随着纳米技术的不断发展及其在生物医学领域的广泛应用，对各种纳米材料进行系统研究并作出全面的生物学评价正变得日益迫切。国家纳米科学中心研究组从细胞到动物整体水平，对多种天然蛋白-无机纳米复合材料的性质、生理效应、机制及其生物医学应用进行了深入研究，并取得了一系列重要进展。
在手性生物分子表面修饰对量子点细胞毒性的影响研究中，研究组选取两组不同粒径的碲化镉（CdTe）量子点，在其表面分别修饰具有不同手性的谷胱甘肽（GSH），得到手性量子点L-GSH-CdTe和D-GSH-CdTe。各组GSH-CdTe对人肝癌细胞均表现出与手性相关的细胞毒性及细胞自噬激活现象，且细胞毒性与其诱导自噬的能力密切相关。同时，GSH-CdTe导致细胞溶酶体稳定性和pH值下降。进一步研究表明，由于两种量子点表面的谷胱甘肽手性不同，其与环境中游离含巯基分子发生表面交换的效率不同，导致两者稳定性差异，这可能是引起不同生物效应的主要原因。该研究揭示了与纳米材料表面稳定剂手性相关的细胞代谢及毒性调控机制，为设计更安全的医学成像用生物分子表面修饰剂提供了新思路，也提示自噬可能是纳米材料相关细胞毒性的普遍机制。相关成果发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.201008206）。
在蛋白质指导的贵金属纳米粒子合成及其性质研究中，研究组选用去铁蛋白（apoFt）为纳米反应器，利用其中空球型内腔为模板，合成了粒径小于2 nm、尺度均一、分散性和稳定性良好的铂纳米颗粒（Pt-Ft）。Pt-Ft在不同条件下能模拟过氧化氢酶（CAT）和辣根过氧化物酶（HRP）活性。该纳米模拟酶不仅表现出良好的极端条件稳定性，还表现出对pH和温度截然不同的依赖关系：模拟CAT活性时，酶活力随pH或温度增加而增强，高温和高pH具有协同增强作用；模拟HRP时，其活力与天然HRP对温度和pH的依赖关系相似，最适pH均为4，最适温度相近。这些独特性质使Pt-Ft在生物医学和环境科学等领域具有良好应用前景。该成果发表于Biomaterials（2011, 32, 1611-1618）。
随后，研究组继续以天然去铁蛋白为纳米反应器，应用“控制点”策略，在铁蛋白重链的铁氧化酶活性位点可控合成了成对纳米金簇（Au-Ft）。与单一金簇相比，Au-Ft复合物不仅保留了金固有的光致发光特性，还表现出可变的荧光发射光谱、显著的荧光增强以及最大发射波长的红移，直接验证了金簇对间相互作用效应。Au-Ft具有高度生物相容性和低细胞毒性，在小鼠体内外均表现出铁蛋白受体介导的靶向定位作用。研究表明，Au-Ft可作为荧光探针用于远红外生物医学整体成像，并具有小鼠肾脏特异组织靶向性。该研究提供了一种在低毒且具有生物活性的纳米结构中合成贵金属成像剂的理想方法。相关成果以Article形式发表于J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/ja200746p）。
该系列工作将生物分子与无机纳米材料特性相结合，为合成具有生物医学应用前景的新型生物纳米结构提供了新机遇。研究得到了中国科学院、科技部973项目和国家自然科学基金委的资助。