石墨烯是一种只有单原子层厚度的二维碳纳米材料。因其独特的理化性质,吸引了众多研究者的兴趣,并在储能、光学尤其是在生物医学领域中展现了巨大的应用潜力。所以研究其生物毒性非常重要,然而,现有关于石墨烯毒性评价的研究多集中于表象,对其潜在的分子机制知之甚少,并且存在着较大的争议。因此,急需对石墨烯材料的生物毒性进行系统和深入的研究。本课题使用实验手段与理论计算相结合,从多个方面研究石墨烯及其衍生的生物毒性行为,并深入的挖掘其潜在的分子机制,旨为石墨烯及其衍生物的生物医学应用提供理论指导。第一章γ射线诱导不同还原程度还原氧化石墨烯的生物毒性研究。目的:探索一种清洁、简便的氧化石墨烯(GO)的还原方法,并研究不同还原程度的还原氧化石墨烯(rGO)的生物毒性差异。方法:γ射线照射,还原GO至rGO;紫外光谱、X射线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)表征还原的rGO;CCK-8、细胞形貌、细胞凋亡、细胞自噬和活性氧(ROS)产生评价不同还原程度的rGO的细胞毒性;集落形成和电镜成像检测不同还原程度的rGO诱导的细菌毒性。结果:γ射线可以还原GO至rGO,通过控制照射剂量,可以得到不同还原程度的rGO;rGO还原程度越高,诱导细胞的细胞毒性越大、细胞自噬和凋亡越严重、产生的ROS量越高;中间还原态的rGO对细菌的集落形成和形态影响最大。第二章GO纳米片与微丝蛋白相互作用的研究目的:探索前文中已被证实生物毒性较小的GO的新的毒性机制。方法:光学显微镜观察GO处理后细胞的形貌变化;电镜成像和免疫荧光观察亮点的本质,并分析其与微丝蛋白的联系;MD模拟揭示GO纳米片和微丝蛋白相互作用的分子机制;划痕恢复实验和单细胞追踪实验分析GO损伤微丝蛋白后对细胞行为的影响。结果:GO处理后细胞膜上出现的具有强折光性的亮点是通过损伤微丝蛋白引起细胞膜塌陷产生的孔洞;MD模拟结果显示,GO纳米片可以插入到微丝蛋白四聚体(微丝蛋白的螺旋重复单元)的链间间隙中,最终破坏微丝蛋白;GO处理显著降低了细胞的运动能力。第三章氧化石墨烯表面蛋白包被弱化其引起的细胞毒性的研究目的:探究GO表面吸附蛋白后,弱化其细胞毒性的分子机制。方法:AFM和蛋白定量分析GO对蛋白质的吸附;CCK-8和Live/dead检测GO在有无蛋白包被的细胞毒性变化;通过电镜成像观察GO对细胞膜的损伤;通过MD模拟和分子相互作用检测分析蛋白质包对GO与细胞膜相互作用的影响;侧向角散射(SSC)分析蛋白包被对GO被细胞內吞的影响;通过检测ROS产生、细胞凋亡和细胞周期变化,分析蛋白包被对GO诱导细胞生物损伤的影响。结果:GO与蛋白质预混后,可快速吸附蛋白质;蛋白包被后的GO引起的细胞毒性显著降低;蛋白包被可显著弱化GO对细胞膜的损伤;蛋白包被在石墨烯片层上形成空间位阻,弱化了石墨烯与细胞之间的相互作用;蛋白包被后的GO被细胞的摄入量显著降低,进而减少GO诱导的细胞中ROS的产生、缓解了裸的GO诱导的细胞凋亡和周期阻滞。结论:(1)高剂量的γ射线可以将GO还原为rGO;且还原程度越高的rGO细胞毒性越大;然而,还原程度过高的rGO,随着还原程度的提高,杀菌能力显著减弱;(2)GO处理后,细胞表面出现的亮点与自噬无关,是GO通过与微丝蛋白相互作用,损伤微丝蛋白,进而引起细胞膜塌陷形成的孔洞;GO损伤微丝蛋白后会减弱细胞的运动能力。(3)GO进入生物环境中,蛋白质等生物大分子,会快速吸附到片层表面形成蛋白包被;GO表面的蛋白包被可以显著的弱化GO与细胞膜磷脂分子的相互作用,进而减轻GO诱导的物理损伤;蛋白质包被减少了细胞对GO的摄入,进而减轻GO诱导的生物损伤。本论文紧紧围绕着石墨烯及其衍生物的纳米毒理学问题,研究了不同还原程度rGO的生物毒性、GO对细胞微丝蛋白的损伤和蛋白包被对GO诱导的细胞毒性的影响,并着重对它们的分子机制进行了深入的研究。本论文的工作补充了石墨烯材料的纳米毒理学研究,并对石墨烯及其衍生物的毒性机制提出新的见解,为其今后的生物医学应用提供参考和理论指导。