《生物體微細結構內納米顆粒輸運機制和熱物理效應》是依託北京科技大學，由樂愷擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：生物體微細結構內納米顆粒輸運機制和熱物理效應
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：樂愷
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
納米生物醫學的發展對促進人類健康具有巨大推動作用，微細尺度下納米顆粒與生物體相互作用的研究具有重要的科學意義和實際套用價值。本項目通過深入觀測和認識毛細血管及細胞區等微細結構內納米顆粒的能質傳遞現象，探析納米顆粒-納米顆粒、納米顆粒-生物體間相互作用機制，揭示納米顆粒在微細結構中輸運和能量傳遞機制及其耦合作用，建立微/納尺度下納米顆粒在毛細血管中流動、跨血管壁和跨細胞膜輸運以及細胞層次能量傳遞的數理描述，並探究微尺度能質傳遞與巨觀現象的關聯規律及影響因素。旨在有效預測納米顆粒輸運和分布規律、微細結構內溫度分布及演變規律，並針對納米顆粒特性與外激勵場施加方式提出最佳化調控方案。本研究將為成功實現納米生物醫學的臨床套用奠定基礎，為掌握納米粒子對人類健康的影響等提供科學理論依據。
結題摘要
掌握納米顆粒在生物體微細結構中的能質傳遞機制對納米醫學的成功套用具有重要研究意義。本項目結合理論與實驗方法，研究了納米顆粒在血管中輸運、血管壁附著、跨血管壁、跨細胞膜以及其光熱效應和能量傳遞機制。基於格子Boltzmann（LB）和格子氣自動機方法的模擬研究及實驗觀測表明，納米顆粒在壁面的附著隨懸浮液濃度的增大、溫度的升高呈近似線性增大趨勢，而隨顆粒直徑與血管直徑、血管壓力梯度及血液黏度的增大呈指數衰減的規律變化，其中顆粒直徑的影響最為顯著，壓力梯度變化的影響最小；溫度對壓力梯度較小、粒徑較小情況下的顆粒附著量影響更大，而對不同濃度下顆粒附著的影響程度基本相同。此外，針對血管網路中普遍存在的血管分叉結構和由於血管病變導致的血管壁變形情況的研究表明，血管的分叉結構及變形均會提高顆粒的附著量。基於LB和浸入邊界法的模擬研究發現，相對於棒狀和三角狀納米顆粒，球狀納米顆粒最不容易附著，而棒狀納米顆粒的附著量最大。此外，由於顆粒與壁面的相互作用，不同材質顆粒的附著量也不同。納米顆粒與細胞膜相互作用的分子動力學模擬以及實驗觀測結果表明，升高溫度和濕度、減小顆粒粒徑、增大顆粒濃度以及溶液中蛋白質的存在均會加強顆粒的團聚，從而增大顆粒的跨膜難度。對於強疏水顆粒，團聚引起的體積變化對顆粒跨膜的影響更為顯著，而對於弱疏水和弱親水顆粒，體積與表面積變化所帶來的影響幾乎相當；改變納米顆粒親/疏水特性和表面電荷以及溶液中的反離子濃度，可有效抑制團聚的發生，促進顆粒跨膜輸運；而溫度的升高能改變細胞膜的相態，使其密集程度降低，變得更為鬆散，利於顆粒跨膜。因此，可通過提高溫度、加強顆粒親水修飾和表面電荷的方法來提高藥物輸運效率。納米顆粒的光熱效應隨著粒徑的減小、濃度和光源功率的增大而提高，最優波長的選擇需要綜合考慮顆粒的光譜吸收特性和生物組織的透熱深度。項目研究結果可為納米生物醫學的套用提供參考依據。
