DNA-TiO$_{2}$ nanoparticle nanoassembies: effect of temperature and nanoparticles concentration on aggregation
本研究采用差示紫外-可见光谱与动态光散射技术，探究温度和TiO₂纳米颗粒浓度对吸附态DNA构象及聚集的影响，发现升温导致DNA解旋从而促进纳米聚集体形成，为揭示TiO₂纳米颗粒与DNA的作用机制提供了实验依据。
2023-08-25 physics.bio-ph
Formulation, Colloidal Characterization, and In Vitro Biological Effect of BMP-2 Loaded PLGA Nanoparticles for Bone Regeneration
本研究开发并优化了基于双乳液溶剂蒸发法的负载BMP-2的PLGA纳米颗粒，系统表征其胶体性质并验证了其对人牙槽骨间充质基质细胞增殖、迁移和成骨分化的促进作用，为骨再生递送系统提供了实验依据。
2024-01-19 physics.bio-ph
Plasmonic Photothermal Therapy in Third and Fourth Biological Windows
最近报道的第3和第4生物透明窗分别位于1.6- 1.9 μ m和2.1- 2.3 μ m处，它们承诺更深的组织穿透和减少附带光损伤，但它们尚未用于光热治疗应用。基于纳米颗粒的等离子体光热疗法提出了一个非平凡的优化问题，其中纳米颗粒的光吸收效率必须最大化，受到应用环境施加的各种约束。放大典型的纳米颗粒主导的纳米颗粒设计（棒、球等）在第一和第二透明窗口中操作的第一和第二透明窗口不是可行的选择，因为它们的尺寸对于细胞侵入变得过大，并且它们变得散射占主导地位。本研究解决了这个问题，并提出了一种通用的方法，用于设计基于光刻和自组装吸收体占主导地位的纳米结构的新的透明窗口，同时保持其尺寸相对较小。与传统的纳米棒设计相比，所提出的纳米颗粒表现出高达40%的尺寸减小和2倍的吸收效率增加。与第二窗口相比，第四窗口中每个纳米颗粒的整体光热性能提高了250%。
2016-09-28 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.med-ph
Thermodynamics and thermoeconomics of cell division in presence of exogenous materials in nucleus
细胞分裂是一个重要的生物学过程，细胞分裂的调控与生物学和医学的许多重要领域相关。将外源性物质，如纳米颗粒，引入细胞核，已经被实验研究以调节细胞的分裂。在这里，我们从能量学的一般观点来考虑这种现象。通过对细胞分裂过程的热力学分析，研究了细胞分裂的最佳对称性以及纳米粒子对细胞分裂能垒的影响。细胞核内纳米颗粒的存在可能会在胞质分裂或其他阶段之前阻止细胞，从而调节细胞分裂。
2022-06-08 physics.bio-ph
Probing the coverage of nanoparticles by biomimetic membranes through nanoplasmonics
尽管无机纳米颗粒（NPs）在生物医学方面很有前途，但其临床转化受到生物相容性和生物液体稳定性低的限制。一个常见的策略，以规避这一缺点包括在伪装的活性无机核心与脂质双层涂层，让人想起细胞膜的结构，重新定义的化学和生物特性的纳米粒子。虽然最近的报告介绍了纳米颗粒的膜涂层程序，但还没有一种可靠且可获得的方法来量化双层覆盖的完整性。为了填补这一空白，我们制备了SiO2纳米粒子（SiO2NPs）与不同的膜覆盖度，并监测其与金纳米粒子的相互作用相结合的显微镜，散射和光学技术。SiO2纳米颗粒上的膜涂层诱导金纳米颗粒的自发聚集，其程度取决于涂层的完整性。值得注意的是，我们发现了膜覆盖率和AuNPs等离子体共振的光谱描述符之间的线性相关性，跨越了广泛的涂层产率。这些结果提供了一种快速且具有成本效益的测定方法来监测纳米颗粒与生物环境的相容性，这对于实验室测试和规模扩大至关重要。此外，我们介绍了一个强大的和可扩展的方法来制备SiO2NPsAuNPs的混合物通过自发自组装，高保真的结构控制介导的脂质双层。
2023-03-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Nanoparticle uptake by a semi-permeable, spherical cell from an external planar diffusive field. I. Mathematical model and asymptotic solution
本文针对外部平面扩散场中半渗透球形细胞的纳米颗粒摄取问题，通过虚拟球面有效边界条件建立数学模型，推导出细胞内浓度和颗粒积累速率的渐近解，并与球对称情形进行对比。
2024-06-08 physics.bio-ph
Robustness of the avian compass function described by radical pair model against biomagnetic noise
本文基于Lindblad主方程建立含环境磁噪声的模型，研究自由基对模型描述的鸟类指南针功能，发现其对生物磁范围内的热噪声具有鲁棒性，但会被数百至数千μT的强环境磁噪声显著破坏。
2025-03-11 physics.bio-ph quant-ph
Melting Transition of Directly-Linked Gold Nanoparticle DNA Assembly
DNA解链和杂交是一个基本的生物学过程，也是许多现代生物技术应用中的关键步骤。限制在表面上的DNA表现出不同的行为从自由溶液中。DNA包覆的金纳米粒子体系表现出独特的相变，代表了一类新的复杂流体。根据DNA的序列，颗粒可以通过直接互补的DNA序列或通过其序列与连接到金纳米颗粒的序列互补的“接头”DNA彼此连接。我们观察到这两个不同的系统不同的熔融转变。
2005-03-10 physics.bio-ph physics.chem-ph
Stochastic Dynamics of Magnetosomes in Cytoskeleton
旋转的微观磁性颗粒，磁小体，嵌入到细胞骨架和受到的影响，交流磁场和热噪声被认为是。磁小体动力学符合随机共振的条件下，不太紧的约束下的字符的粒子的紧固。规则旋转的偏移量达到了弧度的量级，这有助于解释低频弱磁场和地磁波动的生物效应。这样的1-rad旋转被200 nT量级的缓慢磁场变化有效地控制。
2004-11-24 physics.bio-ph
Direct observation of silver nanoparticle-ubiquitin corona formation
在进入生理环境后，纳米颗粒很容易呈现纳米颗粒-蛋白质冠的形式，这决定了它们的生物学身份。了解纳米颗粒蛋白质冠的结构和动力学对于预测生命系统中纳米材料的命运，运输和毒性以及使纳米医学的广泛应用至关重要。我们结合多尺度分子动力学模拟和互补的实验来表征银纳米颗粒-泛素冠形成。具体而言，泛素与柠檬酸盐竞争纳米颗粒表面，并以特定的方式结合到颗粒上。在高蛋白质/纳米颗粒化学计量下，泛素在颗粒表面上形成多层冠。结合表现出不寻常的拉伸指数行为，表明丰富的动力学源自蛋白质-蛋白质，蛋白质-柠檬酸盐，和蛋白质-纳米颗粒的相互作用。此外，结合使α-螺旋不稳定，同时增加蛋白质的β-折叠。我们的研究结果揭示了纳米颗粒-蛋白质冠形成的结构和动力学复杂性，并揭示了纳米毒性的起源。
2012-11-05 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Nanoparticle uptake by a semi-permeable, spherical cell from an external planar diffusive field. II. Numerical study of temporal and spatial development validated using FEM
本文研究球形细胞在平面扩散场中的纳米颗粒摄取问题，利用拉普拉斯变换、分离变量法和渐近展开推导大时间渐近解，并通过有限元数值验证其精度。
2024-06-10 physics.bio-ph
NPCoronaPredict: A computational pipeline for the prediction of the nanoparticle-biomolecule corona
本文提出开源多尺度计算流程 NPCoronaPredict，通过整合基于物理的模型与物理/数据驱动参数库，预测复杂纳米材料在生物流体中的纳米颗粒-生物分子冠。
2024-03-12 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.comp-ph
Nanoparticle charge-transfer interactions induce surface dependent conformational changes in apolipoprotein biocorona
在引入生物系统后，工程纳米材料（ENM）迅速与各种生物分子（如蛋白质和脂质）结合，形成生物冠。生物冠的存在会显著影响纳米生物相互作用，并最终导致生物反应的改变。载脂蛋白A-I（ApoA-I）是高密度脂蛋白（HDL）的主要成分，是在ENM生物冠中发现的最普遍的蛋白质之一，与ENM的性质、大小和形状无关。鉴于ApoA-I在HDL和胆固醇转运中的重要性，有必要了解ApoA-I吸附的机制和相关的结构变化，以评估ENM暴露的后果。在这里，我们使用了一个全面的阵列的显微镜和光谱工具来阐明ApoA-I和100 nm银纳米粒子（AgNPs）与四个不同的表面官能团之间的相互作用。我们发现，蛋白质的吸附和二级结构的变化是高度依赖于表面功能。我们的电化学研究为电荷转移相互作用影响ApoA-I展开提供了新的证据。虽然ApoA-I在AgNPs上的展开没有显著改变它们的细胞摄取和短期细胞毒性，但我们观察到它强烈改变了仅一些AgNPs在巨噬细胞中产生活性氧的能力。我们的研究结果揭示了生物冠形成的表面功能和电荷转移相互作用的重要性。
2016-10-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Light-sheet imaging for the recording of transverse absolute density distributions of gas-phase particle-beams from nanoparticle injectors
在气相中成像生物分子需要新的样品输送方法，通常必须对其进行表征和优化，以产生高密度粒子束。提出了一种非破坏性表征粒子束横向剖面的方法。它能够在收集例如X射线衍射图案的同时对粒子束进行表征。作为一种相当简单的实验方法，它需要使用柱面望远镜和显微镜产生一个小的激光片。该技术的工作原理被证明为220 nm的聚苯乙烯珠作为原型纳米粒子的流体动态聚焦行为的表征。粒子通量的测定和速度分布进行了校准使用米氏散射计算。
2019-09-19 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
Biological Kerker effect boosts light collection efficiency in plants
球文石和方解石作为碳酸钙的多晶型物，作为药物释放和组织工程应用的有前途的生物材料引起了人们的极大关注。此外，它们是重要的生物矿物质，使生物体能够发挥特定的功能。在自然界中，球霰石和方解石单晶通常形成自组装的多晶微米和纳米颗粒，也称为球晶。在这里，我们证明了属于虎耳草属的高山植物可以定制光散射通道，并利用多极干涉效应，以提高光收集效率，通过生产碳酸钙多晶纳米颗粒的边缘，他们的叶子。为了提供这一概念背后的清晰物理背景，我们研究了人工合成的球文石纳米球晶的光学性质，并揭示了定向光散射现象。暗场光谱测量得到了全面的数值分析的支持，解释了粒子的复杂微观结构。我们证明了广义Kerker条件的出现，其中几个高阶多极子在向前方向上相长干涉，控制相互作用现象。因此，在整个可见光范围内观察到球霰石纳米球晶的高度定向前向光散射。此外，离体研究的显微结构和光学性质的高山植物虎耳草'Southside苗'和虎耳草Paniculata Ria进行，并强调Kerker效应的重要性，这些活的生物体。我们的研究结果铺平了道路，通过自组装的多晶碳酸钙纳米粒子通过定制光传播直接到光合组织与不需要的散射通道的损失最小的有效的光收集的生物启发的策略。
2021-07-02 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph physics.optics
Biophysical interaction, nanotoxicology evaluation, and biocompatibility and biosafety of metal nanoparticles
纳米技术是近三十年来发展最快的领域之一。纳米材料（尺寸为1-100 nm）在许多领域具有广泛的潜在应用，可用作涂层材料或用于治疗和诊断。目前，金属和非金属来源的纳米颗粒正在研究和开发中，用于生物学/治疗学的各个领域。具体而言，我们显示了金属纳米颗粒的物理化学和生物物理特异性与其在细胞中的吸收，运输和生物分布之间的相关性，在分子，细胞和整个生物体水平。生理上重要的金属存在于人体中，具有广泛的生物活性。这些金属中的一些是镁、铬、锰、铁、钴、铜、锌、硒和钼。纳米技术中使用的金属必须在吸收、同化、排泄和副作用方面与人体系统生物相容。这些金属通过不同的物理和化学方法以纳米颗粒的形式合成。金属纳米颗粒的纳米毒理学研究旨在确定其特性是否以及在多大程度上可能对环境和人类构成威胁。提供了金属和金属氧化物纳米颗粒、其应用以及人类暴露潜力的概述，并通过讨论纳米颗粒诱导毒性的一般原理和纳米材料毒性测试方法进行了整合。本综述希望将重点放在建立具有生理重要性的金属纳米粒子，由于其在人体内的可接受性和安全性，成为未来纳米技术工具和药物的最佳候选者。这只有在这些颗粒以更好的生物相容性和低或无毒性合成时才能成功。
2021-08-04 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.QM
Preventing corona effects: multi-phosphonic acid poly(ethylene glycol) copolymers for stable stealth iron oxide nanoparticles
当分散在生物液体中时，工程纳米颗粒选择性地被蛋白质包覆，导致蛋白质冠的形成。这表明，蛋白质冠是至关重要的调节条件进入活细胞的细胞质。最近的报告将这种现象描述为普遍存在且与粒子的性质无关。然而，对于纳米医学应用，需要设计先进且具有成本效益的涂层，其抵抗蛋白质吸附并增加体内生物分布。在这项研究中，膦酸聚（乙二醇）共聚物的合成和用于包覆氧化铁颗粒。优化共聚物组合物以提供简单且可扩展的方案以及在培养基中的长期稳定性。结果表明，具有多个膦酸官能团和PEG链的聚合物优于其他类型的涂层，包括配体，聚电解质和羧酸官能化的PEG。此外，PEG化颗粒表现出异常低的细胞摄取，约为100毫微微克铁/细胞。本方法表明，工程颗粒的表面化学是与细胞相互作用的关键参数。它还为无机表面的有效功能化开辟了新的途径。
2014-07-24 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph
Template-Free Preparation of Thermoresponsive Mag-netic Cilia Compatible with Biological Conditions
仿生材料通常用于功能性设备的开发。模拟生物功能的人工纤毛的制造已经成为一个有前途的策略，在小型化系统中的流体操纵。在这项研究中，我们提出了一个不同的物理化学见解的基础上的温度触发可逆组装的涂层氧化铁纳米粒子的生物相容性无模板的方法制备磁性纤毛。所制备的纤毛的长度可以在10和100微米之间调节，在具有约8微米的持久长度的非常密集的柔性结构阵列中达到高达100的纵横比。纤毛的磁致动显示了强大的结构（超过几个小时的驱动），具有广泛的弯曲幅度，从高敏感性的细丝。结果表明，所提出的策略是一种有效的和通用的替代模板的制造方法和生产纤毛具有显着的特点和尺寸内的无模板的方法。
2020-11-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
3D-Imaging and Quantification of Magnetic Nanoparticle Uptake by Living Cells
磁性粒子成像（MPI）是一种非侵入性、非电离成像技术，用于磁性纳米粒子（MNP）的可视化和定量。该技术特别适用于细胞成像，因为它提供了来自周围组织的零背景贡献、高灵敏度以及良好的空间和时间分辨率。先前的研究已经表明，在细胞结合和内化过程中，MNP的动态磁行为发生变化。在这项研究中，我们演示了如何在MPI成像信号中编码这些信息。通过MPI成像，我们能够在重建图像中区分游离和细胞结合的MNP。该技术用于成像和量化当游离MNP与细胞接触并随时间推移进行细胞摄取时在体外发生的变化。通过菲咯啉测定验证定量MPI结果。结果显示，细胞结合MNP定量的平均相对差异为23.8%。从这些观察中获得的见解提供了一个新的窗口，基本的生物过程和相关的病理变化发生在细胞水平。因此，这项技术可以为炎症性疾病的早期诊断提供新的机会。
2019-12-03 physics.app-ph physics.bio-ph physics.med-ph
Bond-selective interferometric scattering microscopy
干涉散射显微镜是一种非常有前途的技术，用于以高通量方式对从蛋白质到病毒的广谱生物纳米颗粒进行高灵敏度无标记成像。虽然它可以揭示样品的尺寸和形状信息，但化学成分在干涉测量中是无法获得的。红外光谱成像基于样品的固有化学键振动提供化学特异性，但由于长红外波长而缺乏成像和分辨单个纳米颗粒的能力。在这里，我们描述了一种键选择性干涉散射显微镜，其中中红外诱导的光热信号由宽视场共路干涉配置中的可见光束检测。利用薄膜分层衬底来减少反射光并为弱散射场的干涉检测提供参考场。采用脉冲中红外激光器调制干涉信号。随后通过虚拟锁定相机进行解调，同时提供数十个微米或纳米颗粒的化学信息。化学对比度产生于粒子散射场的微小变化，这是目标分子振动吸收的结果。我们的特点与亚波长聚合物珠和突出的生物学应用的化学成像几种微生物，包括金黄色葡萄球菌，大肠杆菌，白色念珠菌的系统。建立了一个理论框架，扩展键选择性干涉散射显微镜的生物微米和纳米粒子的广泛范围。
2021-06-05 physics.app-ph physics.bio-ph physics.optics
Identifying possible mechanism for quantum needle in chemical magnetoreception
本研究通过优化技术发现新型模型系统，显著增强量子针特征并放宽自由基对寿命要求，同时揭示地磁场附近的狭窄功能窗口，为化学磁感知中量子针的物理机制提供关键证据。
2024-01-29 physics.bio-ph quant-ph
Radical-pair model of magnetoreception with spin-orbit coupling
候鸟利用地磁场确定自己方位的机制在许多物种中仍然是一个谜。自由基对机制，其中非常弱的磁场可以影响某些类型的自旋相关的化学反应，导致生物学上可观察到的信号，最近强加自己作为某些物种的最有前途的候选人之一。这要归功于它的极端敏感性和再现行为研究结果的能力。尽管如此，为了获得方向灵敏度，仍然需要各向异性机制。最近的提议探索了这种各向异性是由于电子-核超精细相互作用的可能性。在这项工作中，我们探索了一种不同的可能性，其中各向异性是由于电子自旋和它的角动量之间的自旋轨道耦合。我们将展示基于自旋轨道耦合的磁罗盘如何具有与通常研究的基于核超精细的机制相当的性能。因此，我们的研究结果可以帮助研究人员积极寻找可能具有磁感受功能的候选生物分子，既可以描述鸟类的磁感受，也可以开发人工化学罗盘系统。
2013-09-17 physics.bio-ph quant-ph
Nonlinear high-frequency magnetic response of magnetoferritin metacrystals governed by spin thermodynamics
本文提出了由磁性铁蛋白大分子组成的变晶的磁化强度随时间变化的理论。这样的超结构，包括数百万个封装在蛋白质壳中的超顺磁性纳米颗粒，可以使用生物化学组装技术人工创建。它们也被证明天然存在于鸟类内耳的敏感细胞中，这表明它们可能参与检测地磁场，以确定迁徙动物的方向和导航。磁性铁蛋白超晶的磁性系统的动力学，包括由长程偶极力耦合的非常大量的磁矩，是非常复杂的。为了找到超晶对高频磁场的响应，我们使用了从固体核自旋系统理论中借用的热力学方法。由此产生的理论产生的时间依赖的超自旋温度和磁化强度的任意强度的振荡磁场诱导。预测的高频响应对静态磁场的依赖性可用于生物组织中的磁性铁蛋白超晶体的实验检测和表征。
2020-09-14 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Magnetic Noise Enabled Biocompass
磁性蛋白质的发现，从分子水平上对生物罗盘有了新的认识。然而，磁性蛋白质使生物罗盘成为可能的机制仍在争论中，主要是因为在室温下磁性蛋白质中缺乏永久磁性。在这里，基于一个广泛接受的自由基对模型的biocompass，我们提出了一个微观机制，允许biocompass在生物环境中的磁性蛋白质没有有限的磁化操作。利用磁性蛋白的结构，我们证明了磁性蛋白的磁性波动而不是永久磁性可以实现地磁场传感。我们的微观模型的量子动力学分析揭示了最佳灵敏度的必要条件。我们的工作阐明了磁性蛋白质使生物罗盘成为可能的机制。
2020-04-01 physics.bio-ph quant-ph
Magnetic properties of an individual Magnetospirillum gryphiswaldense cell
Swiss Nanoscience Institute, University of Basel（瑞士纳米科学研究所，巴塞尔大学）；Department of Physics, University of Basel（巴塞尔大学物理系）；Lehrstuhl für Mikrobiologie, University of Bayreuth（拜罗伊特大学微生物学讲座）
本研究通过高灵敏度磁力仪和显微镜技术，揭示了单个 Magnetospirillum gryphiswaldense 细菌内磁小体的磁性配置及磁链的磁性特性。
2026-03-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Hypomagnetic field effects as a potential avenue for testing the radical pair mechanism in biology
近零磁场，称为亚磁场，已知会影响生物现象，包括发育过程，昼夜节律系统，神经元和大脑活动，DNA甲基化，细胞中的钙平衡等等。然而，这种效应背后的确切机制仍然是难以捉摸的，因为相应的能量远小于热能。已知涉及自由基对的化学反应在与地磁场相当或小于地磁场的非常低的强度下可以是磁场依赖的。本文从自由基对机制的角度对亚磁场效应进行了详细的综述，指出在一定条件下，亚磁场效应可以与增大磁场的效应相当甚至更强。我们认为，亚磁场效应是一个有趣的途径，在生物学中测试的自由基对机制。
2023-01-12 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.NC
