973项目申报书-2022年CB930100-纳米生物材料的合成、组装及在生物医学领域的应用

1、工程名称： 纳米生物材料的合成、组装及在生物医学领域的应用2022.12022.8中国科学院 10一、争辩内容拟解决的关键科学问题的联系与作用机制，争辩其代谢过程，具体地：生物相容的磷脂/蛋白质复合双层囊泡争辩和提醒细胞膜和其它生物膜的精细构造、生物功能及其相互关系；/程、驱动力、影响因素和调控技术；相互作用和影响，寻求保持其生物活性的措施；可能危害。题外，还各有其特别的科学和技术问题要解决：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 于药物载体的包裹和释放机理争辩。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反响基团有足够数量，保证组装体中有足够的血

2、红蛋白浓度；构筑聚合物 /化的过程中血红蛋白不变性，血红素构造和功能不受干扰。规章纳米多孔薄膜及其生物功能：进展多层次多尺寸的“规章纳米多孔薄膜”、分别和探测高灵敏的有序孔隙或中空构造功能材料；说明此类材料与细菌群的生物作用原理。生物模板法合成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准确的层次上忠实地复制从生物材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。主要争辩内容为了解决上述科学和技术问题，本工程的主要争辩内容包括：/胶束、胶囊、中空管和多孔薄膜等复合生物材料；争辩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；代材料。具体争

3、辩内容是：纳米孔隙的药物载体：智能仿生胶囊的制备与调控本争辩将在已有争辩工作根底上，利用各种不同的分子间弱相互作用如静 pH、温度、离子强度等对囊壁的构造、形貌、渗透率、力学强度等重敏感和响应的智能胶囊。放，说明药物的释放动力学与释放机理。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构造以及智能化的特点，包埋疏水性光动(PDT)避开网状内皮系统 (RES)细胞的吞噬及破坏。红血球替代物聚合物/血红蛋白纳米胶束胶囊：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，进展键合物的组装，确保一个胶

4、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亲热接触。携氧功能的影响，优化分子构造和组装工艺。/血红蛋白胶束胶囊的安全性、血/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，推断体内使用的可能性。规章纳米多孔薄膜及其生物功能：型聚拢体形成的驱动力和热力学稳定的本质。具有磁性和对细菌响应的多金属氧酸盐如Mn2Bi2W20和外表活性剂相互作用、相行为及在水/空气界面上“规章纳米多孔薄膜”的构筑。”的生物兼容性和生物降解性争辩，确定其细菌群如大肠杆菌群的强力生殖的机理，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区分和分别作用的规章纳

5、米构造多孔膜。生物模板法合成型纳米生物医用材料：纳米孔隙材料：如纤维素和硅藻等内外表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展功能纳米微粒如聚合物超薄膜或修饰以自组织单分子层，有效把握其物理性质。纳米孔隙药物传输系统：将生物物质外表准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 如蛋白质、酶和核酸或药物分子。自然生物材料的高外表积将导致更该仿生生物/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”以及生命/非生命物质多孔膜复合体的分子

6、组装、生物模板合成和气/液界面相分别装体；生疏上述各种组装过程的分子本质，把握组装体构造、形态、尺寸和功能争辩在国际上有一席之地。五年预期目标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、生物降解的如光、电、磁、温度等敏感和响应的隙药物载体。设计并合成出带有能与血红蛋白反响的官能团的乳酸类嵌段共聚物，通过先/外壳界面四周的聚合物/血红蛋白纳米胶/血红蛋白纳米胶束或胶囊的氧气结合和释放功能的影响，优化聚合物构造和组装工艺条件，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/用的可能性做出推断。“规章纳米多孔薄膜”子和外表活性剂在其中的作用，确认此种制

7、备方法的普适性，扩展可能使用菌群探测灵敏度、生殖和分别中的应用。准确地复制自然物质的构造和形貌，系统建立达成该复制目标的化学及物理方 如皮肤癌变、外伤等的药物释放体系的设计和测试。22060右博士后、博士和硕士。三、争辩方案学术思想：谢过程。技术途径：台。工程的创点：基于自主设计和合成的起始材料，利用的和自己创立的纳米组装方法，创点。各课题的创点概括如下：化纳米孔隙支架材料。特别是利用生物分子间的特别相互作用和自组装功 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。的血红蛋白/click 反响等温存高效的偶联方式，有效一性。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

8、环的条件下，破损少，寿命长。/空气界面通过相分别形成“规章纳米多孔薄膜”的普适性，探寻该薄膜在细菌探测、培育和分别中的应用。无机的和有机的准确修饰和复制自然物质如其多孔隙构造和高内外表积分子的组装和搭载，建立型高效低毒的药物搭载、传输和释放系统。本工程的特色依据国际纳米科技进展的趋势，面对国家进展纳米生物技术的重大战略需 用。穿插融合、理论与试验争辩严密结合的特色。争辩团队包括了工程所需学科领域的国内科争辩机构和“985 工程”高等院校东大学医学院，高分子浙江大学和中国科学院长春应用化学争辩所队伍以年轻骨干为主，表达优势互补和强强联合，争辩起点高。取得重大突破的可行性分析：本工程基于国内优势科

9、研机构和高等学校长期合作的争辩团队在此领域已理化学性质进展了测定。利用相转移技术在水/空气界面上制备尺度可控、重现取得创性突破的可行性，具体如下：争辩目标明确，争辩内容具体可行: 本工程紧紧抓住纳米科学和技术的根本组成员前期的争辩积存，也包含工程组成员的原创性争辩思想。外产生了较大的影响。试验设施齐全的试验平台：工程组依托于国家纳米科学中心。主要担当单位 /工科根底争辩拉曼光谱、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。高水平的争辩队伍和长期的合作根底：本工程拥有一支包括中科院院士、国家出色青年基金获得者、中科院百人打算等来自不同学

10、科，特别是来自优势的科争辩机构和高等学校的学术带头人组成的争辩团队；团队成员之间具有可确保工程顺当实施。课题设置1 纳米孔隙的药物支架经费比例：32%供给一种型材料。主要争辩内容：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pH、温度、离子强度等对其构造、形貌、渗透率、力学强度等重要参数进展准确争辩其包埋的效率和机理。通过组装单元的选择，进展对外部条件如光、电、的包裹，争辩胶囊的靶向和可控释放，说明药物的释放动力学与释放机理。2. 红血球替代物 聚合物/血红蛋白胶束胶囊担当单位：中国科学院长春应用化学争辩所经费比例：20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

11、于人工血液，最终到达临床使用的水平。主要争辩内容：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/血红蛋白胶束/血红蛋白推断体内使用的可能性。课题 3 规章纳米多孔薄膜及其生物功能担当单位：山东大学经费比例：26 %争辩目标：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机理。主要争辩内容：争辩纳米尺度高水溶性无机分子溶液的相行为、聚拢体的形成、定的本质；争辩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与疏水高分子和外表活性剂的相互作用、相行为、相转移及在气/水界面构建规章纳米多孔薄膜；探寻规章纳米多孔薄膜对大肠杆

12、菌群和其它病菌群有特别的相互作用机理，具体而言：1规章纳米构造的吸附(富集)；2) 细菌群生殖力量观看；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区分和分别。课题 4 生物模板设计合成型纳米材料担当单位：浙江大学主要学术骨干：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%输系统。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分的可控释放，系统争辩其机理并初步完成细胞和动物试验。课题间的关系973、863 等的丰富阅历，能够保证本工程的顺当实施。4 个课题之间的关系如下图，4 个课题首先瞄准科学问题 1 和 2 1生物相容的磷脂

13、/蛋白质复合双层囊泡 2分子组装，纳米模板合成和气/液界面相分别等组装单元的构造特征、组装过程、驱题供给了解决的保障。即3处于这些组装体中的生物活性物质的状态和功能4危害。课题之间的关联性13 15四、年度打算年度争辩内容预期目标利用自组装和层层组装技术，以 1建立生物兼容性纳米胶囊、纳米仿生材料的生物界面化。管的制备技术，把握对上述纳米 均一性等性质进展准确的操控技 510渗透性可控、稳定性良好的聚电 解质微胶囊以及纳米管同构造特点的多肽分子如阳离2合成得到一系列不同序列、不同子、阴离子、外表活性剂型或者芳香型构造。第含有可反响官能团的乳酸共聚物的合成和表征。一进展嵌段聚合物自组装，并在组装

14、体上键合血红蛋白。年5建立载体聚合物、键合物和聚合组装体的表征方法，进展样品的分析和表征。方法。滤纸、对自然纤维素物质构造外表组装型构造。合“先组装后键合”的三嵌段共聚物。完成上述嵌段共聚物的“先组装50-120nm，20-40%。完成上述嵌段共聚物嵌段长度的测定，纯聚合物胶束形态和直径/血红蛋白胶束形白含量的测定。到达对氧分压的准确把握和对血 红素氧化状态的实时检测或快速度年争辩内容度含氨基、巯基等的分子，设计和预期目标制备可探测和选择性吸附重金属 7制备得到具有超疏水性能接触的纳米材料，并测试其分别性能。料。的纤维素体相材依照传统胶体与界面化学争辩方 8实现对重金属离子在极稀水溶液中的检测

15、和分别约 10ppm 水溶液分别效率大于 50%。集体的形成、性质、构造及聚拢 9合成得到下面两类框架构造的多的本质。Mo临界聚拢浓度(critical aggregationconcentration,CAC)。轮式框架构造的多 Mo 含氧酸盐 1) 具有 C60 笼状框架构造的两种多聚合物在水中的相行为；在保证 Mo 含氧酸盐：样品溶液极为纯洁的根底上 (a) Mo132射技术 (DLS) 和静态激光光散(b)L180H O，7230252 1022LH O/CHCO /Mo ,Mo Fe 射 (SLS), 测定自聚拢体的特性2328/97230参数如自聚拢体的分子量()聚 2) 具有轮状

16、框架构造的两种多MoN它现代技术手段如 FF-TEM含氧酸盐：C60 球状构造和轮式构造的 (a) Mo154Mo152; (b)Mo146多 Mo 含氧酸盐聚合物在水相中聚拢体构造，并跟踪聚拢体演化 发表阶段性争辩和演化过程利用Zeta电位仪测 论文23 篇，其中IF3的13 篇。定纳米尺度无机离子溶液的电化度年争辩内容度体的外表净外表电荷 ( )。预期目标选择具有特别生物功能组装单1获得外表具有特别生物功能的纳米材料，例如将活性分子马达，第镜和光谱技术对上述组装构造进 2获得尺寸形态可控的肽基纳米材行表征。二种类多肽分子的分子自年及制备条件的优化聚物的合成和表征。适合“先键合后组装”的三嵌

17、段共聚物。完成上述聚合物与血红蛋白的键上述聚合物与血红蛋白的键合反 5完成上述键合物的自组装，预期度年争辩内容预期目标度应。获得纳米胶束直径 100-200 nm，聚合物/血红蛋白键合物的自组装。上述聚合物/血红蛋白组装体的构造表征和性能检测。“人造血液”根本配方争辩建立。设计和制备基于自然生物物质的等，由之构筑气体传感器；完成多孔聚合物材料的制备和构造表征。对自然纤维素物质和其他自然材料进展外表生物大分子和药物分子修饰。在滤纸或棉花纤维DNA和药物分子，具体表征该分子层构造，争辩其分子识别性质。测试该材料作为生物传感器的性 能。展，调整争辩打算。具有磁性和对细菌响应的多血红蛋白处于胶束中间层

18、。件，争取获得“囊泡型”组装体，1-2 m。弄清聚合物 /血红蛋白胶束胶囊含量对 pH、粘度、渗透压等的影响，确定“人造血液”的根本配方。等。米材料的方法。性的问题。 与单长链阳离子外表活性剂复配体/水界面上构筑蜂窝状膜，形貌表征和磁性质争辩；Mn2Bi2W20和表 6度年争辩内容预期目标度面活性剂相互作用、相行为及在 35IF3 20 篇。水/空气界面上构筑有序复合多术。将上述制备的多孔性纳米生物材 1建立几种生物兼容性纳米材料载率和机理。氨基酸/乳酸/聚乙二醇嵌段共聚物的合成和表征。第3上述嵌段共聚物的自组装及组装条件优化。三述嵌段共聚物与血红蛋白的混合组装。年5纯血红蛋白与聚合物/血红蛋

19、白键合物的混合组装。上述聚合物/血红蛋白组装体的构造表征和性能检测。物模板的药物搭载系统。量把握标准和质量把握体系。获得系列双亲性嵌段共聚物，如PLL-b-PPA ， PLL-b-PLA ，PEG-b-PLA，PLL-b-PLA-b-PEG。找到形成纳米囊泡的条件。完成上述聚合物与血红蛋白的混合组装，预期形成囊泡组装体，外径 1-2 m ， 血红蛋白含量40-60%。在前一年获得可形成囊泡聚拢体的聚合物/血红蛋白键合物的根底/血红蛋白键合物的混合组装，预期形成囊泡型组装体，外径 1-2m，50-80%。完成上述组装体的构造和根本性度年争辩内容度等)和硅藻等为模板制备金属氧预期目标化物纳米管(二

20、氧化钛、二氧化的构造和形貌表征；测试其有关催化、光电和磁性质。以上述有初步完成药物载体体系的设计。料合成的普适方法，实现其在器件领域的应用。关复合纳米材料为根底构建光电 9 说明纳米尺度无机构造材料的相池系统。的可把握备方法以磁性多金属氧酸盐如氧酸盐如EuW10和外表活性剂相互作用为主线，争辩纳米无机盐与两亲分子的相行为、水相 -油相相转移行为，制备有序多孔纳米薄膜薄膜的设计原理。740IF3 25 篇。连续优化纳米载药体系的制备工 1在纳米药物载体外表引入环境响第载体进展外表修饰，使之具有细胞亲和基团。以抗癌药物竹红菌素为例，开展纳米载四药系统光动力微创治疗剂体外与肿瘤细胞及肿瘤血管内皮细胞相年互作用的争辩。31-2应材料及识