稀土纳米杂化材料的合成及其在生物成像和治疗方面的应用研究

发布时间：2020-11-20 10:44

　　 稀土元素包括镧系元素以及钇和钪两种元素。稀土元素失去最外层电子后变成三价离子,在5s~25p~6电子层保护下,稀土离子内部会发生电子跃迁。由于其独特的电子结构,使得稀土掺杂的上转换发光材料具有发射谱带窄、色纯度高、红外到紫外区的吸收和发射等优点。稀土掺杂的上转换纳米材料可以利用近红外光作为激发光源,具有较深的组织穿透深度,同时可以实现上转换发光(UCL)成像和磁共振成像(MRI)。通过与其他纳米材料结合,可以构建针对于癌症的诊疗一体化试剂。以上这些优点使得稀土掺杂纳米材料在生物医学方向具有广泛的应用前景。本论文针对于构建稀土掺杂纳米杂化材料在肿瘤的诊断和治疗方面进行了以下探索:1.随着药物载体的研究逐渐增多,各类光、pH、氧化还原电势、温度活化的封装分子也相继被报道。在这些封装分子中二氧化锰纳米片呈现出很多独特的优势:如具有大的表面积、可以实现充分的封装效果阻止药物的提前释放,具有很宽的吸收、结合上转换纳米粒子的发光可以在肿瘤部位实现选择性的UCL成像,同时二氧化锰纳米片可以在肿瘤部位的酸性环境下被谷胱甘肽(GSH)还原,生成的Mn~(2+)离子可以增强样品在肿瘤部位的磁共振信号。基于以上优点,二氧化锰纳米片作为一种新颖GSH和pH响应的封装分子可以有效地应用于选择性的药物释放。我们发展了一种基于二氧化锰纳米片的双敏纳米结构(UCDMs),用于选择性药物释放、UCL成像、增强的MRI。研究了UCDMs纳米结构对pH/GSH的响应,以确定其选择性药物释放的潜力。利用HeLa细胞研究了UCDMs在肿瘤细胞内可控药物释放的能力及其对癌细胞的杀伤效果。结果表明,UCDMs纳米结构实现了在肿瘤细胞内有效的药物释放、UCL成像和增强的MRI,表明UCDMs在多模式生物成像指导的化疗方面具有潜在的应用前景。2.磁共振成像可以提供高的空间分辨率、高灵敏度的三维造影信息,被广泛应用于癌症的诊断。在这部分内容中,我们用简单温和的方法合成了一种新颖的双介孔纳米体系用于肿瘤的光热治疗和磁共振成像。首先在介孔铂纳米粒子表面包裹一层介孔二氧化硅,氨基功能化后与稀土Gd配合物进行共价键复合,得到最终的Gd配合物功能化铂纳米粒子双介孔核壳纳米体系mPt@mSiO_2-GdDTPA。介孔铂纳米粒子(mPt)作为核,在808 nm近红外光激发下表现出优异的光热转换性能。介孔二氧化硅与Gd-DTPA配合物相连作为壳,可以作为MRI的造影剂。另外,用MTT法、组织学和血液学分析,表明mPt@mSiO_2-GdDTPA纳米体系在没有激光照射时具有低的生物毒性,该纳米体系已成功应用于昆明鼠体内的MRI研究、细胞内以及带瘤小鼠的光热治疗研究。
【学位单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ422;R318.08
【部分图文】：

过光子上转换过程发射紫外光（UV）、可见光或近红外辐射[7-8]。由于近红外光波段位于组织的“光学窗口”，因此可以有效地避免生物组织的背景荧光、增加组织穿透深度。通常些发光纳米材料具有特定的性质，可以被官能化以连接一些生物分子，实现对疾病的检测疗。因此，它们已被应用于生物成像、生物传感以及成像引导的疾病治疗：如上转换荧光（upconversion luminescence, UCL）、磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）、X-计算机断层扫描成像（X-ray computed tomograghy, CT）、靶向药物释放、光热治photothermal therapy, PTT）、光动力治疗（photodynamic therapy, PDT）等。1.2 上转换纳米材料的发光机理镧系离子（Ln3+）具有丰富的能级状态，使得掺杂镧系元素的纳米材料具有巨大的实现换过程的机会。这些过程可以简单归纳为激发态吸收（ESA）、能量转移上转换（ETU）、敏化上转换（CSU）、光子雪崩（PA）和能量迁移上转换（EMU）如图 1-1 所示。[9-10]

离子的上转换纳米材料的能量转移过程[7]图1-2为在近红外光激发下共掺Yb3+、Tm3+和Er3+离子的上转换纳米材料的能量转移过程，由于 Yb3+具有较大的吸收截面，所以 UCNPs 中的 Yb3+作为 Tm3+和 Er3+离子的敏化剂[17]。通过激发 Yb3+的基态2F7/2到其激发态2F5/2可以实现光子的上转换。激活 Yb3+后，就会发生从Yb3+到激活剂（如 Er3+和 Tm3+）的能量转移过程。对于 Yb3+-Er3+和 Yb3+-Tm3+体系，能量转移过程如图 1-2 所示，这些能量转移过程使得 Yb3+-Er3+体系在 658 nm, 541 nm, 522 nm 和 408 nm处产生上转换发射，这归因于从4F9/2,4S3/2,2H11/2和2H9/2向基态4I15/2的跃迁。类似地，Yb3+-Tm3+体系在 800 nm, 650 nm, 475 nm, 450 nm, 362 nm 和 345 nm 处的发射

图 1-3（a）NaLuF4:Gd,Yb,Er；（b）NaGdF4纳米粒子的 TEM 图纳米材料的表面改性方法中的亲水性和分散性是大多数纳米材料生物医学应用的先决条由于其疏水性配体（OA、OM）通常是疏水性的，这大大限制了改变这些疏水性纳米材料的水溶性，许多表面修饰的方法已去除，配体吸引，配体交换，逐层组装和表面硅烷化（图 1-4高 UCNPs 的亲水性和分散性，而且还提供了许多化学官能团
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本文编号：2891304