挥手袖底风”罢。
是夜，窗外风雨如晦，吾独坐陋室，听一曲《尘缘》，合成诗韵一首，觉放诸古今，亦独有风韵也。
乃书于纸上。
毕而卧。
凄然入梦。
乙酉年七月初七。
-----啸之记。
项目名称：
纳米生物材料的合成、组装及在生物医学领域的应用
首席科学家：
李峻柏国家纳米科学中心
起止年限：
2009.1至2013.8
依托部门：
中国科学院
一、研究内容
拟解决的关键科学问题
本项目研究的主要关键科学问题是：
通过模拟生物膜的结构与功能，利用分子组装技术制备具有纳米孔隙的生物材料，研究它们在生物体中的兼容性，作为药物支架如何担载和释放药物及在体外的稳定性，确定其作用机理和影响因素；探索组装的生物材料在生物体中的状态与排除功能，建立合成体系与生物体之间的联系与作用机制，研究其代谢过程，具体地：
1.通过模拟生物膜（生物相容的磷脂/蛋白质复合双层囊泡）研究和揭示细胞膜和其它生物膜的精细结构、生物功能及其相互关系；
2.分子组装，纳米模板合成和气/液界面相分离等组装单元的结构特征、组装过程、驱动力、影响因素和调控技术；
3.处于这些组装体中的生物活性物质的状态和功能评价，它们与组装体之间的相互作用和影响，寻求保持其生物活性的措施；
4.这些具有生物功能的组装体进入人体后的有益效果、作用机制、代谢过程和可能危害。
考虑到各课题研究的具体对象、问题和目标不同，除上述共同的关键科学问题外，还各有其特殊的科学和技术问题要解决：
1.纳米孔隙的药物载体：
构造生物兼容、生物降解的多功能化胶囊，包裹不同类型药物的最佳方法及药物的缓释；生物界面化胶囊及包裹药物胶囊的靶向释放，不同的类型中空胶囊作为药物和基因载体；智能化微胶囊的构造以及可控性研究；负载药物微胶囊的体外细胞试验及动物试验；多功能微胶囊用于药物载体的包裹和释放机理研究。
2.红血球替代物−聚合物/血红蛋白纳米胶束（胶囊）：
官能化乳酸共聚物的设计与合成，保证在水环境中实现自组装形成纳米胶束或胶囊；引入含有易与血红蛋白反应的官能团，保证反应不影响血红蛋白中的血红素活性中心；反应基团有足够数量，保证组装体中有足够的血红蛋白浓度；构筑聚合物/血红蛋白纳米胶束或胶囊的尺寸满足实际要求；在化学键合和胶束化、胶囊化的过程中血红蛋白不变性，血红素结构和功能不受干扰。
3.规则纳米多孔薄膜及其生物功能：
发展多层次多尺寸的“规则纳米多孔薄膜”的可控制备方法；制备可用于病菌群强力繁殖、富集（、分离和探测高灵敏度传感器）的有序孔隙或中空结构功能材料；阐明此类材料与细菌群的生物作用原理。
4.生物模板法合成新型纳米生物医用材料：
以特定的客体基质（纳米尺度生物相容无机介质和有机物质）在纳米以至更精确的层次上忠实地复制从生物材料到生物组织和细胞等的生物物质的结构和形貌；并以此为基础设计和开发稳定低毒副作用的具有高度选择性的药物运载、传输和释放系统。
主要研究内容
为了解决上述科学和技术问题，本项目的主要研究内容包括：
1.运用分子组装、生物模板合成与气/液界面分离等技术，构筑纳米尺度的胶束、胶囊、中空管和多孔薄膜等复合生物材料；
2.研究这些纳米生物材料的体外稳定性，生物毒性和体内可降解性；
3.光敏性药物的筛选及以这些组装体为载体的生物功能，探索它们在生物体中的行为与功能，特别研制开发新型表浅治疗的新制剂和红血球等替代材料。
具体研究内容是：
1. 纳米孔隙的药物载体：
1.1智能仿生胶囊的制备与调控
本研究将在已有研究工作基础上，利用各种不同的分子间弱相互作用如静电、氢键、配位键、疏水作用、范德华力等，以纳米到微米尺寸范围的粒子作为模板，制备不同尺寸范围可生物降解的微胶囊。
通过控制组装的层数和改变组装条件，如pH、温度、离子强度等对囊壁的结构、形貌、渗透率、力学强度等重要参数进行精确控制，实现对胶囊渗透性的调控。
利用自沉积技术和环境调控开关特性将药物选择、高效的包埋到胶囊中，研究其包埋的效率和机理。
通过组装单元的选择，发展对外部条件（如光、电、磁、温度等）敏感和响应的智能胶囊。
对胶囊的生物界面进行化修饰和某些活性蛋白的包裹，研究胶囊的靶向和可控释放，阐明药物的释放动力学与释放机理。
1.2纳米孔隙的药物载体在光动力学疗法中的应用
利用组装的中空胶囊可控的空隙结构以及智能化的特点，包埋疏水性光动力学疗法（PDT）药物。
调控中空胶囊的形状、大小和渗透性，使得纳米孔隙可以包埋不同的药物，并且药物不会从中逸出，但是足以使氧扩散出去。
使得既能发挥杀灭肿瘤的作用，又不会释入血管，避免其它包囊化方法所引起副作用。
设计中空胶囊的表面性质，引入特异性识别单元，增强攻击靶标的能力。
解决目前光动力学疗法在药物的运输和释放方面的困难。
通过体外细胞培养与动物实验，检测胶囊作为药物载体在生物体内的稳定性、生物相容性、可降解性，研究其被细胞摄取的效率和机理。
调控中空胶囊或纳米管尺寸，使得纳米孔隙的药物载体能避开网状内皮系统（RES）细胞的吞噬及破坏。
2.红血球替代物−聚合物/血红蛋白纳米胶束（胶囊）：
2.1设计和合成带PEG链段并含有氨基、羧基或叁键等不同活性官能团的乳酸类两嵌段或三嵌段共聚物，并在嵌段共聚物上键合血红蛋白，测定血红蛋白的含量，进行键合物的组装，确保一个胶束或胶囊包括多个血红蛋白，血红蛋白处于有效保护之中，又保持与外界水环境的密切接触。
2.2考察组装体中血红蛋白的氧气吸收和释放功能，考察分子参数和组装条件对携氧功能的影响，优化分子结构和组装工艺。
2.3通过体外和动物体内试验，考察聚合物/血红蛋白胶束（胶囊）的安全性、血液相容性和在血液环境中的稳定性，确定聚合物/血红蛋白胶束（胶囊）的安全窗口、有效浓度范围、循环滞留时间、体内分布、代谢路径等，判断体内使用的可能性。
3.规则纳米多孔薄膜及其生物功能：
3.1依照传统胶体与界面化学研究方法，研究纳米尺度水溶性无机分子溶液的相行为、溶液有序聚集体的形成、性质、结构及聚集体结构的演变；探索这类新型聚集体形成的驱动力和热力学稳定的本质。
3.2具有磁性和对细菌响应的多金属氧酸盐如{Mn2Bi2W20}和表面活性剂相互作用、相行为及在水/空气界面上“规则纳米多孔薄膜”的构筑。
3.3“规则纳米多孔薄膜”的生物兼容性和生物降解性研究，确定其细菌群（如大肠杆菌群）的强力繁殖的机理，制备细菌群高灵敏度传感器（探测），获得用于不同的细菌具有分辨和分离作用的规则纳米结构多孔膜。
4.生物模板法合成新型纳米生物医用材料：
1.1纳米孔隙材料：
在自然生物物质（如纤维素和硅藻等）内表面以纳米级的精度沉积金属氧化物薄膜（如二氧化硅、二氧化钛等），以此薄膜为平台进一步进行功能纳米微粒及其他客体物质的组装，通过选择不同的客体物质以引进不同的功能。
在生物物质表面沉积不同化学成分的有机（如聚合物）超薄膜或修饰以自组织单分子层，有效控制其物理性质。
1.2纳米孔隙药物传输系统：
将生物物质表面精确沉积的客体物质薄膜或自组织分子单层用于吸附组装生物大分子（如蛋白质、酶和核酸）或药物分子。
自然生物材料的高表面积将导致更多的生物和药物分子被有效吸附，从而得到一种新型生物活性或药物活性材料。
该仿生生物/药物系统作为生物传感器将具有极高的灵敏度，作为给药载体将具有理想的生物兼容性、稳定性和安全性。
预期用于高灵敏度的疾病早期检测和针对不同疾病的药物传输和可控释放，将具体用于细胞试验和动物试验。
二、预期目标
组织国内科研机构和“985工程”高等学校的科学家强强联合，通过对项目的实施，实现以下总体目标：
完善和发展构筑纳米胶束、胶囊、中空管、多孔薄膜，以及生命/非生命物质多孔膜复合体的分子组装、生物模板合成和气/液界面相分离等技术，创造新的起始材料和组装单元，获得组成、结构和功能各异的新的组装体；认识上述各种组装过程的分子本质，掌握组装体结构、形态、尺寸和功能调控的关键技术；获得有临床实用价值的纳米抗癌药物新制剂、红血球替代物−血红蛋白胶囊以及二维或三维的纳米器件和系统。
在取得一批有显示度和有国际影响力的重要基础研究成果的同时，培养一批能够从事化学、物理、材料、生物与纳米技术交叉学科领域研究的创新型复合人才，建立面向生物医学应用的纳米材料、纳米器件和系统的研究基地，形成具有国际影响的研究团队，使该领域的研究在国际上有一席之地。
五年预期目标
1.利用各种不同的分子间弱相互作用及模板技术，构造生物兼容、生物降解的多功能化的纳米孔隙材料。
通过控制组装的层数和组装条件，对组装的纳米孔隙材料的结构、形貌、渗透率、力学强度等重要参数进行精确控制。
通过组装单元的选择，发展对外部条件（如光、电、磁、温度等）敏感和响应的智能纳米孔隙材料。
优化组装的多功能化纳米孔隙材料包裹不同类型药物的方法和途径，获得最佳包埋的效率。
对组装材料进行生物界面化修饰，实现包埋药物的靶向运输和可控释放，完成纳米孔隙材料的体外细胞试验，阐明药物的释放动力学与释放机理，建立并发展面向生物医学应用的新型纳米孔隙药物载体。
2.设计并合成出带有能与血红蛋白反应的官能团的乳酸类嵌段共聚物，通过先键合后组装或先组装后键合等途径，获得血红蛋白处于内核/外壳界面附近的聚合物/血红蛋白纳米胶束或血红蛋白处于内水相的聚合物/血红蛋白纳米胶囊。
考察嵌段共聚物的分子参数和组装条件对聚合物/血红蛋白纳米胶束或胶囊的氧气结合和释放功能的影响，优化聚合物结构和组装工艺条件，获得综合性能优异的聚合物/血红蛋白纳米胶束或胶囊。
建立血液评价技术平台，完成聚合物/血红蛋白纳米胶束或胶囊的体外和动物试验评价，对其在人体内使用的可能性做出判断。
3.阐明纳米尺度无机分子聚集体形成的驱动力，发展多层次多尺度“规则纳米多孔薄膜”的可控制备方法，揭示其形成机制及胶体化学行为，阐明两亲性高分子和表面活性剂在其中的作用，确认此种制备方法的普适性，扩展可能使用的起始材料种类，探索其在细菌、病毒探测（菌群探测灵敏度）、繁殖和分离中的应用。
实现在纳米层级的精度上以不同的客体基质（无机基质和有机、高分子基质）精确地复制自然物质的结构和形貌，系统建立达成该复制目标的化学及物理方法。
完善在自然材料中固化生物大分子和药物分子的方法以制备具生物活性和药物活性的新型材料，构建有效的药物传输系统。
初步完成针对不同疾病和创伤（如皮肤癌变、外伤等）的药物释放体系的设计和测试。
本项目研究过程中，将在国内外权威或重要刊物上发表论文220篇左右，申请专利40项左右。
培养一批从事纳米生物材料材料研究的人才，包括60名左右博士后、博士和硕士。
三、研究方案
4.1学术思想：
通过模拟生物体中生物分子的结构与功能，利用合成手段和组装技术制备一系列纳米生物材料，研究它们在生物体中的兼容性，作为药物支架如何担载和释放药物及在体外的稳定性，确定其作用机理和影响因素；探索组装的生物材料在生物体中的状态与排除功能，建立合成体系与生物体之间的联系、作用机制和代谢过程。
4.2技术途径：
本研究的技术途径为：
通过分析总结纳米生物材料的合成、组装及在生物医学领域的应用的关键共性技术问题，提炼其中涵盖的关键科学问题；对科学问题分解开展研究，建立高性能纳米生物材料的设计制备理论基础和关键技术研究平台。
4.3项目的创新点：
基于自主设计和合成的起始材料，利用已知的和自己创建的纳米组装方法，实现从有机分子到无机分子，从小分子到高分子，从无生命体到有生命体的组装，组装体具有从零维到三维的结构，具有所需要的生物医用功能，这是本项目的基本创新点。
各课题的创新点概括如下：
1）利用自组装和层层组装技术，选用不同的组装单元与模板，制备新型的智能化纳米孔隙支架材料。
特别是利用生物分子间的特殊相互作用和自组装功能，通过组装条件的变化，获得不同结构和功能的纳米孔隙结构，实现纳米孔隙材料在药物的包埋、运输与释放等生物医学领域的应用。
2）将血红蛋白共价键合在两亲性可生物降解高分子上，进而组装成模拟红血球的血红蛋白/聚合物胶束或胶囊，血红蛋白得到有效保护，类似红血球的微环境保证了氧气交换的高效率。
使用click反应等温和高效的偶联方式，有效避免了蛋白质分子在高温、有机溶剂等苛刻条件下的失活，保证了反应的专一性。
与现有“红血球修饰法”相比，化学键合的血红蛋白稳定性好，不发生单个血红蛋白分子的渗漏，从而减轻了肾脏、肝脏负担，避免了血压增高。
与脂质体胶囊相比，聚合物胶束或胶囊的力学强度高，稳定性好，在血液循环的条件下，破损少，寿命长。
3）提出新理论解释纳米尺度无机分子的自聚集现象；发现新颖复合有序聚集体的形成规律；揭示在水/空气界面通过相分离形成“规则纳米多孔薄膜”的普适性，探寻该薄膜在细菌探测、培育和分离中的应用。
4）以纳米层级的精度以客体基质（无机的和有机的）精确修饰和复制自然物质材料，最大限度的把自然材料的优异性能（如其多孔隙结构和高内表面积）引入到人造材料中；进而以自然生物物质为支架和平台进行生物分子和药物分子的组装和搭载，建立新型高效低毒的药物搭载、传输和释放系统。
4.4本项目的特色
1）根据国际纳米科技发展的趋势，面向国家发展纳米生物技术的重大战略需求，从纳米材料和纳米孔隙的基本科学问题出发，在研究团队多年合作的基础上，在纳米生物材料研究领域中形成由我国带头、源头创新的研究方向，在国际面向纳米材料和纳米孔隙的生物医学应用研究领域占有一席之地，实现纳米材料和纳米孔隙在构建智能材料体系、高灵敏度生物检测等领域的应用。
2）研究内容覆盖了物理、生物、化学、材料、纳米技术等学科，体现了多学科交叉融合、理论与实验研究紧密结合的特色。
3）研究团队包括了项目所需学科领域的国内科研究机构和“985工程”高等院校四家优势单位：
学科包括化学（国家纳米中心和山东大学），生物医学（山东大学医学院），高分子（浙江大学和中国科学院长春应用化学研究所），研究队伍以年轻骨干为主，体现优势互补和强强联合，研究起点高。
4.5取得重大突破的可行性分析：
本项目基于国内优势科研机构和高等学校长期合作的研究团队在此领域已有的研究基础，如已经合成了生物兼容的纳米尺度的无机分子，并对其基本的物理化学性质进行了测定。
利用相转移技术在水/空气界面上制备尺度可控、重现性好和力学强度高的规则多孔膜的方法，在国际学术期刊发表了一些高水平的阶段性研究结果，这些都为项目的实施提供了基础。
另外由于各承担单位之间优势互补与强强联合，从多种角度和多个层次上开展联合攻关，因而在这一领域具有取得创新性突破的可行性，具体如下：
1）研究目标明确，研究内容具体可行:
本项目紧紧抓住纳米科学和技术的基本和核心的问题，即起始材料、组装技术、组装体结构和功能，突出了生物医用的目标，研究内容经过多个学科研究人员的充分讨论形成，不仅结合了项目组成员前期的研究积累，也包含项目组成员的原创性研究思想。
2）坚实的研究基础：
项目组包括了国内最早开展纳米组装、纳米材料及其生物医学应用的几个单位，在材料设计与合成、组装过程及调控、组装体结构功能表征等方面具有较深厚的积累，取得了一批重要的前期成果，已经在国内外产生了较大的影响。
3）实验设施齐全的实验平台：
项目组依托于国家纳米科学中心。
主要承担单位山东大学胶体与界面化学教育部重点实验室、浙江大学国家理/工科基础研究和教学人才培养基地、长春应用化学所高分子物理与化学国家重点实验室和国家电化学与光谱研究与分析中心，拥有本项目研究所需要的实验室和各种大型设施，如：
透射电镜、原子力显微镜、单分子荧光显微镜、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振、共聚焦荧光显微镜、生物质谱、X射线衍射仪、圆二色光谱仪，以及细胞生物学和小动物活体成像设备等。
4）高水平的研究队伍和长期的合作基础：
本项目拥有一支包括中科院院士、国家杰出青年基金获得者、中科院百人计划等来自不同学科，特别是来自优势的科研究机构和高等学校的学术带头人组成的研究团队；团队成员之间具有长期合作经历，已经开展了与本项目相关的合作研究，取得了一些创新成果，可确保项目顺利实施。
4.6课题设置
课题1纳米孔隙的药物支架
承担单位：
国家纳米科学中心
负责人：
李峻柏研究员
主要学术骨干：
王琛研究员，郑利强教授，张晖副研究员。
经费比例：
32%
研究目标：
以自组装和层层组装技术为基础，选用不同的组装单元与模板，制备新型的智能化纳米孔隙支架材料，用于药物的包埋、运输与释放，为疾病的治疗提供一种新型材料。
主要研究内容：
利用各种不同的分子间弱相互作用如静电、氢键、配位键、疏水作用、范德华力等，以纳米到微米尺寸范围的粒子或多孔膜作为模板，制备不同尺寸范围可生物降解的纳米孔隙材料。
通过控制组装的层数和改变组装条件，如pH、温度、离子强度等对其结构、形貌、渗透率、力学强度等重要参数进行精确控制。
利用自沉积技术和环境调控开关特性将药物选择、高效的包埋到胶囊中，研究其包埋的效率和机理。
通过组装单元的选择，发展对外部条件（如光、电、磁、温度等）敏感和响应的智能胶囊。
对胶囊的生物界面化修饰和某些活性蛋白的包裹，研究胶囊的靶向和可控释放，阐明药物的释放动力学与释放机理。
课题2.红血球替代物—聚合物/血红蛋白胶束（胶囊）
承担单位：
中国科学院长春应用化学研究所
负责人：
景遐斌研究员
主要学术骨干：
汪尔康院士；黄宇彬研究员
经费比例：
20%
研究目标：
以血红蛋白为活性基元，以双亲性乳酸类聚合物为载体材料，构筑模拟红血球的聚合物/红蛋白纳米胶束或胶囊，作为红血球的替代物，用于人工血液，最终达到临床使用的水平。
主要研究内容：
设计和合成带PEG链段并含有氨基、羧基或叁键等不同活性官能团的乳酸类两嵌段或三嵌段共聚物，并在嵌段共聚物上上键合血红蛋白，测定血红蛋白的含量，进行键合物的组装，确保一个胶束或胶囊包括多个血红蛋白，血红蛋白处于有效保护之中，又保持与外界水环境的密切接触。
考察组装体中血红蛋白的氧气吸收和释放功能，考察分子参数和组装条件对携氧功能的影响，优化分子结构和组装工艺。
通过体外和动物体内试验，考察聚合物/血红蛋白胶束或胶囊的安全性、血液相容性和在血液环境中的稳定性，确定聚合物/血红蛋白胶束或胶囊的安全窗口、有效浓度范围、循环滞留时间、体内分布、代谢路径等，判断体内使用的可能性。
课题3规则纳米多孔薄膜及其生物功能
承担单位：
山东大学
负责人：
郝京诚教授
主要学术骨干：
薛群基研究员，赵显教授，孙德军教授，王凯主任医师
经费比例：
26%
研究目标：
制备基于纳米尺寸的高水溶性无机分子/两亲分子生物兼容性的复合多孔材料，探寻规则纳米多孔薄膜对大肠杆菌群和其它病菌群有特殊的相互作用机理。
主要研究内容：
研究纳米尺度高水溶性无机分子溶液的相行为、聚集体的形成、性质、结构及聚集体结构的演变，探索这类新型聚集体形成的驱动力和热力学稳定的本质；研究具有磁性和生物相容性的多金属氧酸盐如{EuW10}或者具有光学性质的多金属氧酸盐如{Mn2Bi2W20}与疏水高分子和表面活性剂的相互作用、相行为、相转移及在气/水界面构建规则纳米多孔薄膜；探寻规则纳米多孔薄膜对大肠杆菌群和其它病菌群有特殊的相互作用机理，具体而言：
1）规则纳米结构多孔膜对受污染的水细菌群（大肠杆菌和其它细菌群）的吸附（富集）；2）细菌群繁殖能力观察；3）制作细菌探测的高灵敏度传感器；4）实现对不同的细菌群的分辨和分离。
课题4生物模板设计合成新型纳米材料
承担单位：
浙江大学
负责人：
黄建国教授
主要学术骨干：
黄飞鹤教授,苑世领教授，蒋宏亮副教授，姚加副教授
经费比例：
22%
研究目标：
建立以自然生物物质为模板和支架构建的纳米孔隙结构体系，发展自然材料中固化生物大分子和药物分子的方法，构建基于生物模板的药物搭载和传输系统。
主要研究内容：
实现在纳米尺度上以不同的客体基质（无机、有机和高分子基质）精确地复制自然物质的结构和形貌，系统完成复制的化学及物理方法；并以自然物质为平台对生物大分子和药物分子进行组装，以自然材料做为载药支架构建新型药物传输系统。
通过组装在自然物质模板/支架上的特定分子和病灶组织间的选择性作用实现药物的定向输送，由控制离子强度、酸碱度和温度等达成药物成分的可控释放，系统研究其机理并初步完成细胞和动物试验。
4.7课题间的关系
本项目集中了国内在纳米生物材料研究领域的主要优势单位，组成了跨学科的研究队伍，包括国家纳米科学中心、中国科学院长春应用化学研究所、浙江大学和山东大学。
这些单位和实验室的研究基础和条件各具特色，形成了完整的研究队伍，其研究领域涵盖本项目涉及的多个学科，互补优势强，具有承担和完成国家重大研究项目如973、863等的丰富经验，能够保证本项目的顺利实施。
本项目的4个课题之间的关系如图所示，4个课题首先瞄准科学问题1和2开展研究工作。
即
（1）通过模拟生物膜（生物相容的磷脂/蛋白质复合双层囊泡）研究和揭示细胞膜和其它生物膜的精细结构、生物功能及其相互关系；
（2）分子组装，纳米模板合成和气/液界面相分离等组装单元的结构特征、组装过程、驱动力、影响因素和调控技术。
这两个关键科学问题的解决为后面两个关键科学问题提供了解决的保障。
即（3）处于这些组装体中的生物活性物质的状态和功能评价，它们与组装体之间的相互作用和影响，寻求保持其生物活性的措施；（4）这些具有生物功能的组装体进
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