关键词： 纳米技术   光束偏转法   三探针原子力显微镜   扫描成像   力曲线  

摘要： 自原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)被发明以来,作为纳米技术研究中一个重要的工具,其在多个领域都得到了应用。AFM作为扫描探针显微镜家族的新成员,由于对样品所处环境的要求更加宽松,这使其在生物科学研究领域中发挥着不可替代的作用。随着纳米技术的发展,对AFM功能性的要求越来越高,在对样品扫描成像的基础上,要求其具有操纵、加工刻蚀、电特性测量等更多的功能。目前,AFM系统以单探针结构为主,无法满足越来越多的功能需求,为了拓展AFM系统的功能与应用范围,本文设计了一种三探针原子力显微镜系统,旨在实现在对样品扫描成像的基础上,拓展其在纳米操纵、力特性测量等研究方向上的应用,本文的主要研究内容有:(1)概述了AFM的发展背景与历史,对国内外的AFM发展现状进行了介绍,总结了单探针原子力显微镜系统存在的不足,进而提出本文的研究内容。(2)对AFM的基本工作原理进行了介绍,总结了AFM系统的工作模式以及探针悬臂梁微位移的检测方法。以光束偏转法作为本设计中探针悬臂梁微位移的检测方法,建立了液体环境中两种检测光路的数学模型,分析了减小光斑跟踪误差的解决方法。(3)基于光束偏转法,设计了三探针原子力显微镜成像系统的光路系统,主要涉及激光器、光电探测器、反射镜等元器件参数的计算与选型。在光路系统的基础上,设计了系统的扫描定位与数据处理单元,最后确定了系统的整体结构并搭建了实验光路系统,系统的扫描范围为200μm×200μm,成像分辨率为1 nm。(4)为了验证系统的性能,对光路系统的误差进行了分析,通过对标准一维光栅扫描成像,评价与验证了自制AFM系统的成像性能。在不同参数条件下,对二维光栅进行了扫描成像研究,分析了设定值、比例增益与积分增益对扫描结果的影响。对细胞进行了成像与力特性的研究,成像的目标为肝癌细胞,最后测量得到了大鼠海马区神经细胞的力特性曲线,讨论了探针接触不同样品时力曲线的区别,为细胞电特性的测量等实验奠定了基础。(5)总结了本课题的研究工作,分析了系统中存在的不足,对未来的工作进行了展望。

关键词： PLGA   介孔二氧化硅   纳米技术   农药   缓控释放  

摘要： 农药在防治病虫灾害中发挥很重要的作用,但目前存在有效利用率低,环境污染严重等问题。纳米材料由于具有尺寸小、可修饰等优点在农药剂型改良上具有潜在优势。本研究基于有机高分子材料聚乳酸-羟基乙酸共聚物(Poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA)和无机介孔二氧化硅材料SBA-15、FDU-12和BMMs,分别包载杀菌剂氟啶胺(Fluazinam,Flu),啶酰菌胺(Boscalid,Bos)和杀虫剂噻虫嗪(Thiamethoxam,Thi),成功构建了三种纳米缓释型载药体系,对其理化特性及生物活性分别进行了评价。为今后提高农药有效利用率,发展高效、环保的绿色新型农药剂型提供了理论依据。本论文的工作包括以下几个方面:(1)以有机高分子材料PLGA为载体,采用SPG膜乳化法,加入表面活性剂SDS(Sodium dodecyl sulfate,SDS)和PVA(Polyvinyl alcohol,PVA),分别构建两种包载Flu的纳米药物Flu-PLGA-SDS和Flu-PLGA-PVA。两种纳米药物呈球形状,尺寸分布均匀,Flu-PLGA-SDS和Flu-PLGA-PVA纳米药物的粒径分别为314.1 nm和612.8 nm;具有良好的光热稳定性、润湿性与缓释性,在240 h累计释放率分别达到了79.2%和73.4%,第8天时与市售制剂相比EC值分别降低了46.4%和39.5%。(2)利用溶液吸附法将Bos组装到无机介孔材料SBA-15和FDU-12的孔道中,成功制备负载Bos的新型纳米复合农药Bos-SBA-15和Bos-FDU-12。两种纳米药物分别呈棒状和颗粒状分布,平均粒径分别为680.3 nm和870.6 nm,XRD检测和热重分析证明了Bos已经成功装载至SBA-15和FDU-12两种介孔材料中,且药物的装载并没有对介孔结构造成较大影响,Bos-SBA-15和Bos-FDU-12纳米药物负载率分别为31.49%和22.44%。纳米药物有良好的热稳定性、缓释性及抑菌活性。(3)首先合成双模型的介孔材料BMMs,利用氨基进行改性并装载Thi,基于自由基聚合原理采用表面接枝法在载药载体表面包覆聚丙烯酸PAA,最终得到p H敏感性的P/Thi-NN-BMMs复合纳米药物。该药物尺寸为891.7 nm,分布均匀,负载率为25.2%。P/Thi-NN-BMMs具有一定的p H敏感性,在碱性环境中的累积释放量显著高于中性及酸性环境中,相比于未被修饰的纳米药物及市售制剂具有更强的杀虫特性,相对毒力为Thi可湿性粉剂的1.44倍。

关键词： 阴离子交换膜   青藏高原   壳层结构   分子印迹材料   作物学   海洋生物学   纳米技术   钙钛矿太阳能电池   燃料电池   《科学通报》  

关键词： 纳米技术   纳米材料   电化学传感   生物传感器  

摘要： 纳米材料近十年来的飞速发展促进着基础科学与材料工业的进步,其在催化、电学、热学等方面的独特物理化学性能已在诸多领域得到了很好的应用.另一方面,电化学生物传感技术在临床医学等方面的广阔应用前景,也引发了科学家的广泛关注与积极探索.近年来,纳米材料技术正逐步向电化学传感领域渗透,取得了突破性的成就与进展.结合既有的文献报道,本文总结了近几年来纳米材料技术在现代电化学生物传感器方面的研究进展,分别从碳纳米材料、金属纳米粒子与二氧化钛纳米管修饰电极三个方面对基于纳米技术的电化学生物传感器进行介绍.最后,对电化学生物传感器未来的研究方向与应用前景进行了展望.

关键词： 稀土元素   纳米技术   骨缺损   成骨   316L不锈钢   硒涂层  

摘要： 第一部分无机纳米颗粒材料对骨缺损修复作用的研究背景:在骨科重建手术、骨科慢性疾病和创伤所致的骨缺损的治疗过程中,以生物材料、细胞和生长因子为主要研究方向的骨组织工程已经成为了重要的研究方向。到目前为止,羟基磷灰石(HA)和β-磷酸三钙(β-TCP)由于其良好的生物相容性和生物活性而常常被应用于骨缺损治疗过程中的组织工程材料。但是并不令人完全满意的是,HA和β-TCP组织工程支架仅具有有限的骨诱导性,因此它们不能满足骨质疏松症和代谢紊乱患者的治疗需求。为了在能够在保证骨缺损修复能力的条件下,提高机械性能,目前的研究主要几种在将各种机械性能增强材料(如碳纳米管,石墨烯和氮化硼纳米管等)纳入生物材料的应用之中。近年来,在人体中发现了微量的稀土元素(REEs),如钆(Gd),铈(Ce),铕(Eu),钐(Sm)和镧(La)等元素在调节人体干细胞分化,代谢和组织再生的重要作用。目的:本实验通过合成来源于无机稀土元素的磷酸镧纳米颗粒/壳聚糖(LaPO/CS)以及磷酸钆纳米颗粒/壳聚糖(GdPO/CS)支架材料,并与β-磷酸三钙/壳聚糖(β-TCP/CS)支架材料进行对比,评估其理化性质及骨缺损的修复能力。方法:通过化学沉淀法制备直径为400nm的LaPO纳米颗粒以及GdPO纳米颗粒,然后以此为基础,将其搭载层叠状的壳聚糖的支架上,并对支架进行扫描电镜、透射电镜、X-射线衍射检测、傅里叶红外光谱分析等检测表征其理化性能。在体外,将BMSCs接种于支架,通过SEM、CCK-8、ALP活性、ALP及茜素红染色、RT-PCR以及Western Bolt检测其体外生物相容性和体外促成骨分化能力。体内将支架植入S-D大鼠的颅骨缺损区,并通过序列荧光标记、Micro-CT、组织学染色等方法对其体内的骨缺损修复能力。结果:本实验成功合成了直径为400nm的LaPO纳米颗粒以及GdPO纳米颗粒,并搭载于壳聚糖支架上。体外结果显示,纳米LaPO/CS以及纳米GdPO/CS支架材料与对照组β-TCP/CS支架材料相比,具有良好体外生物相容性和促成骨分化能力。同时,研究发现La可以通过Wnt/β-catenin信号通路促进骨髓间充质干细胞的成骨分化,并诱导成骨相关基因碱性磷酸酶,骨钙蛋白和胶原蛋白-I的高表达;而Gd可以通过激活Smad/Runx2型号通路,促进BMSCs的成骨分化。在体内,这两种支架材料与对照组相比,都可以增强大鼠临界尺寸的颅骨缺损的修复以及胶原蛋白沉积。结论:1.纳米LaPO/CS以及纳米GdPO/CS材料均具有良好的体外生物活性。2.与β-TCP/CS支架相比,纳米LaPO/CS以及纳米GdPO/CS材料在体外和体内均可以显著的促进细胞的成骨分化和新骨的再生。第二部分纳米有序化点阵不锈钢材料对骨缺损修复作用的研究背景:骨折是最常见的损伤之一,近几十年来,骨折的发病率急剧增加,在骨折的治疗过程中,导致了医疗保健系统和个人的各种巨额经济负担。目前,医用的316L不锈钢材料仍然广泛应用于各种临床手术之中,因为其具有优越的机械性能、耐腐蚀性能以及相对较低的价格。然而,316L不锈钢在人体内的长期植入依然存在着某些临床问题。为了解决这些问题,在316L不锈钢的表面改性被认为是进一步提升改材料的生物活性以及摩擦性能、预防内固定松动或者断裂的最有效的方式。之前的研究中,我们发现直径为500 nm的纳米凹坑能够显着的增强了细胞的粘附附着能力和增殖能力。因此,纳米尺度下316L不锈钢的表面修饰,也可能为体内细胞提供一个极好的生物活性界面,并促进细胞的体外和体内的成骨能力。目的:本实验通过在316L不锈钢的表面进行纳米有序化点阵修饰及纳米硒涂层,并与普通316L不锈钢材料进行对比,评估其理化性质及骨缺损的修复能力。方法:通过电化学氧化法和纳米级硒涂层,合成具有纳米有序化点阵硒涂层316L不锈钢,以增强其表面特性,生物相容性和骨整合能力。并通过场发射扫描显微镜(FESEM),能量色散X射线光谱(EDS),X射线光电子能谱(XPS)和硒释放等检测表征其理化性能。在体外,将BMSCs接种于材料表面,通过SEM、免疫荧光、CCK-8、ALP活性和RT-PCR检测其体外生物相容性和体外促成骨分化能力。体内将支架植入S-D大鼠的股骨缺损区,通过Micro-CT检测其体内的骨缺损修复能力。结果:本研究成功合成了直径为50nm的纳米有序化点阵,并且由纳米硒单质涂层的纳米有序化点阵316L不锈钢材料。体外结果显示,纳米有序化点阵316L不锈钢与传统的316L不锈钢材料相比,具有良好体外生物相容性和促成骨分化能力。更重要的是,硒涂层可以上调OPNRUNX-2和ALP的基因表达,说明其突出的细胞相容性和成骨分化能力。在体内,纳米有序化点阵硒涂层316L不锈钢可以更好的促进体内的新骨形

关键词： 碳纳米角   光治疗   纳米技术   免疫治疗   肿瘤转移  

摘要： 三阴性乳腺癌具有高转移和易复发的特性,使其预后较差,死亡率较高。传统乳腺癌的治疗方式,例如手术切除、化疗和放疗等存在固有局限性。越来越多的临床试验表明,单一传统的治疗模式难以有效的根除三阴性乳腺癌,因而多模式协同治疗在临床试验中得到了广泛的关注。纳米材料由于其本身特有的物理、化学性质及体内行为,为三阴性乳腺癌多模态诊疗应用研究提供了良好的平台。纳米材料作为载体,不仅能够增强传统疗法(联合载药、放化疗联合使用)的疗效,同时也使一些新兴的疗法(光动力治疗、光热治疗等)成功的被引入到三阴性乳腺癌的治疗中。这种传统治疗联合新兴疗法的多模态协同治疗模式,大幅度提高了三阴性乳腺癌原位瘤的治疗效果,但对于转移及复发灶的疗效往往不佳。最近研究表明纳米材料引入的光治疗和免疫治疗的结合为抑制肿瘤发生、发展、转移和复发带来了新的治疗思路:纳米光治疗-免疫联合疗法不仅保留了纳米材料的固有物理、光学特性,并且能够有效激发自体免疫反应,展现出对转移灶高效的抑制及有效预防肿瘤复发的协同效果。因此,合理巧妙的设计纳米载体及治疗配方,使纳米工程技术、光治疗及免疫治疗三者有机的结合,在发挥三者优势的同时,充分调动机体抗肿瘤的“内-外”因素,协同达到抑制原发瘤及其转移灶的目的。基于此,本论文研究内容围绕着对自发转移三阴性乳腺癌(4T1)的治疗,以生物相容性良好的单壁碳纳米角(single-walled carbon nanohorns,SWNHs)材料为基础,设计构建了双化疗-光热治疗(photothermal therapy,PTT)及光动治疗(photodynamic therapy,PDT)-PTT复合光物理/光化学治疗体系。动物体内实验结果表明,双化疗-PTT和PDT-PTT复合治疗均表现出显著的协同抑瘤效果,成功的抑制了肺部转移灶的生长。随后对PDT-PTT光治疗模式产生的协同免疫效应机理进行了系统、深入的研究。作用于肿瘤不同靶点的临床一线化疗药物,阿霉素(doxorubicin,DOX)和顺铂(cisplatin),临床研究表明两者具有协同肿瘤治疗效果。因此我们成功构建了一种双化疗药物负载、高效靶向肿瘤的双化疗-PTT纳米诊疗体系(SWNHs/CPMH/mPEG-PLA-DOX-Pt)(第二章节)。首先,SWNHs以两亲性聚合物马来酸酐-alt-1-十八碳烯(CPMH)和甲氧基封端的聚乙二醇-b-聚-D,L-丙交酯(mPEG-PLA)同时修饰,形成“高-低”层次的表面结构。随后DOX以“?-?”堆积、Cisplatin以羧酸配位的互不干扰方式依次负载到SWNHs上。体外研究表明DOX和Cisplatin具有不同pH敏感性,在酸性环境下可实现相继、持续的释药行为。体内研究表明静脉给药后,该体系具有较长的血液半衰期(10.9 h),同时能高效靶向原发肿瘤及其肺部转移灶。双化疗-光热的协同治疗可高效消融原发性肿瘤,并有效抑制乳腺癌的肺部转移灶。其次,基于SWNHs纳米体系,本论文进一步构建了具有磁共振(magnetic resonance imaging,MRI)、光声成像(photoacoustic imaging,PAI)和荧光成像(fluorescence imaging,FI)引导的,PDT/PTT光复合肿瘤治疗的纳米体系(第三章),即钆偶联、光敏剂二氢卟酚e6(chlorin,Ce6)负载、两亲性聚合物包覆的SWNHs系统Gd-Ce6@SWNHs。由于Ce6具有荧光性质以及SWNHs具有良好的近红外II(NIR-Ⅱ)吸收,该系统可用于MRI/Fl/NIR-ⅡPAI多模式影像引导的光热、光动肿瘤协同治疗。磁共振成像和近红外二区(NIR-Ⅱ)光声成像结果表明Gd-Ce6@SWNHs具有高效的肿瘤“归巢”及渗透能力。体外荧光成像表明在靶向原位瘤的同时,Gd-Ce6@SWNHs也能靶向肺部转移灶。相比于单一的光治疗模式(PTT或PDT),局部增强的PTT、PDT复合协同治疗不仅成功的消除了原发瘤,也抑制了肺转移灶的生长。最后,本论文系统地阐释了PDT/PTT诱导协同免疫的机制及SWNHs在免疫循环中的作用(第四章)。PDT/PTT肿瘤原位治疗能够诱导多样性和多源性免疫相关的损失相关分子模式(damage associated molecular patterns,DAMPs)的形成,提供更丰富的免疫源性蛋白用于刺激宿主免疫反应。光复合治疗后,钙网蛋白(calreticulin,CRT)、热激蛋白70(heat shock protein,HSP70)及细胞碎片等具有免疫原性的物质的释放,成功的激活机体免疫反应,使远端肿瘤中树突细胞(dendritic cell,DC)的含量在治疗3天内分别上升为2.54%(PDT),2.15%(PTT)和6.44%(光复合

关键词： 微光学   纳米技术   纳米热压印设备  

摘要： 随着我国科学技术不断创新,'纳米技术'得到更多广泛应用,本文通过对面向微光学元件加工的纳米压印设备的优化设计进行分析研究,将其实质性、重要性进行明确阐述,采用理论概述、原理论述及设计对策等方法,结合问题现状,提出优化建议,为纳米压印设备的实际应用奠定基础.

关键词： DNA Single Strand Tile   DNA折纸   纳米技术   DNA自组装   完全可寻址  

摘要： 自1953年,Watson和Crick首次提出DNA双螺旋结构以来,DNA作为遗传物质、信息载体和纳米材料被广泛研究,并成为多个领域的研究对象,如基因工程、DNA酶、生物信息学、信息存储、DNA纳米技术等。DNA作为一种天然的纳米材料,其完美的碱基互补配对原则(A-T、C-G)使其具备自组装的能力,从而在纳米结构领域成为21世纪备受瞩目的材料之一。DNA纳米自组装技术是通过人工设计合成DNA序列,利用沃森-克里克碱基互补配对的原则,以DNA链为纳米材料形成纳米结构的新兴技术。目前,以DNA为纳米材料构建的纳米结构形态不一,其基本构建方法主要分为两种:DNA Tile和DNA折纸。Tile顾名思义是将DNA作为瓦片使用,通常由若干条DNA短链形成一个基本的Tile单元如DAO(Double Antiparallel Odd)Tile,作为DNA自组装的基本单元,Tile单元留有粘性末端,可编程自组装成大型的周期性结构。而DNA折纸术则是以一条脚手架链DNA作为脚手架链,脚手架链DNA被预先折成理想的结构,然后用短链DNA订书机链将脚手架链DNA的形状固定。本文充分结合了上述两种DNA纳米材料的构建方法,设计形成了DNA折纸和DNA SST(Single Strand Tile)相结合的完全可编程逻辑自组装结构。文章将按照后续思路展开介绍研究工作及其意义。首先,分别从DNA Tile和DNA折纸两个方向介绍研究背景,以及国内外相关研究的进展,并阐述本文的研究问题、研究思路及其意义。其次,结合DNA折纸技术,详细阐述本研究的基本结构DNA折纸的设计、形成过程。接着,结合已有的DNA折纸框架分别设计形成了部分可寻址逻辑自组装结构和完全可以寻址自组装逻辑结构,从实验角度证明了设计的可行性,组装出了一种更经济的DNA折纸与SST相结合的纳米结构,同时在填充的区域解决了SST在自组装过程“热力学陷阱”问题。文章将分别在各个章节中介绍相应的设计方案,仿真和实验结果。最后,总结本文中设计方案在不同的实验方案下对实验结果产生的影响,并给出了相应的解决方案,提出了相应的改进方法。本课题的实现为DNA纳米结构自组装提供了一种新的思路,为自组装形成大型、有界的DNA纳米平面提供了一种可能,并充分降低了实验成本。因此,其不仅具有科学意义,同时具有一定的经济意义。

关键词： 纳米技术   认识论   科学哲学   异化   反思  

摘要： 本文以纳米技术为切入点,借助认识论和科学哲学的视阈,对纳米技术和纳米材料的研究内容、发展过程进行梳理,分析其带来的哲学思考,认为纳米技术的诞生拓展了人类的认识领域,并从某种科学哲学的视阈上说不失为又一次科学革命.同时对纳米技术的现状和未来进行反思,防止技术异化,实现对纳米技术发展的双重分析.

关键词： 致密砂岩   润湿性   纳米技术  

摘要： 目前,我国石油需求稳步增加,而常规石油资源越来越少,开发难度不断加大,对国家能源安全产生了极大的威胁。我国致密油的储量丰富,使它成为石油领域重要的接替能源,加快推进致密油的开发已成为必然选择。一些研究表明,油湿储层转换为水湿可以有效提高致密油的采收率,而具有纳米结构的液体在可注入性和改善润湿性方面具有独特的优势,有望成为致密油增产的关键技术之一。本文以吉木萨尔区块为研究背景,通过调节主剂、助剂、聚合物及油相的配比与粒径测试相结合,研发出五种经济、安全、环保的纳米润湿反转剂。并在此基础上对纳米润湿反转剂进行基本物性测试,考察纳米润湿反转剂适用储层的基本参数。从微观角度,利用全反射红外光谱法和扫描电子显微镜测试探究纳米流体在岩石表面的吸附情况和微观作用机理。从宏观角度,对纳米流体进行与煤油的界面张力测试,接触角测试和岩芯驱替实验,评价纳米润湿反转剂的性能。研究结果表明,五种纳米润湿反转剂,性能稳定,可稀释性良好,粒径在8～25nm,通过浓度变化或者配方变化,可以控制纳米润湿反转剂粒度及分布,调控纳米润湿反转剂的尺寸;通过接触角、全反射红外光谱和扫描电子显微镜的方法证实纳米润湿反转剂具有润湿反转功能,显示纳米润湿反转剂可在1～2h之内改变表面性质,使之变为水湿,油滴接触角显著增大,其0.1%浓度时,界面张力维持在2m N/m以下,利于返排和驱油;针对吉木萨尔区块砂岩,优选纳米润湿反转剂1#具有较好的剥离油滴能力,洗油效果优秀（效率＞95%）、助排效率（＞85%）和启动压力（降低一半）,且纳米液体伤害略小于普通助排剂。综合上述,根据实验结果可归纳得出纳米润湿反转剂的作用机理。随着纳米流体通过储层,纳米颗粒逐步释放表面活性剂,在岩石表面吸附,将亲水基团暴露在外侧,形成微纳米的亲水结构,使储层转变为水湿,油水界面张力大大降低,提高了洗油效率。