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第1章 纳米毒理学概述1

1.1 纳米毒理学与研究现状1

1.1.1 什么是纳米毒理学？1

1.1.2 纳米技术：从科学预言到市场产品1

1.1.3 纳米科技发展必然出现的分支领域：纳米毒理学5

1.1.4 纳米毒理学研究现状分析：国家、研究机构、实验室6

1.1.5 纳米毒理学研究现状思考10

1.2 纳米毒理学的溯源12

1.2.1 病毒学（病毒是典型的活着的纳米颗粒）13

1.2.2 工业烟雾颗粒14

1.2.3 大气颗粒物15

1.2.4 人造纳米颗粒15

1.3 纳米毒理学的特征17

1.3.1 新的剂量单位在纳米毒理学中的重要性18

1.3.2 表面吸附在纳米毒理学中的重要性18

1.3.3 医学应用广泛19

1.4 纳米毒理学：迫切需要体内研究21

1.5 纳米毒理学：阶段与问题24

1.6 纳米毒理学：重要目标26

1.7 纳米毒理学：利益与风险之间平衡的桥梁28

1.8 纳米毒理学：展望30

参考文献32

第2章 纳米材料的生物吸收、分布、代谢、排泄与急性毒性41

2.1 纳米颗粒的体内吸收44

2.1.1 纳米颗粒在肺部的沉积和吸收44

2.1.2 纳米颗粒在皮肤的渗透和吸收47

2.1.3 纳米颗粒在胃肠道的沉积和吸收48

2.2 纳米颗粒在体内的迁移和分布50

2.2.1 吸入暴露的迁移和分布50

2.2.2 口服暴露的迁移和分布57

2.2.3 其他暴露途径的迁移和分布61

2.2.4 迁移和分布的影响因素62

2.3 纳米颗粒的代谢和排泄63

2.4 纳米颗粒的急性毒性65

2.4.1 心血管系统对纳米颗粒的急性毒性反应65

2.4.2 呼吸系统对纳米颗粒的急性毒性反应67

2.4.3 肝脏对纳米颗粒的急性毒性反应72

2.4.4 肾脏对纳米颗粒的急性毒性反应73

2.4.5 神经系统对纳米颗粒的急性毒性反应75

2.4.6 皮肤对纳米颗粒的急性毒性反应76

2.4.7 系统急性毒性反应：氧化应激损伤77

参考文献78

第3章 细胞纳米毒理学：纳米颗粒与细胞的相互作用86

3.1 纳米颗粒的细胞摄入86

3.1.1 细胞摄入的纳米表面结构效应以及表面修饰效应87

3.1.2 细胞摄入的纳米尺寸效应89

3.2 纳米颗粒对肺泡巨噬细胞的影响89

3.2.1 细胞吞噬能力和趋化性89

3.2.2 细胞膜和细胞骨架91

3.2.3 细胞坏死和凋亡93

3.3 纳米颗粒对其他肺细胞的影响95

3.4 纳米颗粒对皮肤细胞的影响96

3.5 纳米颗粒对肝细胞的影响97

3.6 纳米颗粒的细胞生物学效应98

参考文献101

第4章 细胞纳米毒理学效应机制：纳米材料的细胞摄取、胞内转运及其细胞毒性107

4.1 背景107

4.2 纳米材料的细胞吸收108

4.2.1 纳米颗粒（NPs）可能的细胞吸收途径108

4.2.2 纳米颗粒尺寸和形状依赖的细胞吸收112

4.2.3 纳米颗粒表面化学性质依赖的细胞吸收114

4.2.4 纳米颗粒表面电荷依赖的细胞摄取118

4.3 纳米颗粒细胞内的定位和迁移119

4.3.1 金纳米材料119

4.3.2 碳纳米材料120

4.4 纳米颗粒的细胞清除及其细胞毒性122

4.4.1 金纳米材料123

4.4.2 碳纳米材料123

4.5 展望124

参考文献127

第5章 纳米材料理化性质与其细胞摄取、转运及命运的关系133

5.1 概述133

5.2 纳米材料化学性质对细胞摄取、转运和累积的影响135

5.2.1 纳米材料表面亲水性和疏水性的影响135

5.2.2 纳米材料的表面功能化和表面电荷的影响137

5.2.3 纳米材料及其表面组成的影响138

5.3 纳米材料理化性质对细胞吸收、运输和累积的影响139

5.3.1 纳米材料尺寸的影响139

5.3.2 纳米材料纵横比的影响139

5.4 纳米材料表面积对其溶解性和降解性的影响142

5.5 展望143

参考文献143

第6章 分子纳米毒性学：纳米材料与生物分子的相互作用146

6.1 纳米颗粒与蛋白质的相互作用146

6.1.1 结构特性和化学效应147

6.1.2 纳米颗粒与蛋白质的尺寸效应147

6.1.3 弱相互（非共价键）作用148

6.1.4 靶蛋白作用的选择性及其医学应用148

6.1.5 细胞信号通道调节150

6.1.6 纳米毒性的生物标志物150

6.2 纳米颗粒的抗原性151

6.2.1 人造纳米材料的免疫学性质151

6.2.2 纳米颗粒与补体的相互作用152

6.2.3 生物体系对纳米体系的识别作用152

6.3 纳米颗粒与核酸的相互作用155

6.3.1 尺寸效应155

6.3.2 协同效应155

6.3.3 DNA切割156

6.3.4 诱导基因突变156

6.3.5 基因转运载体157

参考文献159

第7章 纳米颗粒进脑的能力及神经生物学效应162

7.1 纳米颗粒进脑的能力与途径162

7.1.1 纳米颗粒跨越血脑屏障进脑162

7.1.2 纳米颗粒通过嗅觉神经转运进脑163

7.1.3 感觉神经末梢摄入纳米颗粒再转运进脑165

7.2 纳米颗粒在脑中的迁移、输运与代谢166

7.2.1 纳米颗粒在脑中迁移、输运与尺寸效应166

7.2.2 纳米颗粒在脑中的化学种态167

7.3 纳米颗粒的中枢神经毒理学效应167

7.3.1 大气纳米颗粒物暴露与神经系统炎症反应167

7.3.2 人造纳米颗粒暴露与神经系统损伤168

7.3.3 神经细胞对纳米颗粒的摄入作用171

7.4 纳米颗粒的神经细胞生物学效应173

7.5 纳米颗粒的神经分子生物学效应——对神经生化标志物与神经递质的影响175

7.6 纳米颗粒的其他神经生物学效应181

7.7 纳米颗粒神经毒性的机制182

参考文献185

第8章 呼吸暴露纳米颗粒对心肺系统的毒理学效应190

8.1 呼吸暴露纳米颗粒对呼吸系统的影响190

8.1.1 纳米颗粒的体内分布及代谢190

8.1.2 纳米颗粒穿越肺泡-毛细血管屏障的能力191

8.1.3 纳米颗粒的肺外转运及代谢动力学192

8.1.4 低剂量长期暴露纳米颗粒的肺部毒性194

8.2 呼吸暴露纳米颗粒对肺部损伤的年龄差异200

8.2.1 纳米颗粒引起肺功能生化指标变化的年龄差异200

8.2.2 纳米颗粒引起肺组织病理学变化的年龄差异201

8.2.3 纳米颗粒引起肺部损伤的敏感性的年龄差异201

8.2.4 不同年龄段需要不同的毒性评价指标202

8.3 呼吸暴露纳米颗粒对心血管系统损伤的年龄差异203

8.3.1 纳米颗粒引起血清中组胺含量变化的年龄差异203

8.3.2 纳米颗粒引起心肌缺氧的年龄差异204

8.3.3 纳米颗粒引起心肌细胞损伤的年龄差异205

8.3.4 纳米颗粒引起房室传导阻滞的年龄差异206

8.3.5 纳米颗粒引起血液流变学变化的年龄差异207

8.4 呼吸暴露纳米颗粒对凝血系统的影响209

8.4.1 吸入纳米颗粒导致的氧化应激反应209

8.4.2 吸入纳米颗粒对凝血系统的影响210

8.4.3 纳米颗粒暴露对血管内皮系统的影响212

参考文献216

第9章 胃肠道摄入纳米材料的毒理学效应220

9.1 胃肠道摄入纳米颗粒的急性毒性221

9.2 胃肠道摄入纳米颗粒引起的离子超载222

9.3 胃肠道摄入纳米颗粒引起的碱中毒223

9.4 纳米颗粒超高化学反应活性决定其生物毒性224

9.5 胃肠道摄入纳米颗粒的毒性与尺寸效应227

9.6 胃肠道摄入纳米颗粒的毒理学效应的异常与复杂性230

参考文献233

第10章 决定碳纳米管毒性的主要因素237

10.1 概述237

10.2 碳纳米管内残留的金属杂质影响其毒性238

10.3 碳纳米管的理化和结构特征影响其毒性240

10.3.1 表面电荷和化学修饰240

10.3.2 形状242

10.3.3 长度242

10.3.4 团聚程度242

10.3.5 层数242

10.4 细胞培养环境和分析方法影响碳纳米管的毒性测试结果245

10.5 碳纳米管产生毒性的机制246

10.6 展望248

参考文献248

第11章 纳米特性与生物效应的相关性251

11.1 纳米尺寸对纳米毒性的影响251

11.1.1 急性毒性中的纳米尺寸效应251

11.1.2 观测对象器官选择影响纳米尺寸效应254

11.1.3 毒性级别的判定与纳米尺寸效应255

11.1.4 呼吸系统毒性的纳米尺寸效应257

11.2 纳米结构化学效应259

11.3 纳米表面化学261

11.4 纳米表面化学：降低或消除纳米颗粒毒性的有效途径263

11.5 纳米颗粒的安全剂量270

参考文献273

第12章 纳米毒理学的实验技术与研究方法278

12.1 体外纳米颗粒的表征方法278

12.1.1 纳米颗粒实验样品的预处理方法278

12.1.2 纳米颗粒实验样品的表征方法283

12.2 纳米颗粒体外细胞摄入和定位的检测方法284

12.2.1 透射电镜法284

12.2.2 元素分析法285

12.2.3 荧光光谱法286

12.2.4 纳米颗粒细胞摄取研究的新方法289

12.3 纳米颗粒细胞毒性的研究方法290

12.3.1 纳米颗粒影响细胞繁殖能力的评估方法291

12.3.2 纳米颗粒引起细胞坏死的评估方法291

12.3.3 纳米颗粒引起细胞凋亡的评估方法292

12.3.4 纳米颗粒引起DNA损伤的评估方法293

12.3.5 纳米颗粒引起氧化应激的标志物与检测方法293

12.3.6 体外纳米毒理学新的研究技术296

12.4 纳米颗粒体内毒性的研究方法296

12.4.1 纳米颗粒生物分布和清除的检测方法297

12.4.2 血液学和血清生化指标检测技术303

12.4.3 组织学／组织病理学检测技术304

12.4.4 体内纳米毒理学新的研究技术307

12.4.5 新的纳米分析技术308

12.5 现有方法学的问题和挑战309

参考文献312

第13章 基于核技术与同步辐射的纳米生物效应分析方法324

13.1 概述324

13.2 纳米生物效应研究中的核分析技术325

13.2.1 纳米材料表征中的分析化学325

13.2.2 分子水平上研究纳米材料与生物界面的相互作用329

13.2.3 纳米材料在细胞内的可视化成像研究331

13.2.4 纳米材料在生物体内的分布与定量研究方法335

13.3 纳米生物效应研究中的分析方法小结343

13.4 展望345

13.4.1 纳米生物效应中的其他科学问题345

13.4.2 更多核分析手段的出现346

参考文献347