钙钛矿基上转换发光纳米颗粒的制备及生物医学应用研究

摘要

随着纳米科技的进步，纳米材料在生物医学领域获得了广泛的研究应用。近年来纳米医学的发展对具有可以同时实现疾病诊断与治疗及药物传输等多功能的一体化纳米平台提出了越来越高的要求。
　　稀土元素上转换发光纳米颗粒(UCNPs)可以在红外光源的激发下发射出从紫外到红外区域的光。UCNPs拥有很多优异的性能，如可调的发光光谱、较高的光稳定性、较小的细胞毒性，更重要的是红外光源激发可以减少生物组织的自荧光效应，并且减小对细胞和组织的损伤，因此在生物医学成像和探测研究领域具有很大吸引力。得益于材料物理化学性能和生物学性能的极大提高，上转换发光纳米颗粒为兼具生物成像和诊疗一体的多功能纳米材料的发展提供了新的机遇和快速的进步。
　　本论文中，我们进一步研究了UCNPs及其纳米复合材料在组织工程和光监测药物传递方面的应用。通过不同方法制备出具有单分散性的稀土掺杂钙钛矿基纳米材料，产物具有良好的结晶性、较窄的尺寸分布和较大的上转换发光强度。随后将UCNPs与生物玻璃组成复合纤维材料，以期利用光学信号的变化来监测生物玻璃矿化的过程变化。同时，我们利用介孔二氧化硅包裹所得的UCNPs，得到新型药物载体，详细地讨论了药物装载和释放过程，并与上转换发光建立对应关系，实现药物释放的光学监测。论文主要内容概括如下:
　　第一章:简要介绍用作生物医学应用的纳米材料，主要介绍稀土元素上转换发光材料的性能和应用。同时也论述了钙钛矿基上转换发光材料的优势及制备。
　　第二章:实验所用原料和测试方法的总结展示，如XRD、FTIR、SEM等。
　　第三章:利用不同方法制备出钙钛矿基的上转换纳米材料。首先利用溶胶凝胶法制备铒掺杂的钛酸钙纳米颗粒CaTiO3∶Er3+，但是由于高温烧结过程导致了颗粒发生严重团聚，不适宜生物医学应用。进一步利用共沉淀法得到平均粒径为60nm左右的CaTiO3∶Yb3+，Er3+纳米颗粒，粒径分布较窄。EDTA在控制晶粒长大和颗粒团聚方面发挥了重要作用。同时，我们还利用改进的溶剂热法(LSS法)得到了直径为100nm左右的SrTiO3∶Yb3+，Er3+纳米颗粒。这些不同产物都具有良好的上转换发光性能。
　　第四章:为了给组织工程中诸多变化提供一种通用的监测方法，我们将CaTiO3∶Yb3+，Er3+纳米颗粒与生物玻璃结合，利用静电纺丝方法制备出复合纳米纤维(CaTiO3∶Yb3+，Er3+@BG)。生物玻璃纤维在模拟体液SBF中发生矿化时会引起上转换发光强度的猝灭，从而可以利用光学信号来监测组织工程中的骨修复和支架降解过程。
　　第五章:我们制备了三种不同核壳结构的SrTiO3∶Yb3+，Er3+@mSiO2上转换发光纳米颗粒，具有良好的生物相容性，可作为一种新型药物载体材料。利用表面活性剂CTAB可以调节介孔二氧化硅壳层的结构。进一步利用抗癌药物DOX研究了所得纳米颗粒的药物装载和释放性能。有趣的是，DOX的释放过程可以和纳米颗粒的上转换发光信号变化之间建立很好的对应关系，从而为构建先进的多功能药物传输平台的提供了很有意义的结果。
　　第六章:总结本文工作的主要结论和创新点，并且讨论了存在的问题和相关工作的展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 稀土上转换发光纳米材料概述

1．2．1 上转化发光机理

1．2．2 上转换发光纳米材料的组成

1．2．3 上转换发光纳米材料的生物医学应用

1．3 钙钛矿基体上转换纳米颗粒概述

1．3．1 钛酸钙类材料的结构特点

1．3．2 钛酸钙和钛酸锶的生物医学应用

1．3．3 稀土掺杂钙钛矿基纳米材料的研究现状

1．4 上转换发光纳米颗粒的制备方法

1．5 本课题的研究意义和研究内容

第二章 实验原料及测试方法

2．1 实验主要原料

2．2 主要测试分析方法

2．2．1 X射线衍射分析

2．2．2 红外光谱分析

2．2．3 场发射扫描电子显微镜

2．2．4 透射电子显微镜(TEM)

2．2．5 热重-差示扫描量热分析(TG／DSC)

2．2．6 紫外-可见漫反射(UV-vis DRS)光谱分析

2．2．7 氮气吸附脱附

2．2．8 多功能酶标仪

第三章 稀土掺杂钙钛矿基纳米颗粒的制备研究

3．1 引言

3．2 溶胶凝胶法制备铒掺杂钛酸钙纳米颗粒

3．2．1 实验试剂与药

3．2．2 铒掺杂钛酸钙纳米颗粒的制备过程

3．2．3 不同掺杂量所得纳米颗粒的性能表征

3．2．4 小结

3．3 共沉淀法制备镱铒双掺钛酸钙纳米颗粒

3．3．1 实验试剂与药品

3．3．2 镱铒双掺钛酸钙纳米颗粒的制备过程

3．3．3 不同pH对纳米颗粒的影响分析

3．3．4 键铒双掺钛酸钙纳米颗粒的表征分析

3．3．5 小结

3．4 溶剂热法制备键铒双掺钛酸锶纳米颗粒

3．4．1 实验试剂与药品

3．4．2 镱铒双掺钛酸锶纳米颗粒的制备过程

3．4．3 不同离子浓度对纳米颗粒制备的影响

3．4．4 镱铒双掺钛酸锶纳米颗粒的表征分析

3．4．5 小结

3．5 本章小结

第四章 镱铒双掺钛酸钙纳米颗粒与生物玻璃复合纤维的生物医学应用研究

4．1 引言

4．2 实验试剂与药品

4．3 复合纤维的制备过程

4．4 复合纤维的性能表征

4．4．1 复合纤维材料的形貌和结构分析

4．4．2 复合纤维的上转换发光性能分析

4．5 复合纤维的生物学应用

4．5．1 细胞毒性测试

4．5．2 复合纤维的矿化过程

4．6 本章小结

第五章 介孔二氧化硅包裹的镱铒双掺钛酸锶纳米颗粒的生物医学应用研究

5．1 引言

5．2 实验试剂与药品

5．3 核壳结构STO∶yb3+,Er3+@mSiO2的制备

5．4 所得纳米颗粒的性能表征

5．4．1 STO∶yb3+,Er3+@mSiO2纳米颗粒的形貌和结构

5．4．2 STO∶yb3+,Er3+@nSiO2纳米颗粒表面结构分析

5．4．3 STO∶yb3+,Er3+@mSiO2纳米颗粒上转换发光性能

5．5 所得纳米颗粒的生物学测试

5．5．1 细胞毒性测试

5．5．2 药物装载与释放

5．5．3 生物学性能测试讨论

5．6 本章小结

第六章 结论和展望

6．1 研究结论及不足之处

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文与其它研究成果