多功能碳基纳米材料的绿色合成及其在生物医学方面的应用研究

发布时间：2020-08-27 20:49

【摘要】：进入21世纪的今天,非传染性慢性疾病已成为威胁人类健康生活的主要因素之一。非传染性慢性疾病的治疗关键是确诊早和药物到达病灶部位及时。纳米材料作为造影剂和药物载体具有诊断精准和药物转运效率高等优点,已经成为诊断和治疗非传染性慢性疾病的研究热点之一。至20世纪80年代发现富勒烯以来,碳纳米材料因其独特的光学、电学、化学、热学和机械性能而引起人们的高度重视。球形纳米碳材料更是由于具有粒径小、比表面积大、光学性能独特和生物相容性好等优点而备受生物医疗领域科研工作者们的关注。目前,球形碳纳米材料的研究主要集中在碳纳米小球和碳量子点这两类上:粒径小于100 nm是细胞内吞的最佳尺寸,因而该尺寸的多孔碳纳米小球可成为理想的药物载体,将药物运载到体内特定的部位;1-10 nm的碳量子点所特有的荧光特性,使它们成为理想的荧光造影剂,可实现对生物体的精准诊断。目前,关于碳纳米小球和碳量子点的制备还存在一些缺陷,如存在合成的原材料比较昂贵、合成的条件如温度比较苟刻、制备的流程比较复杂、产物难以提纯以及残留有毒的化学试剂等问题,因此,寻求新的原材料和新的合成这些碳基纳米材料的方法是迫在眉睫的。因此,本文旨在研究简单、有效和绿色的合成碳纳米小球、碳量子点以及基于碳量子点为基础的杂化量子点的方法,并将合成的碳基纳米材料进一步应用于载药、细胞成像以及生物体内多模态成像等生物医学方面。鉴于上述原因,本论文的研究内容主要可概述为以下几个部分:(1)碳纳米小球的制备、表征及其载药控释性能研究采用细菌纤维素纳米纤维为原材料,通过控制水热合成以及酸化处理过程中的参数,制备出平均粒径约50 nm左右的多孔碳纳米小球,并对碳纳米小球的载药和药物释放性能进行评估。在此基础上,对碳纳米小球的细胞毒性进行了测试,对载药碳纳米小球在肿瘤细胞内的分布进行了分析,探究了碳纳米小球在肿瘤细胞内的药物释放机制。实验结果表明:采用细菌纤维素纳米纤维为原料,制备出的多孔碳纳米小球具有尺寸均一、溶液分散性好(含有许多亲水性的官能团)和比表面积大(208.17 m~2 g~(-1))等优点,且是由许多小的多环芳香碳层所组成的无定形碳,具有一定的石墨化度,可以通过π-π堆积作用和疏水作用与抗肿瘤药物阿霉素进行结合,具有较强的药物负载能力(药物包封率为93.4±1.6%,载药率为52.3±2.1%),同时不会对所载药物的化学结构产生任何影响。所制备碳纳米小球在酸性及弱酸性的介质中具有较大的释放量,而在中性和碱性介质中则释放比较少,如在pH 5.5的介质中,48 h后的累计释药率能达到61.56±2.6%,而在pH 7.4的介质中,48 h后的累计释药率却仅有18.96±2.3%。所合成的碳纳米小球在一定浓度范围内表现出良好的生物相容性,且能通过细胞内吞作用进入肿瘤细胞,在胞内溶酶体等的弱酸性条件下实现对阿霉素一个持续有效的释放。碳纳米小球的低毒性和低成本等优点使其有望成为一种先进的纳米生物载体用于生理条件下抗肿瘤药物的运输。(2)以秋葵为原料合成荧光氮掺杂碳量子点及其在生物成像中的应用以天然可食用的秋葵为原料,通过一种简单、绿色和高效的水热法来合成碳量子点。通过控制水热反应的温度,制备出平均粒径约4.2 nm左右的碳量子点,对合成的碳量子点进行一系列的物化性能表征,评估了碳量子点对于肿瘤细胞的细胞毒性,对碳量子点在人宫颈癌细胞(HeLa)内和斑马鱼体内的荧光成像进行了分析。实验结果表明:采用秋葵汁为前体制备出的氮掺杂碳量子点具有溶液分散性好(含有羟基和羧酸等亲水性官能团)、荧光可调(激发波长以及pH依赖的荧光特性)、荧光稳定性好、荧光量子产率高和生物相容性好等优点。此外,合成的碳量子点在肿瘤细胞内和斑马鱼体内均具有良好的荧光成像效果,表明其在生物医学荧光成像诊断中的应用潜力。因此,所制备的碳量子点可在不久的将来作为环境友好材料用于生物医学研究中。(3)C-Fe_3O_4 QDs纳米探针的制备及其在生物体内多模态成像中的应用研究创新地采用微生物发酵制备的γ-聚谷氨酸为前体和稳定剂,通过一系列的热处理方法成功制备出多功能C-Fe_3O_4 QDs纳米探针(nitrogen-doped carbon-iron oxide hybrid quantum dots,C-Fe_3O_4 QDs)。通过对热处理过程中参数的控制,可以制得具有溶液分散性好、荧光可调(激发波长小于410 nm时,显示出激发波长独立的荧光特性;激发波长大于410 nm时,则显示出激发波长依赖的荧光特性)、荧光量子产率高(约为21.6%)、荧光稳定性好、超顺磁性强、横向弛豫率高(transverse relaxation rate,r_2=154.10 mM~(-1) s~(-1))以及生物相容性好(不同浓度的C-Fe_3O_4 QDs作用后,肿瘤细胞的存活率仍均在85%以上,红细胞的溶血率也均低于0.5%)等优点的氮掺杂的C-Fe_3O_4 QDs。所制备的C-Fe_3O_4 QDs在体外表现出良好的荧光和磁共振成像造影性能,且有趣的是,所制备的C-Fe_3O_4 QDs还对计算机断层扫描成像中的X射线具有一定的衰减作用,这可能是由于元素的掺杂以及彼此间的协同作用所造成的。为此,进一步地将C-Fe_3O_4 QDs用于荷瘤裸鼠体内的生物成像,实验结果表明,所合成的C-Fe_3O_4 QDs可以有效地用于肿瘤的荧光/磁共振/计算机断层扫描的三模态成像中。因此,本文中所制备的C-Fe_3O_4 QDs可以作为肿瘤成像诊断的多功能纳米探针。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.08;TB383.1
【图文】：

示意图,光动力学治疗,抗肿瘤药物,阿霉素

并且在许多领域得以应用。另一种具有悠久研究历史并且再次成来科研者们关注焦点的是球形碳材料，球形是由能量最小化所决定的。到止，球形碳材料已被应用在许多领域中（电子、光子、可再生能源和生物方面[19,20]）。纳米级的球形碳材料更是由于具有粒径小、比表面积大、光独特和生物相容性好等优点而被广泛应用于生物医学研究中。如图 1-1 所勒烯具有延伸化的共轭 π 键，能吸收蓝紫光转变为激发的三线态，产生氧与单线态氧，因此其可以作为潜在的光敏剂用于肿瘤的光动力学治疗方面纳米小球的有利尺寸使它们成为理想的纳米载体，可将药物和基因运载到定的部位。此外，碳量子点所特有的光学性质使它们成为理想的荧光造影热/光动力学治疗试剂，从而可用于生物体内的荧光成像和治疗中。下面文中所制备的碳纳米小球（carbon nanospheres，CNS）和碳量子点（caantum dots，CQDs）这两种球形碳纳米材料的研究进展和物化性质展开描时也对它们在生物医学方面的应用做简单介绍。

示意图,直流电弧,示意图,激光烧蚀法

法通常是在高压釜中进行反应的。电弧放电法和激光烧蚀法期合成 CNS 的方法有电弧放电法和激光烧蚀法[24]。如图 1-2 所示，H道了使用乙炔和焦炭粉作为碳源，在直流电弧放电装置中合成 CNS 弧系统是以碳棒（含 Fe 和 Ni）为阳极，高纯石墨棒为阴极，最终所粒径为 50 ~ 100 nm。此外，Ma 等人[26]报道了采用激光烧蚀法来合纳米粒子。该法使用一个高频感应加热电源来熔化置于真空室中的铁用一个连续波二氧化碳激光器来照射和蒸发铁水，然后再将甲烷气体，最终得到粒径为 5 ~ 50 nm 的核/壳结构的 Fe/CNS。电弧放电和激早已被应用于合成结构碳球，但生产过程中却也产生大量不必要的副黑），从而需要额外耗时的提纯步骤。此外，该方法还存在产率低和等缺陷。

透射电子显微镜

法中碳的生长模型主要为含碳反应的碳原子再扩散沉积到金属颗粒的铁作为催化剂，在氢气气氛以及 110。此外，也有一些报道以二茂铁作为含碳物质作为碳源，来制备一系列的剂在 600 °C 下催化分解甲烷，制备大外径为 5 ~ 90 nm，壁厚约为 15 nm催化剂的相关报道。Qian 等人[32]使使用任何催化剂的条件下来制备碳所制备 CNS 的粒径。此外，还有一法来制备碳球，主要是通过高温裂解0°C[33]、硝基苯：950°C[34]和甲烷：

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