随着纳米技术的迅猛发展,越来越多的纳米材料因其独特的性质在诸多领域发挥重要作用。金属氧化物纳米材料和碳纳米材料是其中广泛应用的两类。本论文研究的典型金属氧化物纳米材料,包括二氧化钛(Ti O2)、三氧化二铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO),广泛应用在食品、药品、化工等领域;而典型的碳纳米材料,碳纳米管(CNTs),则在电子器件、新能源、新型复合材料、信息存储以及生物医药等诸多领域具有重要的应用前景。这些金属氧化物纳米材料和CNTs的规模化生产和应用使得其生物安全性问题备受重视。本论文在细胞层面对这些典型金属氧化物纳米材料和CNTs的生物效应开展了系统研究,为其安全性评价提供了重要数据,具有现实和理论意义。首先我们选择与经口暴露相关的胃肠道细胞,人结肠癌Caco-2细胞和Caco-2细胞单层,为模型,研究金属氧化物纳米颗粒(TiO2、Al2O3、ZnO)的细胞毒性、摄入和跨膜吸收,特别关注现实环境、纳米颗粒的物化性质等因素对其生物效应的影响。其次,我们研究了团聚对碳纳米管的生物效应的影响。通过钙离子调控氧化多壁碳纳米管(O-MWCNTs)团聚,得到不同程度的O-MWCNTs团聚物,然后检测和比较了这些O-MWCNTs对宫颈癌Hela细胞的毒性、摄入等细胞效应。上述工作取得的主要结果如下:1)模拟纳米颗粒进入胃肠道的真实情形,以未分化Caco-2细胞、分化Caco-2细胞和Caco-2细胞单层为细胞模型,研究原始以及白蛋白、胃肠模拟液预处理的不同尺寸的TiO2纳米颗粒的毒性、细胞吸收和跨膜转运。结果显示,所有TiO2纳米颗粒对分化Caco-2细胞的毒性较小,而胃肠模拟液预处理的TiO2纳米颗粒抑制未分化Caco-2细胞的增殖。细胞摄入纳米颗粒受细胞是否分化和表面预处理影响,分化的Caco-2细胞极少摄入预处理的TiO2纳米颗粒,而且细胞摄入TiO2纳米颗粒不是产生细胞毒性的主要影响因素。此外,在各种条件下TiO2纳米颗粒的跨膜率都极低。研究结果表明TiO2纳米颗粒毒性很低,且TiO2纳米颗粒很难穿越小肠屏障。2)首次开展Al2O3纳米颗粒对肠道细胞的毒性和跨膜吸收的研究。关注尺寸、晶型、剂量等因素的影响,研究了不同晶型(?晶型和?晶型)的四种Al2O3颗粒(两种纳米级,两种微米级)对Caco-2细胞和Caco-2细胞单层的毒性以及穿过Caco-2细胞单层的转运。研究发现,Al2O3颗粒对Caco-2细胞的毒性存在剂量依赖性,但晶型和尺寸对细胞毒性的影响较小。ROS是造成毒性的主要机制。Al2O3颗粒浓度在50μg/mL时开始引起轻微的细胞毒性;随着剂量升高,Al2O3颗粒可使Caco-2细胞阻滞在G1期,线粒体膜电位(MMP)下降,最后导致细胞凋亡等。此外,Al2O3颗造成Caco-2细胞单层的细胞死亡,但是不会破坏细胞单层的完整性和紧密连接蛋白。Al2O3颗粒的穿过Caco-2细胞单层膜的量极低,并且与时间、剂量、晶型、尺寸等因素无关。我们的研究结果表明Al2O3颗粒将很难被肠道吸收。3)首次开展了ZnO颗粒对小肠模型Caco-2细胞单层的毒性和跨膜吸收的研究。选择了纳米级和微米ZnO颗粒,研究他们对Caco-2细胞和Caco-2细胞单层的毒性和跨膜转运。结果发现,ZnO颗粒对Caco-2细胞的毒性存在剂量效应,但尺寸的影响较小。Zn离子的溶出是造成细胞毒性的主要机制。在ZnO颗粒浓度达到18μg/mL时,Caco-2细胞活力开始下降,细胞膜出现损伤,MMP下降,白介素8(IL-8)水平升高,最终细胞凋亡。对于Caco-2细胞单层,Zn O颗粒造成少量细胞成簇死亡,但细胞单层的完整性没有受影响。在不同的条件下ZnO颗粒的穿过Caco-2细胞单层膜的量均很低,显示他们很难穿过小肠壁。4)CNTs的物理化学性质会影响他们的生物效应。团聚对CNTs来说是普遍现象,然而由于团聚现象的复杂性,目前关于团聚对CNTs生物效应的影响的研究较少。本论文建立了钙离子调控得到不同尺寸O-MWCNTs团聚物的方法,并研究了它们对Hela细胞摄入CNTs和毒性的影响。研究发现,通过调节钙离子的量可以获得不同浓度下的不同尺寸O-MWCNTs的团聚物。团聚可以显著促进细胞摄入O-MWCNTs。但是通过细胞增殖,细胞膜完整性,细胞凋亡,ROS水平等检测发现团聚状态改变不会引起O-MWCNTs对Hela细胞毒性的改变。研究结果为评估团聚状态对CNTs细胞生物效应的影响提供了重要数据。