在生物微环境中,纳米颗粒可与细胞作用而产生细胞毒性。这些过程有严格的时间与空间依赖性。纳米颗粒可经生物分子吸附、细胞摄入、表面分子脱吸附、与细胞内膜结构作用、降解、自由基产生、细胞响应与应答等生物与化学过程。从生物层面上,人们可以通过生物学方法和手段,观察和评价细胞和分子水平的效应与应答如细胞定位和转运、细胞器结构、信号通路、细胞氧化应激、细胞凋亡。观察的现象和得到的结论对了解纳米颗粒毒性的终点和生物过程,显得非常重要。从本质上讲,纳米-生物界面作用导致了纳米毒性。关联纳米毒性与纳米-生物界面作用便于理解纳米结构、性质与毒性构效关系；而相关研究是纳米毒性学研究的难点和挑战,针对这些难题我们开展了系统的工作。以金纳米颗粒为例,金纳米棒经表面活性剂CTAB修饰后,CTAB双层结构存在于表面可直接与细胞膜、细胞内膜作用,导致细胞毒性和死亡；但通过在表面吸附蛋白质,形成稳定的吸附结构,就能显著降低细胞毒性。借助于X射线吸附近边结构(XANES)和X射线荧光(XRF)细胞成像、分子动力学模拟,我们清晰捕捉到蛋白质在金纳米棒的吸附界面,并用XRF对细胞内的Au、S元素成像,观察到细胞内蛋白-纳米复合物的细胞摄入和定位；结合透射电镜和生化方法,最终确定了这种稳定复合体在细胞毒性中的保护作用。以银纳米颗粒为例,细胞内吞、降解、自由基产生和凋亡具有严格的时间和空间顺序。阐明这种时空顺序和关系,对了解毒性的本质、设计材料性质降低毒性非常必要。从这一点出发,借助于Ag-XANES研究不同生物过程中银化学形态的转变,并用原位、高灵敏度、高分辨同步辐射纳米CT成像在单细胞水平上研究细胞内吞、降解和外排过程；并结合透射电镜、分子生物学方法,确定了颗粒降解形成银-硫键形式,这一形式扰乱细胞溶酶体和线粒体功能,从而诱导氧化应激、细胞凋亡和毒性。综上所述,基于纳米-生物界面的结构、性质与细胞毒性的关联性研究,有助于纳米毒理学研究进入更深入的层次,了解纳米毒理学本质；也有利于纳米材料的理性设计,提高其应用的功效、降低其毒性效应。