稀土上转换/硅基纳米复合材料的设计制备及生物医学应用研究

摘要

稀土掺杂上转换纳米材料能够在低能近红外光的激发下发射高能的可见光/紫外光。作为一种新型的荧光成像探针，上转换纳米材料不仅具有优异的光学性能，同时还具备以下几种独特的优点，比如优异的化学及光学稳定性、较低的毒性、较低的背景荧光干扰、较高的信噪比与探测敏感度以及对生物组织极强的穿透能力。这些优点使得上转换纳米材料在诸多领域具有广泛的应用价值。尽管备受关注，但在生物应用过程中仍存在一些关键问题有待解决，其中包括多谱带发光调节、提高生物窗口发射谱带的荧光效率以及如何合理修饰与整合无机/有机材料进而构建多功能高效的纳米诊疗平台等。而本论文中，设计合成了三种结构与功能逐步递进的上转换或复合上转换纳米材料，对材料形貌、光谱进行调节的同时，对复合纳米材料的生物医学应用进行了系统的研究。
　　使用简单的水热合成方法，尝试稀土多离子共掺杂的方式制备出三掺的KMnF3: Yb3+/Er3+/Tm3+纳米粒子。调节反应时间与络合剂种类进而调控粒子形貌。在单波段980 nm激光的激发下，对所合成出的KMnF3: Yb3+/Er3+/Tm3+纳米粒子的发射谱带进行研究后发现稀土离子三掺杂纳米粒子同时具备四波段的发射谱带（蓝、绿、红、近红外），并且位于生物窗口的红光与近红外光都具有较强的荧光发射。最后通过泵浦功率实验结果对各谱带的发光机理进行了讨论。
　　设计合成了光敏剂包入的双层核-壳结构上转换/硅基纳米复合材料体系，探讨了其在THP-1巨噬细胞内的细胞成像与光动力治疗方面的应用。首先采用高温热裂解法制备Er3+离子掺杂的NaYF4纳米粒子。筛选不同反应时间与反应温度对NaYF4纳米粒子的粒径和形貌进行有效调控。通过改变表面活性剂及硅烷偶联剂四乙氧基硅烷(TEOS)的用量控制包覆过程核壳结构纳米粒子的尺寸、均一度、包覆厚度及孔道性质。通过水解共缩合的方式将光敏剂二轻卟酚e6(Ce6)固定在外层的硅壳结构中。在近红外光的激发下，对核壳结构粒子所产生的单线态氧进行化学探测。随后研究了核壳结构纳米粒子的细胞毒性、细胞摄取后成像及光动力治疗效果。实验结果表明粒子易于被THP-1巨噬细胞吞噬，光照下的光动力治疗对THP-1巨噬细胞有较好的抑制效果。最后对细胞的凋亡机制进行了预测分析。
　　设计制备了三层核-壳-壳结构三功能近红外光响应智能药物控释体系，随后探讨了其在 A549肺癌细胞内的细胞成像与光动力治疗方面的应用。首次同时实现了近红外光诱导下的细胞成像、光动力治疗与药物释放。首先制备上转换纳米粒子核NaYF4作为上转换发射的纳米转换器。随后在上转换粒子表面包覆一层镶嵌水溶性光敏剂亚甲基蓝(MB)的实心硅球。外层继续包覆介孔二氧化硅用于装载模型药物罗丹明B(RhB)。之后在硅球表面修饰单线态氧敏感的有机分子后再连接金刚烷分子(AD)，最后在载药完成后加入环糊精分子β-CD使其与金刚烷通过络合的方式将介孔孔道完全封堵。在980 nm激光的照射下，纳米光学转换器将近红外光转换的540 nm绿光发射用于细胞成像，而转换的660 nm红光发射被光敏剂MB吸收，产生的单线态氧应用于光动力治疗的同时还能够切断单线态氧敏感分子从而实现药物的精确释放。复合纳米载药体系构建成功后本研究进一步探讨了载药体系在近红外持续与间歇光照下的药物释放结果，并系统研究了三层复合结构纳米粒子的细胞毒性、细胞摄取后的成像及光动力治疗效果。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 稀土掺杂上转换纳米粒子的设计合成

1.3 稀土上转换/硅基纳米复合材料载药体系合成方法

1.4 稀土上转换/硅基纳米复合材料载药体系应用

1.5 本文的主要研究内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1实验原料与试剂

2.2实验仪器与设备

2.3实验方法与技术

2.4材料测试与表征

第3章 Yb3+/Er3+/Tm3+掺杂KMnF3纳米粒子多谱带上转换荧光性能研究

3.1引言

3.2 KMnF3:Yb3+/Er3+/Tm3+三掺杂纳米粒子的合成

3.3稀土掺杂KMnF3纳米粒子的上转换荧光光谱测试

3.4 KMnF3:Yb3+/Er3+/Tm3+三掺杂纳米粒子泵浦功率分析

3.5 KMnF3:Yb3+/Er3+/Tm3+三掺杂纳米粒子发光机理研究

3.6本章小结

第4章 NaYF4@mSiO2-Ce6双功能上转换纳米粒子的细胞成像与光动力治疗

4.1引言

4.2稀土掺杂NaYF4纳米粒子的合成与表征

4.3核壳结构纳米粒子NaYF4@mSiO2合成与表征

4.4双功能核壳结构纳米粒子的合成与表征

4.5 NaYF4@mSiO2-Ce6核壳结构纳米粒子单线态氧检测

4.6细胞毒性研究

4.7 THP-1巨噬细胞对核壳结构纳米粒子的细胞吞噬

4.8近红外光激发纳米粒子THP-1 巨噬细胞的光动力治疗

4.9 THP-1巨噬细胞凋亡形态表征

4.10 THP-1巨噬细胞凋亡机理推测

4.11本章小结

第5章 NaYF4@SiO2(MB)@mSiO2三功能纳米粒子的细胞成像与协同治疗

5.1 引言

5.2 核-壳-壳结构纳米粒子的合成与结构表征

5.3 NaYF4@SiO2(MB)@mSiO2纳米粒子光学性能表征

5.4 Linker修饰前后粒子NaYF4@SiO2(MB)@mSiO2单线态氧探测

5.5 近红外光照下NaYF4@SiO2(MB)@mSiO2-CD (RhB)药物释放

5.6 NaYF4@SiO2(MB)@mSiO2-CD纳米粒子细胞毒性研究

5.7 A549肺癌细胞对纳米粒子的细胞摄取

5.8 NaYF4@SiO2(MB)@mSiO2-CD纳米粒子光动力细胞实验

5.9 本章小结

结论

创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历