SrTiO3納米晶多面體可控生長及其生物學(xué)行為研究.pdf

1、納米材料對細(xì)胞生長或組織形成等過程會產(chǎn)生各種特殊生物學(xué)效應(yīng)，且其效應(yīng)常取決于材料表面蛋白質(zhì)吸附及其吸附狀態(tài)。由于材料表面原子種類和排列結(jié)構(gòu)是影響吸附最關(guān)鍵因素，因此，開展具有確定原子排列結(jié)構(gòu)表面的單顆納米晶與蛋白質(zhì)相互作用以及與細(xì)胞響應(yīng)性的研究，對理解納米材料產(chǎn)生的生物效應(yīng)具有重要的理論意義。本論文中以低密勒指數(shù)晶面的表面原子結(jié)構(gòu)有顯著差異的SrTiO3晶體為模型材料，以其非極性面{100}和極性面{110}為生長控制晶面，通過水熱生長

2、法，在晶面控制劑作用下，可控地制備了規(guī)則SrTiO3納米晶多面體。研究{110}/{100}不同比例的規(guī)則納米晶多面體與蛋白質(zhì)之間的相互作用以及后續(xù)與細(xì)胞之間的相互作用行為。主要研究結(jié)果為:
　　以LiOH作為晶面生長控制劑，利用Li+離子易吸附在生長晶體的{001}面上，促進(jìn)其面OH-基團(tuán)脫水反應(yīng)的產(chǎn)生，改變界面上液體層的組成與結(jié)構(gòu)，減少吸附層對晶體生長的阻力和OH-離子進(jìn)入晶格的幾率，從而最終形成了100％由{100}面組成的

3、SrTiO3納米晶立方體，且尺寸在50-250 nm范圍內(nèi)可調(diào)。
　　利用不同pKa值醇分子與材料表面作用強(qiáng)弱不同的特點(diǎn)，以此為晶面控制劑，通過選擇合適pKa值的醇分子及其加入量，成功地制備了出由{100}和{110}晶面構(gòu)成的SrTiO3規(guī)則納米晶多面體，且其多面體的{110}/{100}比例在0至0.95范圍內(nèi)可調(diào)，多面體尺寸在30-250nm范圍內(nèi)可控。該納米晶多面體幾何特點(diǎn)為由6個{100}晶面和12個{110}晶面組成的

4、十八面體。
　　醇分子晶面控制作用機(jī)理可理解為:1）隨著醇分子pKa值的減小，醇羥基的氧原子與SrTiO3{110}晶面Ti原子的相互作用增強(qiáng)，降低了{(lán)110}晶面的表面能，使{110}晶面在生長過程中暴露量增加。從而在一定范圍內(nèi)醇Pka值減小，出現(xiàn)相應(yīng)納米晶多面體{110}比例增加的變化規(guī)律;2）醇分子對溶液中新生成的SrTiO3晶核具有穩(wěn)定作用，隨著加入量的增加，其穩(wěn)定效果越明顯，從而在一定范圍內(nèi)醇量增加，出現(xiàn)相應(yīng)納米晶多面體

5、尺寸減小的變化規(guī)律。通過BaTiO3規(guī)則納米晶多面體水熱生長，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述醇分子晶面生長控制劑在水熱生長過程中發(fā)揮調(diào)控的機(jī)理。
　　選擇尺寸為200 nm左右的SrTiO3納米晶立方體和十八面體作為模型納米晶，研究不同蛋白質(zhì)在其表面的吸附行為。SEM觀察顯示牛血清白蛋白質(zhì)、豬血清球蛋白質(zhì)和魚精蛋白質(zhì)均呈選擇性地在{100}晶面上吸附，與{110}晶面沒有作用。根據(jù)球差電子顯微鏡測得的SrTiO3納米晶多面體的{100}和{11

6、0}晶面原子排列結(jié)構(gòu)參數(shù)，由分子動力學(xué)(MD)理論模擬計(jì)算分析得知，其選擇性歸結(jié)于{100}晶面上的吸附水分子層無序且不穩(wěn)定，而{110}晶面上的水分子層結(jié)構(gòu)有序且非常穩(wěn)定，有效地阻止蛋白質(zhì)在其表面的吸附。對比(100)和(110)取向的SrTiO3體單晶片表面上吸附蛋白質(zhì)行為的無明顯差異性，顯示出只有納米尺度下SrTiO3表面才具有的特殊表面效應(yīng)。
　　同樣選擇尺寸為200 nm左右的SrTiO3納米晶立方體和十八面體作為模型納

7、米晶，研究了納米晶多面體的{110}/{001}比例或其形貌對與細(xì)胞相互作用行為的影響。當(dāng)SrTiO3納米晶多面體與Hela細(xì)胞一起培養(yǎng)8小時后，會產(chǎn)生Hela細(xì)胞吞食納米晶的現(xiàn)象。隨著納米晶多面體{100}晶面比例的增加，其被細(xì)胞吞食量也隨之增加，由{100}晶面構(gòu)成的立方體被細(xì)胞吞食量幾乎是{110}/{100}為0.9的十八面體的60倍。同樣通過對比(100)和(110)取向的SrTiO3單晶片表面上細(xì)胞相互作用行為的差異（無明顯

8、差別），可認(rèn)為SrTiO3納米晶多面體的{100}和{110}晶面上吸附蛋白質(zhì)行為差異是引起Hela細(xì)胞吞食行為差別的主要原因。
　　通過本文研究，探明了在水熱生長{110}/{001}不同比例的規(guī)則SrTiO3納米晶多面體中醇分子晶面生長控制劑的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了SrTiO3納米晶多面體中{110}和{100}晶面原子排列不同引起的蛋白質(zhì)吸附巨大差異性，其差異性還會對Hela細(xì)胞吞食納米晶多面體行為產(chǎn)生重要的影響。
　　本文