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随着纳米技术的产业化，纳米材料在医疗诊断、材料改性、环境污染物降解以及生物技术等领域得到了广泛的应用。随着对纳米材料更深入的研究，人们越来越重视这种超精细颗粒对环境和健康造成的潜在危害。本文通过研究若干典型人工纳米材料对机体的生物毒性效应，探讨纳米颗粒与生物体的相互作用方式及潜在致毒机制，以期建立评估纳米材料生物安全性的研究方法和体系。
第一部分，以小型鱼Medaka为实验模型动物，采用水体暴露的染毒模式，从鱼体组织抗氧化酶活性、脂质过氧化水平以及组织病理学三个方面评价零价纳米铁对Medaka胚胎及其成鱼的影响。结果表明，在胚胎的孵化过程中(8～10天)，纳米铁显著性抑制胚胎超氧化物歧化酶(SOD)活性，同时诱导脂质过氧化产物丙二醛(MDA)的产生，并呈现一定的剂量—效应关系。对于Medaka成鱼，纳米铁能在暴露早期破坏成鱼肝脏和大脑的抗氧化平衡，具体表现为对SOD和还原型谷胱甘肽(GSH)的干扰效应。但随着暴露时间的增加，Medaka组织的抗氧化防御能力得到恢复。光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察发现，纳米铁能诱导组织细胞形态的变化，导致鳃组织肉芽肿的产生、腮环形微嵴结构的变化，并在肠道内沉积。
第二部分，以小型鱼Medaka为实验模型动物，采用水体暴露的染毒模式，对比了纳米硒和亚硒酸钠的急性毒性，并考察了两种硒源在100μg Se/L暴露浓度下对Medaka的亚急性毒性。结果显示：纳米硒和无机硒对于Medaka的48小时半致死浓度(LC50)分别为1.0和4.7 mg Se/L，纳米硒的急性毒性约为亚硒酸钠的5倍；两种硒源均能够在组织中富集，且纳米硒的富集能力远强于亚硒酸钠，具体表现在纳米硒暴露组的肝硒含量约为亚硒酸钠暴露组肝硒含量的6倍；纳米硒在肝脏中的超富集导致了肝脏显著的氧化损伤，具体表现在对SOD活性和对GSH含量的抑制。而在已报道的小鼠毒性实验中，纳米硒被认为具有较低的毒性和较强的自由基清除能力，与本实验结果截然相反，这说明在不同的暴露体系中，纳米材料会表现出不同的毒性效应，同时也暗示了在纳米尺度上其毒性的复杂性。
第三部分，以雄性泥鳅为实验模型动物，采用腹腔注射的染毒模式，从雌激素效应、代谢动力学和氧化应激三个角度讨论了量子点对雄性泥鳅的生物学效应。实验发现，PEG-QD、TGA-QD和等物质量的Cd2+均能显著抑制雌二醇(E2)诱导产生的卵黄蛋白原(Vtg)，说明量子点体系中游离Cd2+对该抑制作用有很大贡献。另外，纳米材料对E2的物理吸附也影响了鱼体对E2的吸收，从而在一定程度上抑制了Vtg的表达。动力学的结果显示：量子点能被快速吸收，各个组织在注射30min后均可检测出量子点；注射1小时后，肌肉、骨头、肠、血及性腺中量子点含量达到最高，随后呈现降低的趋势；肝脏和肾脏等解毒器官量子点含量比例升高，分别占总量的19.8％和22.0％；注射30 min和7 d后，量子点总的平均回收率的比值为0.93，说明量子点能较长时间蓄积，且很难通过体液或粪便排出。氧化应激结果表明Cd2+能显著提高GSH水平和抑制SOD活性，而量子点由于PEG壳层结构的保护，没有明显的氧化损伤效应。
第四部分，考察了纳米分子筛(nano-zeolite)对重金属Cu和Cd在Medaka体内的生物富集性的影响及其对A549细胞毒性。体内实验表明，纳米分子筛在短期(3天)内可以降低Cu、Cd的生物富集性，而在较长时间(10天)的暴露后，纳米分子筛对该重金属的生物富集性的影响减小。7天的清除实验也显示纳米分子筛对重金属生物富集清除能力影响不大。通过比较纳米分子筛对这两种金属的吸附性能，并与传统商品化的4A分子筛对比，发现纳米分子筛对重金属的吸附性能远小于4A分子筛，这也解释了纳米分子筛对重金属生物富集性影响较小的原因。从细胞增殖毒性、酶活性、细胞膜通透性考察纳米分子筛对A549细胞的毒性，结果显示：100 mg/L的纳米分子筛对细胞无明显毒性效应，对细胞活力没有影响，而160 mg/L的纳米分子筛对细胞活力有明显的抑制作用，其细胞活力为对照组的60.4％；25 mg/L和100 mg/L的纳米分子筛均能抑制GSH含量和SOD活性，且细胞培养液乳酸脱氢酶(LDH)活性显著增加，表明细胞膜完整性受到破坏。