[实用新型]快速评估纳米材料对呼吸系统生物安全性的装置

说明书

(一)技术领域：

本实用新型属于评估纳米材料安全性领域，特别是指利用细胞表面微形貌及电生理记录结果的变化来评估纳米材料安全性的技术，即快速评估纳米材料对呼吸系统生物安全性的装置。

(二)背景技术：

纳米材料在其生产、运输、使用和处置的过程中极有可能进入大气环境，通过呼吸道为人体吸收后，很可能给人类健康带来严重损害并成为许多重大疾病的诱因，因此也引起了人们对纳米材料的生物安全性的关注。常用的纳米材料包括纳米ZnO，TiO₂，C₆₀，CuO等，其已被广泛应用于量子器件、特种精细陶瓷、太阳能利用、环保催化剂、医药、化妆品等与人类生活相关的诸多方面。尽管已有文献报道了这些纳米材料对不同层次生物系统(如：细菌、水生生物、高等植物、哺乳动物等)的毒性效应，借以初步探讨其进入生命体后的生物学效应，但这些纳米材料与生命细胞相互作用的内在机制，尤其是对活体肺泡上皮细胞微观膜结构及生理功能损伤机理的研究，目前缺乏有力的技术手段予以利用。

扫描离子电导显微镜技术(scanning ion conductance microscope，SICM)是1989年加州大学的Hansma在扫描隧道显微镜基础上设计而成，基本原理为扫描SICM技术依靠负反馈电路和压电陶瓷控制扫描用玻璃微探针，使其与样品表面间距离保持恒定，通过记录玻璃微探针的扫描轨迹来绘制出样品的表面形貌。但是由于当时负反馈控制方法及精确定位技术的局限与不足，纤细的玻璃微滴管探针在扫描时经常意外地与样品接触并导致针尖或样品损坏，SICM技术在其发明后的很长一段时间仅适用于平坦的聚酯薄膜扫描成像。1997年伦敦帝国理工学院的Korchev教授等将SICM技术中的直流式负反馈控制改进为交流调制式负反馈控制，使该技术真正实现了在生理液态培养条件下实时、非接触式、高分辨率对活体生物样品表面三维微观结构的探测，如对细胞膜的纳米尺度微结构进行成像，包括树突突触结构、上皮细胞微绒毛和心肌细胞表面微结构等，并使其逐步发展成为与原子力显微镜技术(atomic force microscopy，AFM)一样广泛应用于纳米生物医学研究领域的一种先进的显微探测技术。

70年代德国马普研究所Neher和Sakmann在青蛙肌细胞上用双电极电压钳方法首次记录到单通道的离子电流，从而创建了膜片钳技术，此技术逐渐发展成为获得活细胞离子通道的特性和分布信息的主要实验方法，其应用使人们对离子通道本质的认识有了质的飞跃。利用膜片钳系统通过软件可采集探针电阻、膜静息电位、细胞膜离子通道的电流等多种电生理信号，这为研究者探讨细胞离子通道功能提供了一种简便有效的方法。

目前对细胞结构和功能检测手段存在以下不足之处：扫描电镜虽然有很高的分辨率，但由于其对样品导电性的要求使其无法对不导电的活体生物样品进行三维立体成像，只能通过在样品表面喷镀或溅射导电(铂金)材料的特殊样品制备方法来实现，耗时费力且制样繁琐复杂；原子力显微镜通过针尖与样品间的相互作用力来负反馈控制针尖在样品表面的扫描成像，不仅会对生物样品表面产生或多或少的力作用，且导致柔软生物样品的成像困难，尤其是无法获得肺泡上皮微绒毛的高分辨率成像；普通膜片钳技术虽能评估细胞的生理功能，但由于其仅借助普通光学显微镜进行探针定位，受光学衍射极限限制分辨率不足，难以将细胞生理功能变化与高分辨率的膜结构联系起来。此外，多数纳米材料安全性的评估需进行动物实验，不仅成本高耗时长，且动物个体差异较大，导致结果的可靠性及重复性不好。通过建立合适的细胞模型，利用SICM技术与膜片钳技术的结合，使得在活体细胞上从结构和功能两方面共同探讨纳米材料的安全性成为可能。

(三)实用新型内容：

本实用新型的目的在于设计一种从结构和功能上快速评估纳米材料对呼吸系统生物安全性的装置，它针对现有对细胞结构和功能的检测手段的不足，提供一种利用扫描离子电导显微镜与膜片钳技术结合的在活体细胞上对纳米材料安全性进行评估的简便手段。