精准的治疗依赖于精确的临床诊断及精细的治疗方法等技术创新,然而目前对包括组织修复、肿瘤治疗等疾病治疗方式的相关机制均缺乏准确、清晰认识,迫切需要微创或者无创探针技术及治疗技术的创新,尤其是对多模态显影及诊疗一体化的生物医用纳米材料和技术的创新需求。稀土掺杂上转换纳米粒子（UCNs）具有优异的生物相容性,同时激发波长（980 nm近红外光）具有深的组织穿透性,更为重要的是,UCNs有可能通过稀土元素成分、核壳结构、表面化学的新型设计,实现临床影像造影能力,并与现有荧光相关技术进行融合,从而可能对诊疗一体化新技术进行拓展。为此,本论文面向组织修复中的细胞探针示踪需求、以及疾病的精准高效光动力治疗需求,探索了UCNs的成分、结构、形状、载药、靶向修饰的可控合成技术,设计、合成并优化了荧光/CT/MR多模态显影和精准高效的光动力治疗UCNs纳米材料。基于材料的研究,在影像（精准诊断）方面,首次实现了对骨缺损修复中干细胞运动情况的临床CT/MR多重影像方法的示踪,同时利用材料的荧光性质可以通过切片直接原位进行观察,从而首次建立起临床影像技术与“原位”组织学观察的相关分析方法,为细胞在体内的行为研究提供了无损实时监测的新途径。在治疗方面,通过UCNs表面修饰的设计实现了光敏剂可控负载、利用负载距离的缩短而获得的活性氧产生能力增强、以及亚细胞尺度的靶向能力,首次发现对线粒体的靶向能够实现较常规肿瘤组织靶向高约15%的肿瘤细胞杀死能力,揭示了对亚细胞（细胞器）尺度的靶向能力是光动力治疗研究的重要发展方向。由于本论文的诊（影像）、疗研究中的UCNs为同一组分,相关研究结果将为临床重要疾病的诊疗结合及其机理研究的重大需求打下良好基础。在实现上述结果的过程中主要研究了如下内容:（1）探索了合成条件对NaLnF₄（Ln镧系元素）纳米颗粒结构、形状和成分的影响,通过前驱体组分、比例、溶剂和表面活性剂组分、比例的控制,能够精确控制核壳结构及其中成分,获得不同掺杂、不同核壳结构、核/壳成分和不同形状的纳米颗粒,同时实现可控、优化的荧光颜色,同时获得了比临床应用造影剂更好的CT/MR影像效果。（2）对传统的微乳液法对UCNs纳米颗粒表面修饰进行了改进,壳层厚度从传统方法的15 nm以上降低至3-5 nm,一方面有效降低了UCNs纳米粒子与其负载的光敏剂分子之间的距离,大幅提高了能量传递效率;另一方面,改进的方法将直接在表面上获得氨基,进而实现了细胞及细胞器的精准靶向。（3）经过筛选和优化,采用DNA转染试剂TS3000修饰的UCNs,其半抑制浓度在1500μg/mL,远大于Au纳米粒子的500μg/mL,细胞相容性较Au纳米颗粒高出一个数量级,成功实现了对BMSCs细胞的高效（超过200 pg/细胞）转染和长期（至少14天）稳定标记,尤为重要的是,在上述条件下,不影响所标记的BMSCs的功能。在兔骨缺损模型上,成功采用临床双能CT和MR成像设备（而非microCT等试验设备）,持续14天无损示踪了被标记的干细胞在动物体内的运动,更为重要的是,无需额外染色,即可对骨缺损切片实现直接的组织学荧光观察。（4）通过细胞和动物实验,验证了细胞器靶向对光动力方法杀死癌细胞能力的影响,结果证明特定的亚细胞定位策略对于优化PDT功效比升高ROS剂量更为重要,其中线粒体靶向是光动力治疗肿瘤的最佳途径。