激光诱导的贵金属/半导体纳米复合材料及其生物效应研究

摘要

贵金属及半导体纳米材料由于具有独特的物理化学性质及良好的生物相容性，被广泛应用于生物医药领域。为满足不同生物应用的需求，通常使用表面稳定剂（表面活性剂、偶联剂等）对纳米材料的形貌和结构进行调控，以改善其物性。然而，表面稳定剂的引入是否会引起纳米材料自身毒理或药理作用的变化，是否会影响纳米材料生物功能的发挥，一直是材料和生命科学领域所关注的核心课题。因此，在表面稳定剂“零添加”或“少添加”的条件下，如何调控纳米材料的形貌和结构且兼顾纳米材料的生物功能，对于解决上述科学问题至关重要。液相激光熔蚀(Laser Ablation in Liquids，LAL)技术作为一种环境友好的纳米材料制备技术，得益于其高温、高压的极端非平衡条件，在去离子水中可获得表面洁净、稳定分散且高活性的纳米颗粒。由于无表面稳定剂的干扰，以该纳米颗粒作为生物功能材料或反应前驱体，不仅为纳米复合材料形成机制的研究提供了很好的物质基础，还降低了最终产物对环境和生命健康潜在的毒副作用风险，有利于其在生物医药领域的应用。本论文以LAL技术为基础，结合液相激光辐照(Laser Irradiation in Liquids，LIL)技术，在表面稳定剂“零添加”或“少添加”的条件下，完成了多种生物功能纳米材料的制备及形貌与结构调控，并开展了其在气体传感、肿瘤光热治疗、抗菌领域的应用研究。论文的研究内容及取得的创新性研究成果如下:
　　(1)激光诱导金-氧化锌复合纳米球的制备及其乙醇传感性能研究
　　以LAL制备的Au和Zn胶体纳米颗粒为反应前驱体，利用LIL技术成功制备了一种具有新型复合结构的Au修饰ZnO(Au-ZnO)复合纳米球。其中，ZnO为直径约73nm的单晶纳米球，大量的Au纳米颗粒同时镶嵌于ZnO纳米球的表面和内部。通过对中间产物进行表征分析发现，反应前驱体由ZnO纳米棒和Au纳米颗粒组成，随着辐照时间的延长，ZnO纳米棒逐渐转变为ZnO纳米球，同时实现了Au纳米颗粒在ZnO纳米球的内部镶嵌和表面修饰，最终形成Au-ZnO复合纳米球，该过程符合加热-熔化-蒸发机制。乙醇传感测试表明，与ZnO纳米球相比，Au-ZnO复合纳米球具有更低的工作温度、更高的灵敏度和更好的选择性。
　　(2)激光诱导金-氧化铁复合纳米球的制备及其光热治疗应用研究
　　基于LIL技术，以Au和Fe2O3纳米颗粒的混合溶液为反应前驱体，成功制备了Au纳米颗粒镶嵌的氧化铁(Au-FeOx)复合纳米球，其形成过程同样符合加热-熔化-蒸发机制。此外，激光辐照还诱导了氧化铁物相的转变，由最初的六方相Fe2O3转变为立方相Fe3O4，该过程归因于辐照过程中的高温融化作用和光生电子自还原作用。光热转换性能的研究结果表明，Au-FeOx复合纳米球具有高的光热转换效率和优异的光热稳定性，在光热治疗领域具有潜在的应用前景。
　　(3)多功能硫化铜花状中空纳米球的合成及其抗肿瘤性能研究
　　以上述ZnO纳米球为模板，结合LIL技术和离子置换方法，设计并成功制备了多功能硫化铜花状中空纳米球，并对其磁共振成像(MRI)及抗肿瘤性能进行了研究。该硫化铜花状中空纳米球具有可忽略的细胞毒性和良好的血液相容性。在T2WI、T2-FLAIR和T2-SPIR序列上，其均能显著增强目标区域的磁共振信号值，可作为MRI阳性造影剂。此外，由于具有较强的近红外光吸收能力和多孔中空结构，硫化铜花状中空纳米球还可作为高效的光热治疗试剂和抗癌药物载体。体外、体内研究均证实了硫化铜花状中空纳米球具有良好的肿瘤抑制能力，发挥了光热治疗和化疗的协同作用，实现了MRI引导的光热治疗与化疗联合的肿瘤治疗策略。
　　(4)超小尺寸银纳米颗粒的制备及其抗菌性能研究
　　利用LAL技术在去离子水中熔蚀银(Ag)靶材，制备了表面洁净的Ag纳米颗粒，并实现其尺寸的调控。当激光波长为1064nm和532nm时，Ag纳米颗粒的平均粒径分别为47nm和1.6nm。为研究表面稳定剂对Ag纳米颗粒抗菌性能和细胞毒性的影响，采用湿化学法合成了柠檬酸钠包覆的Ag纳米颗粒(41nm)，对其进行激光辐照处理，有效减小了颗粒的尺寸，最终得到柠檬酸钠包覆的2.2nm Ag纳米颗粒。在同一体系下的研究发现，相对于表面洁净的Ag纳米颗粒，柠檬酸钠包覆的Ag纳米颗粒具有更高的抗菌活性。此外，柠檬酸钠的包覆对细胞毒性的影响具有细胞种类的差异性，其包覆提高了Ag纳米颗粒对人表皮纤维细胞的生物相容性，但降低了对正常人肺成纤维母细胞的生物相容性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 LAL技术的基本原理

1．3 LAL技术参数对纳米材料合成的影响

1．3．1 激光参数——波长、脉宽

1．3．2 液相介质

1．4 基于LAL技术纳米材料的应用研究进展

1．4．1 催化领域

1．4．2 生物医药领域

1．5 本论文研究内容和意义

参考文献

第二章 激光诱导An-ZnO复合纳米球的制备及其乙醇传感性能研究

2．1 引言

2．2 实验

2．2．1 化学试剂

2．2．2 制备过程

2．2．3 产物的表征

2．2．4 材料的气敏性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 产物的形貌和结构表征

2．3．2 产物的物相分析

2．3．3 产物的荧光特性研究

2．3．4 Au-ZnO复合纳米球的形成过程研究

2．3．5 气敏性能研究

2．3．6 气敏机制讨论

2．4 小结

参考文献

第三章 激光诱导Au-FeOx复合纳米球的制备及其光热治疗应用研究

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 化学试剂

3．2．2 制备过程

3．2．3 产物的表征

3．2．4 光热转换性能测试

3．2．5 细胞培养

3．2．6 细胞毒性化验

3．2．7 体外磁共振成像

3．2．8 体外光热治疗

3．3 结果与讨论

3．3．1 结构与物相表征

3．3．3 磁性及体外磁共振成像性能研究

3．3．4 光热转换性能研究

3．3．5 细胞毒性及体外光热治疗性能研究

3．4 小结

参考文献

第四章 硫化铜花状中空纳米球的合成及其抗肿瘤性能研究

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 化学试剂

4．2．2 硫化铜花状中空纳米球的合成

4．2．3 硫化铜花状中空纳米球的表征

4．2．4 光热转换性能测试

4．2．5 药物的负载和释放性能测试

4．2．6 细胞培养

4．2．7 细胞毒性化验

4．2．9 体内、体外磁共振成像

4．2．10 体外光热治疗实验

4．2．11 体内抗瘤实验

4．2．12 超声成像

4．3 结果与讨论

4．3．1 结构与物相表征

4．3．2 光热转换性能研究

4．3．3 抗癌药物的负载及释放性能研究

4．3．4 体外、体内磁共振成像性能研究

4．3．5 细胞毒性及体外光热治疗性能研究

4．3．6 体内光热治疗性能研究

4．3．7 肿瘤组织的超声检测

4．4 小结

参考文献

第五章 表面洁净银纳米颗粒的LAL制备及其抗菌性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 化学试剂

5．2．2 表面洁净银纳米颗粒的合成

5．2．3 柠檬酸钠包覆的银纳米颗粒的合成

5．2．4 结构表征

5．2．5 细胞培养

5．2．6 抗菌性能检测

5．2．7 细胞毒性检测

5．3 结果与讨论

5．3．1 产物的形貌和结构表征

5．3．2 光吸收性质

5．3．3 细胞毒性检测

5．3．4 抗菌性能检测

5．4 结论

参考文献

第六章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢