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高能所稀土納米材料生物效應研究取得系列進展

納米二氧化鈰是最重要的一種稀土納米材料,研究表明納米二氧化鈰具有很高的表面活性,使其不僅可用作工業催化劑,亦有望作為生物模擬酶用于生物醫學領域。但與成熟的工業應用相比,其生物醫學應用尚處于萌芽階段。其中一個主要的瓶頸問題是具有生物模擬酶活性的納米二氧化鈰必須滿足粒徑小于5 nm、表面有大量的Ce(III)等條件,而這樣的納米顆粒往往不符合生物醫學應用的要求或者在生理條件下極易失活。

   中國科學院高能物理研究所多學科中心環境毒理組的科研人員發現,通過與電子供體發生電子轉移,可以使原本不具有模擬酶活性的納米二氧化鈰活化,獲得超氧化物歧化酶(SOD)活性,且活性遠遠超過天然酶。利用這種方法,不同尺寸和形貌的納米二氧化鈰均可以被活化。該工作揭示了納米二氧化鈰表面化學行為與其化學形態之間的關系,為新型納米酶的設計提供了基礎,將有力推進納米二氧化鈰在生物醫學領域的實際應用。相關結果已發表于《德國應用化學》(Angew Chem Int Ed, DOI: 10.1002/ange.201410398),并入選Wiley-VCH的Hot Topics in Surfaces and Interfaces。

  高能所環境毒理組在稀土元素化學與稀土元素生物效應方面有30余年的積淀。上世紀80年代起,利用中子活化分析技術陸續開展了土壤、生物樣品中稀土元素的含量與化學形態、稀土元素的植物生理效應及神經毒理的研究。成功研制了性能優異的新型摻釓液體閃爍體,用于大亞灣反應堆中微子實驗,解決了重大技術難題。近年來,在科技部和基金委的大力支持下,結合所“一三五”規劃,研究組充分發揮同步輻射技術在化學形態分析方面的優勢,將工作重點轉向稀土納米材料的環境行為與生物效應。研究了水生態系統中的納米二氧化鈰的分布與歸趨(Chemosphere, 2012, 89: 530-535; Nanoscale Res Lett, 2012, 7:84)。評價了納米二氧化鈰對多種模式生物,如大腸桿菌(Nanotoxicology, 2012, 6: 233-240; Environ Pollut, 2015, 196: 194-200)、秀麗隱桿線蟲(Environ Sci Technol, 2011, 45: 3725-3730)和大鼠、小鼠(Nanotechnology, 2010, 21: 285103; Int J Mol Sci, 2014, 15, 6072-6085)等的生物效應。系統研究了稀土氧化物納米材料與植物的相互作用(Chemosphere, 2010, 78: 273-279; Nanotoxicology, 2011, 5: 743-753; Nanotoxicology, DOI: 10.3109/17435390.2014.921344; Environ Sci Technol, 2012, 46(3): 1834-1841; RSC Adv, 2015,5, 4554-4560)。首次發現納米二氧化鈰的生物轉化現象,確定了轉化條件(ACS Nano, 2012, 6: 9943-9950; Environ Pollut, 2015, 198: 8-14),解釋了納米二氧化鈰植物毒性種間差異的機制(Nanotoxicology, DOI:10.3109/17435390.2013.855829)。研究工作兩次被英國皇家化學會期刊選為封面文章發表(Metallomics, 2011, 3: 816-822; Environ Sci: Nano, 2014, 1: 459 - 465)。

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