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近年来，上转换发光纳米颗粒(UCNPs)作为一种新型的生物标记材料在生物发光成像方面的应用倍受关注。与传统的荧光标记物（如有机染料、量子点等）相比，UCNPs具有如下优势:(1)激发光为近红外光，有效避免生物体自体荧光的干扰，从而提高检测的灵敏度和信噪比;(2)近红外光对生物组织具有较高的穿透能力，而且自身对生物样品的光损伤也较小;(3)可以通过双光子或多光子机制，将低频率的激发光转换成高频率的发射光;(4)毒性低、稳定性好、发光强度高、Stokes位移大。本研究以纳米医药领域的应用需求为背景、以纳米合成化学为基础，围绕对UCNPs的可控功能化设计、医学应用和生物学效应研究这三个方面展开系统的研究工作。
第2章:本章设计和制备了具有良好单分散性的UCNP/介孔氧化硅核壳结构(UCNP@mSiO2)纳米复合颗粒。采用简易、方便的介孔氧化硅(mSiO2)包裹技术，借助于超声环境，直接在UCNPs外表面均匀包裹一层厚度可控的mSiO2，形成多功能纳米诊疗剂，整体粒径可控制在50nm以下。其中，UCNP核(NaYF4∶Yb/Gd/Tm纳米颗粒)可作为T1-MRI/UCL双模式成像造影剂，同时，mSiO2壳层的孔道可担载抗癌药物分子。研究结果表明:疏水发光颗粒的CTAB亲水改性、多余表面活性剂CTAB的去除以及温度控制在40℃以下的超声环境等工艺参数的合理调控，是形成单分散性好、粒径均一的UCNP@mSiO2纳米复合体的关键因素。最后，实验结果证实，所制备的UCNP@mSiO2纳米复合颗粒，在细胞和活体水平均具有优异的T1-MRI/UCL双模式成像功能。
第3章:基于第2章所制备的UCNP@mSiO2核壳结构，本章发展了一种可用于近红外光控药物释放的通用策略。材料制备过程包括水溶性NaYF4∶Yb/Tm@NaYF4的合成以及mSiO2包裹两个步骤。对介孔孔道进行“分子搅拌器”偶氮苯(azo)改性后，接着对纳米颗粒表面进行多肽TAT改性以增加细胞吞噬，得到的材料标记为UCNP@mSiO2-azo，之后，抗癌药物DOX通过静电吸附担载至介孔孔道中。DOX和mSiO2通过氢键和静电吸附等相互作用，使DOX在水溶液中释放量极少。NIR(980nm)照射后，UCNPs发出的紫外和可见光被介孔孔道中光敏剂azo吸收，azo因光致异构化产生旋转-翻滚运动，从而加速抗癌药物的释放。因此，基于以上原理实现了近红外光控制的药物释放。值得提出的是，UCNPs在该体系中除了发出上转换紫外和可见光用于激发光敏剂azo以实现抗癌药物可控释放，同时，UCNPs发出的近红外光(800nm)可用于高穿透深度的活体成像。
第4章:在第3章的基础上，发展了“PVP保护热水刻蚀法”，成功制备了UCNP/空腔介孔二氧化硅核壳结构(UCNP@hmSiO2)，该纳米诊疗体系兼具NIR控制药物释放以及T1-MRI/UCL双模式成像实时感应（监控）抗癌药物释放功能。UCNPs(NaYF4∶Yb/Tm@NaGdF4)在450nm(1D2→3F4)和476nm(1G4→3H6)的发射峰正好和DOX在480nm的吸收峰重合，使得它们可以发生发光共振能量转移(LRET)，据此，可通过NaYF4∶Yb/Tm上转换发光强度的变化实时感应DOX的释放。同时，空腔和介孔孔道所担载DOX的量，明显影响UCNPs表面Gd螯合水分子的能力，据此，同样可用诊疗体系中反映T1-MRI性能的r1值的变化，实时感应（监控）抗癌药物的释放。
第5章:研究了具有细胞核直接给药功能的基于UCNPs的多功能纳米诊疗剂，发展了细胞核直接给药技术以及细胞核MRI/UCL双模式成像技术。在NaYF4∶Yb/Er表面包裹一层NaGdF4形成核壳结构UCNPs，不仅提高了上转换发光强度，而且提供了该纳米诊疗剂更加灵敏的T1-MRI性能。对UCNPs进行TAT多肽改性和表面疏水胶束中抗癌药物DOX担载，赋予了探针细胞核主动靶向性及细胞核直接给药功能。这种基于UCNPs的多功能纳米诊疗剂，因其具有细胞核直接给药功能，从而有助于提高抗癌药物DOX的药效，同时借助于纳米诊疗剂具有的双模式成像功能，可实时监控化疗效果。该细胞核靶向治疗策略可为未来高效化疗提供新思路。