1. 纳米材料在生物医学领域的发展概况
纳米材料，是指其基本结构单元至少在三维空间中的一维处于纳米尺度(1-100nm) 范围内的材料。其通过结构与性能的精准调控，在药物递送、疾病诊断、组织工程等医学领域展现出的优势，为解决肿瘤治疗耐药性、早期诊断灵敏度不足等临床难题提供了新的技术路径，使其成为前沿科技的关键基础材料（见图1）。
图1 典型纳米材料代表的示意图
近年来，对纳米材料的研究持续向纵深推进。在生物医学领域，纳米材料正迈入从基础研究向临床转化的关键突破期，在药物递送、体外诊断、分子影像、疾病治疗、疫苗开发[1]（见图2）等多个生物医学方向展现出巨大潜力。纳米材料的应用已突破传统药物载体的单一模式，广泛渗透于骨组织工程、肿瘤精准治疗及智能诊疗一体化等前沿方向。在硬组织修复方面，通过模仿天然骨的微观结构，纳米材料显著提升了修复体的力学性能与生物相容性[2, 3]；在肿瘤治疗领域，磁电响应型纳米复合材料不仅可用于肿瘤的光热协同治疗，还能作为神经或心肌组织工程的导电支架，通过外部电刺激调控细胞行为，促进组织功能重建[4]。
2. 氧化石墨烯-金纳米复合材料的研究进展
氧化石墨烯(graphene oxide, GO) 凭借独特的二维平面结构、卓越的光热特性以及高比表面积，在多种疾病的靶向诊断与治疗中展现出重要潜力。在癌症治疗方面，经表面功能化修饰的GO纳米颗粒可实现化疗、光热疗法及光动力疗法的协同作用，不仅能够高效负载药物并精准递送至肿瘤部位，还能利用其在近红外窗口的优异响应能力杀伤恶性细胞，同时减少对正常组织的损伤[5]。在抗菌应用领域，石墨烯基纳米复合材料通过物理破坏细菌膜、诱导氧化应激及光催化杀菌等多重机制，有效克服了传统抗生素的耐药性问题[6]。氧化石墨烯-金纳米复合材料(graphene oxide-gold nanocomposites, GO-AuNCPs)融合了GO的高负载性、良好生物相容性与AuNPs独特的光学、催化性能，二者协同形成的多功能复合平台在生物传感、抗菌治疗及癌症诊疗（见图3）等领域展现出显著优势[7]。
图3 功能化GO-AuNCPs的靶向递送示意图
(1) 高性能生物传感平台
在生物传感领域，GO-AuNPs凭借其协同增强效应显著提升了传感器的灵敏度与选择性。研究表明，基于GO与AuNPs修饰的电化学适配体传感器可实现对幽门螺杆菌的高特异性识别[8]，如图4所示。在癌胚抗原的超灵敏检测中，GO-AuNPs作为双猝灭剂与荧光探针结合，通过表面能量转移机制大幅增强猝灭效率，为肿瘤标志物的高灵敏度分析开辟了新途径[9]。此外，该复合材料还为生物识别元件提供了稳定且高负载的固定化平台，从而实现对目标分析物的超灵敏、高特异性检测。
图4 幽门螺杆菌适配体传感器的示意图
(2) 多功能抗菌与组织修复
在抗菌与组织工程领域，研究重点在于利用金纳米颗粒的光热特性与氧化石墨烯的载体功能构建复合材料。一方面，在近红外激光照射下，GO-AuNPs可引发高效光热效应，有效杀灭革兰氏阳性菌和阴性菌，并可通过增强巨噬细胞吞噬作用与活性氧生成实现协同杀菌[10, 11]。另一方面，在骨植入物和组织工程中，通过引入L-赖氨酸或多巴胺辅助的金纳米颗粒涂层，显著提升了支架的机械强度、亲水性、抗菌性能以及促进成骨细胞分化和血管生成的能力，显示出优异的免疫相容性和抗炎效果[12, 13]。在皮肤组织工程方面，将GO-AuNPs整合至电纺聚乳酸支架中，可通过增强细胞粘附与调控生长因子释放，有效促进皮肤组织重建[14]。
(3) 智能药物递送与肿瘤诊疗
在癌症治疗领域，氧化石墨烯-金纳米复合材料可借助增强渗透与滞留效应(enhanced permeability and retention effect, EPR) 选择性富集于肿瘤组织。例如，GO-AuNPs可高效负载化疗药物阿霉素，并在肿瘤微酸性环境与近红外光照射下实现药物的智能释放，达成化疗与光热的协同治疗效果[15]。此外，通过表面修饰壳聚糖等生物相容性聚合物，可有效改善复合材料的胶体稳定性、降低免疫原性，为构建智能化、靶向性强的纳米治疗系统提供有力支持[16]。该材料系统结合了金纳米颗粒的表面增强拉曼散射和光热治疗能力，以及氧化石墨烯的药物负载优势，实现了肿瘤的精准成像、光热治疗与化疗、基因治疗的联合应用，旨在克服肿瘤耐药性并实现微创精准治疗[17-19]。3. 鲑鱼精DNA模型的研究价值
在纳米材料与生物大分子相互作用的研究中，DNA是重要的模型物质。鲑鱼精DNA作为一种来源广泛、成本低廉、结构相对简单的天然DNA，在生物医学研究中被广泛用作核酸模型。与人体DNA相似，鲑鱼精DNA同样由双螺旋结构组成，包含完整的碱基对序列，能够较好地模拟人体DNA的理化性质和空间构象。
然而，目前国内外关于GO-AuNCPs与生物大分子相互作用的研究多集中于蛋白质层面[20]，而该复合材料与DNA相互作用机制的研究仍鲜见报道。现有文献中尚未见系统探究GO-AuNCPs与鲑鱼精单双链DNA结合行为、热力学参数及作用力类型的研究。
基于此，本课题拟以单双链鲑鱼精DNA为模型，综合运用多种光谱分析手段并结合电镜学、热力学方法系统研究GO-AuNCPs与DNA的相互作用机制，通过解析结合常数、熵变、焓变等关键热力学参数，阐明作用过程中的主要驱动力类型及结合位点信息，填补该领域的研究空白，为该复合材料在基因递送、生物传感等领域的应用提供理论依据。
参考文献
1. Shetty, S., et al., Next-Generation Vaccine Development with Nanomaterials: Recent Advances, Possibilities, and Challenges. Annual Review of Biomedical Engineering, 2024. 26(1): p. 273–306.
2. Shahin, M., et al., Mechanical and corrosion properties of graphene nanoplatelet–reinforced Mg–Zr and Mg–Zr–Zn matrix nanocomposites for biomedical applications. Journal of Magnesium and Alloys, 2022. 10(2): p. 458–477.
3. Bharadwaz, A. and A.C. Jayasuriya, Recent trends in the application of widely used natural and synthetic polymer nanocomposites in bone tissue regeneration. Materials Science and Engineering: C, 2020. 110.
4. Lalegül-Ülker, Ö. and Y.M. Elçin, Magnetic and electrically conductive silica-coated iron oxide/polyaniline nanocomposites for biomedical applications. Materials Science and Engineering: C, 2021. 119.
5. Ferreira-Gonçalves, T., et al., Rational approach to design gold nanoparticles for photothermal therapy: the effect of gold salt on physicochemical, optical and biological properties. International Journal of Pharmaceutics, 2024. 650.
6. Nichols, F. and S. Chen, Graphene Oxide Quantum Dot‐Based Functional Nanomaterials for Effective Antimicrobial Applications. The Chemical Record, 2020. 20(12): p. 1505–1515.
7. Zhu, Y., et al., Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties, and Applications. Advanced Materials, 2010. 22(35): p. 3906–3924.
8. You, X., et al., An electrochemical aptasensor for detection of Helicobacter pylori based on AuNPs and AgNPs-GO nanoparticles. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2025. 13.
9. Kalkal, A., R. Pradhan, and G. Packirisamy, Gold nanoparticles modified reduced graphene oxide nanosheets based dual-quencher for highly sensitive detection of carcinoembryonic antigen. International Journal of Biological Macromolecules, 2023. 242.
10. Chiticaru, E.A., et al., Label-Free DNA Biosensor Based on Reduced Graphene Oxide and Gold Nanoparticles. Biosensors, 2023. 13(8).
11. Al Rugaie, O., et al., Gold Nanoparticles and Graphene Oxide Flakes Synergistic Partaking in Cytosolic Bactericidal Augmentation: Role of ROS and NOX2 Activity. Microorganisms, 2021. 9(1).
12. Luo, J., et al., Gold nanoparticles decorated graphene oxide/nanocellulose paper for NIR laser-induced photothermal ablation of pathogenic bacteria. Carbohydrate Polymers, 2018. 198: p. 206–214.
13. Zhang, L., et al., Preparation and properties of conductive bacterial cellulose-based graphene oxide-silver nanoparticles antibacterial dressing. Carbohydrate Polymers, 2021. 257.
14. Pruchniewski, M., et al., Electrospun poly-(L-lactide) scaffold enriched with GO-AuNPs nanocomposite stimulates skin tissue reconstruction via enhanced cell adhesion and controlled growth factors release. Materials & Design, 2025. 251.
15. 郭国英, et al., 金纳米球-氧化石墨烯纳米药物载体的制备及抗癌性能. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024. 41(7).
16. Ramadan, M.A., et al., Laser photostability of chitosan coated gold-GO nanocomposite and its role as a nano-therapeutic agent for control breast cancer growth. Discover Applied Sciences, 2024. 6(4).
17. Fu, C., et al., Mussel-Inspired Gold Nanoparticle and PLGA/L-Lysine-g-Graphene Oxide Composite Scaffolds for Bone Defect Repair. International Journal of Nanomedicine, 2021. Volume 16: p. 6693–6718.
18. Hung, H.-S., et al., Nanogold-Carried Graphene Oxide: Anti-Inflammation and Increased Differentiation Capacity of Mesenchymal Stem Cells. Nanomaterials, 2021. 11(8).
19. Yang, L., et al., Hybrid Graphene‐Gold Nanoparticle‐Based Nucleic Acid Conjugates for Cancer‐Specific Multimodal Imaging and Combined Therapeutics. Advanced Functional Materials, 2020. 31(5).
20. Ovezova, M., et al., Plasmonic sensing platform for C-reactive protein recognition via synthetic receptors decorated on graphene oxide and gold nanoparticles. Microchemical Journal, 2024. 206.
