新型碳基纳米材料的构筑及其在肿瘤诊断和治疗中的研究

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肿瘤是威胁人类健康的重要疾病之一,肿瘤的早期诊断和治疗是提高患者生存质量和治愈率的关键。传统的X线、CT、MRI和PET等成像手段对肿瘤早期的定位、定性难度较大,且现有临床治疗方法多为毒副作用较大的放、化疗,极大程度上限制了肿瘤的精准诊疗效果。随着纳米技术的快速发展,多功能纳米材料受到人们的广泛关注,与传统的诊疗相比,多功能纳米材料具有独特的物化性能与生理特性,可最大限度提升药物的靶向递送,实现诊断与治疗协同作用效果。纳米材料的引入为癌症等重大疾病的早期诊断和治疗提供了一种新型功能性技术。其中碳基纳米材料凭借其独特的理化特性,应用于生物医学领域,作为一种新型的药物运载系统和光敏剂,赢得了越来越多的关注,同时由于碳基材料合成过程经济合算,使得其临床转化并投入大规模工业化生产的可能性远大于传统的纳米材料。尽管碳基纳米材料被广泛应用,但仍存在一些亟待解决的问题,大多数的碳基纳米材料对光的吸收都处于近红外一区(NIR-Ⅰ),对组织穿透性差,限制了对肿瘤组织的诊断能力与治疗结果;另外,现有的碳基纳米材料大多都只进行单一的光热治疗(PTT),治疗效果并不理想。因此,有关碳基纳米材料在肿瘤诊断与治疗上的应用还需更深入的研究与探讨。本论文以介孔Beta分子筛作为模板,通过模板-碳化-腐蚀工艺合成了新型硅碳纳米材料(HSC)与中空碳材料(HC),并利用其独特的理化性质,通过负载储氢材料氨硼烷(AB)得到了中空型碳基纳米材料(HC-AB),应用于肿瘤的诊断与治疗。主要研究内容及结论如下:(1)以四乙基氢氧化铵(TEAOH)为模板剂,偏铝酸钠(Na Al O2)为铝源,白炭黑为硅源,一步水热法合成了Beta分子筛,然后将其作为模板包覆离子液体1-丁基-3-甲基咪唑溴盐(BMIMBr),通过高温碳化得到了复合材料(Beta-C),利用氢氧化钠刻蚀Beta分子筛得到了新型硅碳纳米材料HSC。探究了不同投料比(Beta分子筛与离子液体的质量比)对所合成的Beta-C在近红外二区荧光成像(NIR-Ⅱ FI)中的影响,实验结果表明:在m Beta分子筛:m BMIMBr=6:1的时候Beta-C的NIR-Ⅱ FI最强。然后借助XRD、TEM、XPS、FT-IR、UV-Vis、DLS等表征手段对HSC的形貌、结构等理化性能进行表征;同时通过各种小动物成像系统分别在体外、细胞与活体层面评估了HSC的诊断与治疗性能。结果表明:HSC的粒径在200 nm左右,形貌为类球形,该纳米材料无论在近红外一区(NIR-Ⅰ)还是近红外二区(NIR-Ⅱ)都具有紫外吸收,且在808 nm激光照射下该材料呈现了良好的荧光发射光谱,然后通过体外成像测试表明HSC具有NIR-Ⅱ FI与近红外二区光声(NIR-Ⅱ PA)成像的能力,另外该纳米材料在1064 nm激光照射下可迅速升温且稳定性好,表现出优异的近红外二区光热性能;细胞实验也表明了HSC的低毒性与良好的生物相容性;最后将HSC通过鼠尾静脉注射到荷瘤小鼠体内探究了该纳米材料在肿瘤诊疗方面的作用,通过NIR-Ⅱ FI与NIR-Ⅱ PA成像可以看出在注射12 h后HSC在小鼠肿瘤部位聚集量最大,通过监测小鼠的状态可以看出在近红外二区光热治疗(NIR-Ⅱ PTT)10 d后,小鼠肿瘤消失。(2)以Beta分子筛作为模板在其上包覆离子液体(BMIMBr),通过高温碳化得到了Beta-C复合物,利用氢氧化钠将Beta分子筛完全蚀刻得到了中空型介孔碳纳米材料HC,在其上负载储氢材料氨硼烷(AB)得到中空型碳基纳米材料(HC-AB),探究了不同AB的量对HC-AB产氢性能的影响,结果表明:在m HC:m AB=1:5时,HC-AB的产氢性能最适宜,记这时的纳米材料为HC-AB。然后借助TEM、UV-Vis、DLS及BET等表征手段对HC-AB的形貌、结构、孔道等理化性质进行表征;同时分别在体外、细胞与活体层面评估了HC-AB纳米材料的诊断与治疗性能。结果表明HC-AB的粒径在200 nm左右,呈中空类球形结构,该纳米材料具有NIR-Ⅱ PA成像以及优异的NIR-Ⅱ光热性能,在1064 nm激光照射下,HC-AB一方面可迅速升温,另一方面NIR-Ⅱ PTT过程中产生的热量也可加速H2的产生;最后通过将HC-AB鼠尾静脉注射到荷瘤小鼠体内探究了该纳米材料NIR-Ⅱ氢热协同治疗的效果,通过NIR-Ⅱ PA成像可以看出在注射后6 h后HC-AB在裸鼠肿瘤部位聚集量最大,在治疗后通过监测小鼠的状态可以看出在10 d后,小鼠肿瘤完全消失。
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