近红外发光纳米长余辉材料用于生物成像及肿瘤治疗

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诊疗一体化多功能纳米平台一直是人们研究的重点,其中近红外(NIR)发光长余辉材料具有被光源激发后可以储存能量,在停止激发后的很长时间保持发射NIR发光信号的独特发光性质,因此表现出无背景荧光、可持续成像的优点,逐渐引起人们对于这种材料在生物医学领域应用的兴趣,尤其是作为生物体内成像工具。如何有效增强NIR发光长余辉材料成像发光信号的穿透性,避免生物组织背景荧光干扰,提高图像信噪比并对肿瘤进行靶向治疗而不伤害正常细胞,以及深入应用研究等问题是扩展这种材料生物应用的重要研究内容。为了解决这些问题,合成纳米尺寸的NIR发光长余辉材料并与其他材料复合形成多功能纳米平台是实现诊疗一体化平台纳米平台的设计思路。本文通过使用不同制备方法和离子共掺杂使NIR长余辉材料的尺寸和发光性质得到改善,然后通过将长余辉纳米颗粒与其他材料进行复合,实现生物体内成像和肿瘤治疗一体化的目的。主要设计并完成了以下三个工作:1)以纳米介孔二氧化硅(m Si O2)作为模板,设计合成了具有NIR-I余辉发光的长余辉纳米材料m Si O2@Zn1.1Ga1.9O4:Cr3+(SZGO),通过进一步包覆HKUST-1后得到的多功能纳米颗粒m Si O2@Zn1.1Ga1.9O4:Cr3+@HKUST-1(HSZGO)。这种纳米平台在小鼠体内表现出30 min以上的NIR-I区余辉发光,可以被肿瘤细胞内过度表达的H2O2和H2S靶向激活,通过化学动力学治疗(Chemodynamic Therapy,CDT)和光热治疗(Photothermal Therapy,PTT)两种治疗方法协同作用实现H22荷瘤小鼠的肿瘤治愈,并且不会对正常组织细胞产生伤害。这种将NIR-I区发光纳米长余辉材料与功能性MOF材料设计结合形成具有生物成像和肿瘤治疗多功能的纳米平台的设计思路为成像治疗一体化平台的制备提供了一定的参考意义。2)第二个工作中我们对m Si O2模板进行进一步应用并扩展了NIR-I长余辉材料的多功能发光应用。通过在m Si O2的介孔和表面生长Au纳米颗粒(Au NPs)作为光热剂,并通过负载共掺杂Cr3+,Yb3+和Er3+的Zn Ga2O4形成具有上转换发光和NIR-I余辉发光的多模态发光长余辉纳米颗粒m Si O2@Au@Zn Ga2O4:Cr3+,Yb3+,Er3+(SAZ),最后负载光敏剂酞菁锌(Zn Pc)后合成可以用于生物成像和肿瘤治疗的复合纳米颗粒m Si O2@Au@Zn Ga2O4:Cr3+,Yb3+,Er3+@Zn Pc(SAZZ)。SAZZ纳米颗粒在980 nm激光器光照下表现出明显的光热效果,并且发射出的上转换发光和698 nm处的NIR余辉发光可以激活Zn Pc产生单线态氧(~1O2)用于肿瘤光动力学治疗(Photodynamic Therapy,PDT)。SAZZ纳米颗粒可以在肿瘤部位积蓄,在645 nm激发下进行肿瘤靶向成像,在980 nm光照下可以通过PTT和PDT协同作用实现对肿瘤细胞生长的抑制,在生物诊疗领域中具有较大应用研究潜力。3)为了提高纳米平台的靶向肿瘤作用和去除模板对纳米颗粒的尺寸限制,在这个工作中我们使用微酸性环境敏感的ZIF-8包裹小尺寸(<10 nm)的Cr3+,Yb3+,Er3+共掺杂多模态发光纳米长余辉材料Zn2.9Na0.2Ga4Ge O11:Cr3+,Yb3+,Er3+(ZGGO),光热试剂Au NPs和光敏剂Zn Pc,得到靶向肿瘤多功能纳米平台ZGGO/Au/Zn Pc@ZIF-8(ZAZZ)。ZAZZ纳米颗粒在肿瘤细胞特殊的微酸性环境下外层ZIF-8分解,被包封的小尺寸ZGGO、Au NPs和Zn Pc被缓慢释放出后很容易穿透细胞膜被肿瘤细胞吸收。ZGGO纳米颗粒进入肿瘤细胞后在980 nm激发下发出上转换发光和NIR-I余辉发光,可以与Zn Pc发生能量传递产生~1O2进行光动力学治疗。Au NPs在980 nm光照下表现出优秀的光热性质用于光热治疗,这种光热治疗可以有效增强光动力学治疗的效果,达到协同治疗的目的。同时使用645 nm激发时可以明显观察到小鼠体内ZAZZ靶向肿瘤成像的效果。因此多功能纳米颗粒ZAZZ可以实现在生物体内靶向肿瘤的NIR-I成像,PTT和PDT协同治疗的目的。
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