上转换发光纳米材料在生物医学中的应用

发布时间：2020-11-04 10:08

　　 稀土上转换发光纳米材料(UCNPs)是一类吸收长波长、低能量光子，发射短波长高能量光子的新型荧光探针材料，具有许多独特的优点，如优异的光学稳定性、高化学稳定性、低毒性，另外在近红外光激发下具有组织穿透能力深、对生物组织无损伤、近乎零背景荧光干扰、成像灵敏度高等诸多优点，在生物医学中有着广泛的应用前景。尽管稀土上转换发光纳米材料备受人们关注，但是关于其表面修饰、生物安全性以及在生物医学中的应用如多色成像、多模态成像和新型成像模式下的癌症治疗等诸多问题仍然是研究的热点和难点。 本博士论文中，我们通过改变稀土元素掺杂，合成得到不同尺寸和不同发射光谱的稀土上转换发光纳米颗粒，并采用多种表面修饰方法赋予其优异的水溶性和生物相溶性，发展了稀土上转换发光纳米颗粒在生物医学成像中的应用，并对材料的生物安全性和动物体内行为进行了系统研究；同时，我们还以上转换发光纳米材料为基底，构建了一系列多功能复合纳米材料，并将其应用于多模式肿瘤成像、新型癌症治疗、干细胞研究等诸多方面；此外，我们还初步探索了基于一些有机高分子纳米材料在生物医学成像和肿瘤光热治疗等方面的应用。主要的研究结果概括如下： 第一章：简要综述了上转换发光纳米材料的研究进展，着重阐明本博士论文的选题依据和研究内容。 第二章：我们运用高温热分解的方法通过调节稀土元素掺杂比例合成得到不同发射波长的上转换发光纳米材料，利用两亲性高分子将其修饰使之具备良好的水溶性和生物相容性，并应用于多色活体成像和淋巴循环成像。此外，我们还发现UCNP由于其无背景荧光干扰的特点，具有比量子点荧光成像高至少一个数量级的体内成像灵敏度，表明上转换发光纳米材料在高灵敏多色生物成像中将有广泛的应用前景。 第三章：除了调节元素掺杂而调控UCNP上转换发射光谱外，我们还将一些染料分子吸附在纳米颗粒表面，形成UCNP-Dye复合物，通过荧光能量共振转移(FRET)，在单一980nm激光激发下得到更多颜色的上转换发光纳米材料，且在活体水平上实现了更多颜色上转换荧光成像。 第四章：尽管上转换发光纳米材料在生物医学成像中发挥了重要的作用，但其生物安全行性一直是备受人们关注。我们将两种不同类型高分子OA-PAA和DSPE-PEG修饰的上转换发光纳米材料通过尾静脉注射到小鼠体内，发现PEG-UCNP比PAA-UCNP具有更长的血液循环时间，且主要富集在网状内皮系统中。通过血生化分析、组织切片和动物学行为的研究，发现上转换发光纳米材料在比较高注射剂量下(20mg/kg)基本未表现出明显的毒性。 第五章：基于上转换发光纳米材料，我们还发展了一种光磁复合多功能纳米材料用于多模式生物成像和治疗。超小的四氧化三铁纳米颗粒(IONP)通过静电作用力吸附在上转换发光纳米颗粒表面，形成UCNP-IONP复合物，然后在其表面原位生长出一层薄的金壳层。利用这种复合功能纳米材料，我们在细胞水平上实现分子靶向的上转换荧光成像、磁共振成像和暗场模式光学成像。功能复合纳米材料表面的金壳层具有很强的表面等离子共振吸收，可以用于分子靶向或磁靶向下的光热治疗。另外我们还将PEG修饰的功能复合纳米材料通过尾静脉注射到小鼠体内，实现了活体水平上的上转换荧光和磁共振双模态成像。 第六章：第五章中合成的光磁复合功能纳米材料可被进一步用于活体水平上成像指导下的肿瘤光热治疗。我们发现该复合纳米材料在磁场诱导下，在肿瘤部位具有和对照组相比提高了约8倍的高富集量。利用该材料的光吸收特性，在近红外808nm激光的照射下，我们实现了磁靶向作用下活体水平上的高效肿瘤光热治疗。这个工作是第一次成功实现在成像模式指导下、磁场靶向作用下的活体水平肿瘤光热治疗。 第七章：前面工作中得到的这种基于稀土上转换发光纳米颗粒的光磁复合功能纳米材料还可以被用作干细胞的追踪和体内定位控制。实验结果表明该复合纳米材料没有对干细胞造成明显的毒性，并且不会对干细胞的增殖和分化过程造成影响。利用上转换荧光成像技术，第一次在活体水平上成功检测到少于10个干细胞。同时在外加磁场作用下，功能复合纳米材料标记的干细胞可以通过磁靶向作用在伤口部位大量进行富集，为干细胞在组织修复等方面的应用带来新的机遇。 第八章：通过改变元素掺杂种类，我们还合成了发射紫外光的上转换发光纳米材料，并在其表面层层包裹修饰上SiO_2和TiO_2，得到UCNP@SiO_2@TiO_2纳米颗粒。该复合结构纳米颗粒在980nm激光照射下通过FRET方式产生活性氧自由基，并可用于近红外光诱导下的光动力治疗。 第九章：我们以上转换发光纳米材料为基底，将含有拉曼分子的金纳米颗粒吸附在其表面，再在原位生长一层金壳层形成功能复合纳米材料。利用这一纳米结构，我们初步实现了基于UCNP@Au的功能复合纳米材料的上转换荧光和表面增强拉曼(SERS)的多色和多模式成像。该材料有望在细胞和活体水平上进一步得到广泛的应用。 第十章：除了稀土上转换材料方面的工作外，我们还运用层层自组装的方法将PEG修饰在导电高分子PEDOT:PSS表面，将这种具有强近红外光吸收的有机纳米材料用于活体水平上的光热治疗，并对其长期毒理学性质进行了仔细研究。该工作第一次报道了有机导电高分子纳米材料在活体水平上光热治疗，后续相关工作还在进一步研究中。 总之，本论文对稀土发光纳米材料及以之为基底构建的复合功能纳米材料在生物成像、肿瘤物理治疗、干细胞研究等多方面的应用进行了较为系统的探讨，我们的研究结果鼓舞了这一类功能纳米材料在生物医学中进一步的深入研究。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：R318.08;TB383.1
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 分子影像技术
        1.2.1 有机荧光染料
        1.2.2 半导体量子点
        1.2.3 碳纳米材料
    1.3 稀土上转换发光材料
        1.3.1 上转换发光机制
        1.3.2 上转换发光材料的基质
        1.3.3 上转换发光纳米材料的制备方法
        1.3.4 上转换发光纳米材料的表面修饰
        1.3.5 上转换发光纳米材料的生物应用
    1.4 本论文选题依据和研究内容
    参考文献
第二章 ：聚乙二醇（PEG）修饰的上转换发光纳米材料用于高灵敏多色活体成像
    2.1 引言
    2.2 实验部分
        2.2.1 实验试剂
        2.2.2 实验步骤
        2.2.3 仪器表征
    2.3 实验结果与讨论
        2.3.1 上转换发光纳米材料的合成与表面修饰
        2.3.2 多色上转换荧光成像
        2.3.3 多色淋巴循环上转换荧光成像
        2.3.4 多色细胞标记和追踪
        2.3.5 上转换荧光成像和量子点荧光成像灵敏度比较
    2.4 本章小结
    参考文献
第三章 基于能量共振转移方式的多色上转换荧光成像
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 实验试剂
        3.2.2 实验步骤
        3.2.3 仪器表征
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 上转换发光纳米材料合成与表征
        3.3.2 染料分子在上转换发光纳米材料表面的装载量
        3.3.3 基于上转换发光纳米材料的能量共振转移（LRET）
        3.3.4 UCNP-LRRT 多色成像
    3.4 本章小结
    参考文献
第四章 ：功能化修饰的上转换发光纳米材料的活体生物分布成像及长期毒性研究
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 实验试剂
        4.2.2 实验步骤
        4.2.3 仪器表征
    4.3 实验结果与讨论
        4.3.1 上转换发光纳米材料合成及表面修饰
        4.3.2 上转换发光纳米材料在体内的血液循环
        4.3.3 上转换发光纳米材料的活体成像
        4.3.4 上转换发光纳米材料的生物分布
        4.3.5 上转换发光纳米材料的毒性研究
    4.4 本章小结
    参考文献
第五章 多功能上转换荧光复合纳米材料用于多模态成像和双靶向的光热治疗
    5.1 引言
    5.2 实验部分
        5.2.1 实验试剂
        5.2.2 实验步骤
        5.2.3 仪器表征
    5.3 实验结果与讨论
        5.3.1 功能复合纳米材料的合成与表征
        5.3.2 功能复合纳米材料的光学和磁学性质
        5.3.3 功能复合纳米材料在细胞水平上多模态成像
        5.3.4 功能复合纳米材料用于双靶向光热治疗
        5.3.5 功能复合纳米材料用于双模态活体成像
        5.3.6 功能复合纳米材料用于多模态淋巴循环成像
    5.4 本章小结
    参考文献
第六章 上转换荧光/磁共振双重成像模式指导下功能复合纳米材料用于磁靶向光热治疗
    6.1 引言
    6.2 实验部分
        6.2.1 实验试剂
        6.2.2 实验步骤
        6.2.3 仪器表征
    6.3 实验结果与讨论
        6.3.1 功能复合纳米材料的合成与表面修饰
        6.3.2 PEG-MFNP 和 PEG-Au 纳米棒的光学稳定性比较
        6.3.3 PEG-MFNP 在体内的血液循环
        6.3.4 成像模式指导下磁靶向作用
        6.3.5 PEG-MFNP 在体内的生物分布
        6.3.6 成像模式指导和磁靶向作用下的光热治疗
        6.3.7. 功能复合纳米材料的生物安全性
    6.4 本章小结
    参考文献
第七章 基于上转换荧光的功能复合纳米材料用于干细胞多模式成像与追踪
    7.1 引言
    7.2 实验部分
        7.2.1 实验试剂
        7.2.2 实验步骤
        7.2.3 仪器表征
    7.3 实验结果与讨论
        7.3.1 PEG 修饰的功能复合纳米材料（PEG-MFNP）制备
        7.3.2 PEG 修饰的 MFNP 标记干细胞与追踪
        7.3.3 PEG 修饰的 MFNP 对干细胞毒性的影响
        7.3.4 干细胞组织分化
        7.3.5 活体干细胞的追踪与多模态成像
        7.3.6 PEG-MFNP 标记干细胞的应用
    7.4 本章小结
    参考文献
2@TiO₂功能复合纳米材料合成和光动力治疗初步研究'>第八章 UCNPs@SiO₂@TiO₂功能复合纳米材料合成和光动力治疗初步研究
    8.1 引言
    8.2 实验部分
        8.2.1 实验试剂
        8.2.2 实验步骤
        8.2.3 仪器表征
    8.3 实验结果与讨论
2@ TiO₂复合纳米材料的合成与表征'>        8.3.1 UCNPs@SiO₂@ TiO₂复合纳米材料的合成与表征
2@ TiO₂复合纳米材料的表面修饰'>        8.3.2 UCNPs@SiO₂@ TiO₂复合纳米材料的表面修饰
2@ TiO₂复合纳米材料活性氧的测定'>        8.3.3 UCNPs@SiO₂@ TiO₂复合纳米材料活性氧的测定
2@ TiO₂复合纳米材料的细胞毒性'>        8.3.4 UCNPs@SiO₂@ TiO₂复合纳米材料的细胞毒性
        8.3.5 细胞光动力治疗
    8.4 结论
    参考文献
第九章 基于 UCNP@Au 功能复合纳米材料用于上转换荧光和表面增强拉曼双模式成像
    9.1 引言
    9.2 实验部分
        9.2.1 实验试剂
        9.2.2 实验步骤
        9.2.3 仪器表征
    9.3 结果与讨论
        9.3.1 上转换发光纳米材料合成与表征
        9.3.2 UCNP@Au 功能复合纳米材料的合成
        9.3.3 UCNP@Au 功能复合纳米材料的荧光和拉曼性质的研究
        9.3.4 UCNP@Au 功能复合纳米材料拉曼成像
    9.4 本章小结
    参考文献
第十章 聚乙二醇修饰的有机纳米颗粒用于高效的活体光热治疗
    10.1 引言
    10.2 实验部分
        10.2.1 实验试剂
        10.2.2 实验步骤
        10.2.3 仪器表征
    10.3 实验结果与讨论
        10.3.1 PEDOT:PSS-PEG 合成与表征
        10.3.2 PEDOT:PSS-PEG 的细胞毒性
        10.3.3 PEDOT:PSS-PEG 在体内的血液循环
        10.3.4 Cy5 标记的 PEDOT:PSS 有机高分子生物成像
        10.3.5 PEDOT:PSS-PEG 在体内的生物分布
        10.3.6 PEDOT:PSS-PEG 热致成像
        10.3.7 光热治疗
        10.3.8 PEDOT:PSS-PEG 生物安全性
    10.4 本章小结
    参考文献
第十一章 论文总结与展望
    11.1 论文总结
    11.2 论文的创新点
    11.3 研究展望
攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文
致谢

【引证文献】

相关博士学位论文 前1条

1 吴世嘉;基于上转换荧光纳米探针的高灵敏微生物毒素检测方法研究[D];江南大学;2013年

相关硕士学位论文 前1条

1 马介炳;稀土掺杂LaF_3上转换纳米粒子的制备及其在生物成像中的应用[D];上海交通大学;2013年

本文编号：2869957