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基因治疗是指将外源性基因传递进病变细胞从而达到治疗效果的一种基因水平的治疗方法,它为克服难治愈性疾病带来了新的希望。基因治疗的关键在于如何安全有效地将外源基因传递进靶细胞中。传统的转染方法大多是依赖于溶液介导的基因传递途径,基因通过胞吞作用进入细胞的效率较低且易被降解,这极大地限制了转染的效率。基于材料表面介导的转染方法具有原位定域性和长效稳定性等特点,为有效解决基因传递效率低下的问题提供了可行的策略。在众多的生物材料中,硅纳米线阵列(SiNWAs,SN)由于其良好的生物相容性而受到了关注,研究发现适当长度的SN能够刺穿细胞膜而不影响细胞的活性。利用SN的这一特性可以将外源生物分子如多肽、DNA和RNA等传递进细胞发挥其作用。但SN表面存在氧化层,无法有效负载DNA。为了提高硅纳米线阵列的转染效率我们对SN表面进行了化学修饰,并辅之以提高DNA负载量和促进基因表达的手段,具体研究如下:1.我们在硅纳米线阵列表面接枝了具有优良生物相容性的6-O-磺化壳聚糖,同时结合能与DNA相互作用形成纳米复合物的Ca2+来提高DNA的负载效率从而提高体系的转染效率。在这一转染体系中,我们充分利用SN穿透细胞膜的能力以及Ca2+转染的优点实现了对HeLa细胞的有效转染,同时磺化壳聚糖良好的生物相容性也使得体系的细胞毒性较低。对于影响该体系转染效率的因素我们也进行了系统地探究,发现当磺化壳聚糖的接枝浓度为1 mg/mL,Ca2+的浓度为100 mM,Ca2+与DNA的复合时间为10 min时体系的转染效率最高。尽管这一转染方法能够在保持较低细胞毒性的同时提高SN的转染效率,但仍有一些问题需要解决,如体系的负载量较低,对GFP的转染效果还不是十分理想等。2.为构建更加安全高效的转染体系,提高质粒进入细胞核内表达的效率,我们在SN表面修饰上聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)并用乙醇胺(EA)将其氨基化,制备了一种表面带有大量氨基的材料,PGEA修饰的SN(SN-PGEA)。该材料可以有效提高对DNA负载能力,同时,在该表面辅以添加了少量Zn2+的Ca2+转染体系,一方面可以更好地控制Ca2+与DNA形成的复合物(Ca2+@DNA)的粒径,提高纳米粒子的稳定性,另一方面利用Zn2+在细胞内良好的生理调节功能,有效地促进基因的表达。研究结果显示Zn2+的加入显著提高了体系的转染效率,相较于未加入Zn2+的转染体系,向Ca2+@DNA复合物中加入少量Zn2+后体系的转染效率提高了近7倍,这主要是因为Zn2+的加入能够有效提高质粒在细胞核中的释放效率。体系中的各组分SN-PGEA,Ca2+和Zn2+等都具有良好的生物相容性,因此整个体系呈现出较低的细胞毒性。此外,对于影响体系转染效率的因素我们也进行了研究,实验结果显示当Zn2+浓度为0.2 mM,Ca2+浓度为100 mM,表面接枝时间为12 h时体系的转染效率最高。这种新型的表面辅助基因转染方法具有高效性、安全性等特点,为基因治疗提供了一种新思路,有望应用于医学治疗领域。3.我们以无机焦磷酸水解酶(PPase)为模型蛋白研究了蛋白质在pH响应型表面上的吸附与释放行为,初步探讨聚合物改性的SN对蛋白质传递的作用。利用表面原子转移自由基聚合的方法(SI-ATRP)在硅纳米线阵列表面接枝pH响应性聚合物聚甲基丙烯酸N,N-二甲胺乙酯(PDMAEMA),并将突变的PPase与聚甲基丙烯酸(PMAA)相结合,形成蛋白耦合物(PPase-PMAA)。通过调节体系的pH改变PMAA和PDMAEMA所带的电荷,影响分子链的伸展收缩状态,利用静电相互作用以及分子间的疏水作用达到调控表面蛋白质吸附和释放的效果。我们利用SEM和TEM对材料表面的形貌进行了表征,通过水接触角的变化考察了表面浸润性的改变,并测试了不同pH下PPase-PMAA与PPase在PDMAEMA修饰的硅纳米线阵列表面的吸附情况。这种利用聚合物链间相互作用实现蛋白质吸附与释放调控的材料对表面蛋白质结合控制具有重要意义。总之,在硅纳米线阵列表面接枝不同的聚合物,综合利用SN的穿透细胞膜的能力和聚合物的不同物理化学性质能够赋予改性硅纳米线阵列不同的生物学功能,实现对外源生物分子如DNA、RNA和蛋白质等的有效传递与释放。相信随着对SN研究的深入,表面改性技术的不断发展,以改性硅纳米线阵列为平台的药物传递释放将会在疾病治疗等领域取得更多进展。