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“智能快递员”:荧光介孔硅-碳点赋能药物递送
nanomicrolett 2019-5-19 14:59
In Situ Synthesis of Fluorescent Mesoporous Silica–Carbon Dot Nanohybrids Featuring Folate Receptor-Overexpressing Cancer Cell Targeting and Drug Delivery ShuaiZhao, ShanSun*, KaiJiang, YuhuiWang, YuLiu,SongWu, ZhongjunLi, QinghaiShu*, HengweiLin* Nano-Micro Lett. (2019) 11: 32 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0263-3 本文亮点 1 采用“一锅法”原位制备荧光介孔硅-碳点(MSNs‒CDs)纳米杂化物; 2 所制备的MSNs‒CDs纳米杂化物展现出稳定且明亮的黄光发射、良好的生物相容性及对叶酸受体过表达的癌细胞具有靶向的功能,可作为一种荧光成像引导下的药物载体,有效地向肿瘤部位递送抗癌药物。 内容简介 目前,化疗仍是大多数癌症的主要治疗选择。然而,化疗效果易受系统毒性、非特异性相互作用和多药耐性的影响,这些因素同时会造成严重的毒副作用。为了降低化疗毒副作用并提高治疗效果,研究者们将关注的重点转向了 药物递送系统(drug delivery systems, DDSs) 。 在多种以纳米材料为基础的DDSs中,介孔硅纳米颗粒(MSNs)以其独特的性质,包括介孔结构、大的比表面积与孔体积、高的生化和理化稳定性、特别是良好的生物相容性等,已被证明是细胞内药物递送的优良载体。 为了进一步提高DDSs的治疗效果,学者们期望能够同时赋予其 诊断与靶向的能力 。 碳点(carbondots, CDs) ,作为一种新型的荧光碳基纳米材料,近年来受到了广泛的关注。与有机染料、半导体量子点和上转换纳米颗粒相比, CDs具有制备简便、水溶性好、发光性能可调、光稳定性高及生物相容性好等优点 。基于这些优越的特性,CDs已被用于制备具有诊断功能的荧光MSNs。 此外,叶酸受体(folate receptor, FR)在某些人类癌细胞表面过度表达,因此 叶酸(folic acid, FA)常被用于与荧光染料和纳米颗粒结合,实现靶向癌细胞的选择性成像。 👇 中科院宁波材料所林恒伟北京理工大学束庆海 通过FA与氨基功能化的MSNs之间的溶剂热反应,开发出了一种 原位制备荧光MSNs‒CDs纳米杂化物 的简便方法。 制备的MSNs‒CDs纳米杂化物不仅表现出强而稳定的黄光发射,还保留了MSNs的独特性质,进一步展现了荧光成像引导下递送抗癌药物的能力。 特别地,该MSNs‒CDs纳米杂化物可选择性地靶向FR过表达的癌细胞,例如人宫颈癌细胞(HeLa),能够在有效增强抗癌药物化疗效果的同时降低毒副作用。 图文导读 荧光 MSNs ‒ CDs 纳米杂化物的光学、载药和药物控制释放性能 图3表明,随着激发波长从420 nm增加到520 nm,MSNs‒CDs纳米杂化物的 发射波长只有轻微的红移,这种发射主要是由于FA前驱体在溶剂热反应过程中发生碳化,最终形成荧光CDs而产生。 通过计算,MSNs‒CDs纳米杂化物的DOX负载量高达250 mg/g,随后进行的不同pH下的DOX释放实验表明 MSNs‒CDs纳米杂化物具有pH响应的控制释放行为 。结合光稳定性的研究结果, MSNs‒CDs纳米杂化物可作为荧光成像引导下的载体用于抗癌药物的递送。 图3(a)不同激发波长下MSNs‒CDs纳米杂化物的荧光发射光谱图;(b) 37℃和不同pH条件下MSNs‒CDs@DOX的体外释放曲线图。 👇 荧光 MSNs ‒ CDs 纳米杂化物的癌细胞靶向能力 如图4所示, 对MSNs‒CDs纳米杂化物的生物相容性和靶向能力进行了细胞水平上的研究。 细胞毒性实验 表明MSNs‒CDs纳米杂化物有良好的生物相容性,而不同类型细胞之间的细胞毒性差异可能来源于两方面:一是不同类型细胞对MSNs‒CDs纳米杂化物的摄取能力不同,二是不同类型细胞对外源物质的耐受性存在差异。 共聚焦荧光成像(CLSM)和流式细胞术 结果一致证实了细胞摄取MSNs‒CDs的效率依赖于FR表达程度,即MSNs‒CDs能够选择性地靶向FR过表达的癌细胞,特别是HeLa细胞 图4 (a)不同浓度(0、20、40、60、80和100 μg/mL)MSNs‒CDs纳米杂化物对四种细胞(HeLa、MCF-7、A549和L929)的细胞毒性;(b)-(c):与200 μg/mL MSNs‒CDs纳米杂化物孵育4h后,不同细胞的CLSM图像和流式细胞术分析结果。 图5所示的 竞争实验 进一步的证实了 MSNs‒CDs纳米杂化物内化进入HeLa细胞主要是通过FR介导的内吞作用。 细胞水平上的结果 表明 MSNs‒CDs纳米杂化物可在荧光成像引导下将抗癌药物选择性地递送到FR过表达的癌细胞。 图5 (a) HeLa细胞与200μg/mL的MSNs‒CDs纳米杂化物孵育4 h的CLSM图像;(b)作为对比,HeLa细胞首先用过量FA预处理使FR饱和,然后与200 μg/mL的MSNs‒CDs孵育4 h的CLSM图像。 👇 DOX 负载的 MSNs ‒ CDs 纳米杂化物在细胞层面的治疗效果 如图6所示,我们初步评估了负载DOX后的MSNs‒CDs纳米杂化物(MSNs‒CDs@DOX)对肿瘤细胞的增强化疗效果。 结果表明, 与当量浓度的DOX相比,MSNs‒CDs@DOX对HeLa细胞具有更高的疗效;此外,同样经过MSNs‒CDs@DOX处理,L929这类正常细胞的存活率明显高于HeLa和MCF-7两种癌细胞(尤其是HeLa细胞),表明MSNs‒CDs@DOX对正常细胞或组织具有更低的毒副作用。 上述结果表明, MSNs‒CDs纳米杂化物可作为抗癌药物的有效载体,能够在提高化疗效率的同时降低毒副作用。 图6(a)不同浓度的MSNs‒CDs@DOX和对应当量浓度的DOX对HeLa细胞的治疗效果;(b)不同浓度的MSNs‒CDs@DOX对L929、MCF-7和HeLa细胞的治疗效果。 作者简介 束庆海 (本文通讯作者) 特聘研究员 北京理工大学材料科学与工程学院 主要研究方向: 分子实验室的构建及其在环境检测、生物示踪、爆炸物检测方面的应用等。 Email: qhshu121@bit.edu.cn 林恒伟 (本文通讯作者) 研究员 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 主要研究方向: 碳基纳米发光材料的性能调控与应用,新型传感技术开发与应用等 Email: linhengwei@nimte.ac.cn 赵帅 (本文第一作者) 博士研究生 北京理工大学材料科学与工程学院 中科院宁波材料技术与工程研究所联合培养 主要研究方向: 碳基纳米荧光材料的制备及其在生物医学领域的应用 E-mail: 2120161202@bit.edu.cn 相关阅读 纳米材料的生物医学应用 ·往期回顾 👇 硅基药物递送系统在脊髓损伤治疗中的应用 癌症标志物检测:基于纳米牛血清白蛋白功能化的石墨烯生物传感器 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在Springer开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。 E-mail: editorial_office@nmletters.org Tel: 86-21-34207624
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综述 | 碳点的绿色合成、发光特性及其生物医学传感应用
nanomicrolett 2019-5-7 12:37
Biogreen Synthesis of Carbon Dots for Biotechnology and Nanomedicine Applications Kok Ken Chan, Stephanie Hui Kit Yap, Ken-Tye Yong Nano-Micro Lett. (2018) 10:72 http://doi.org/10.1007/s40820-018-0223-3 本文亮点 1 详细介绍了碳点的合成、性质与光致发光机理。 2 总结了基于碳点的传感器以及探测机理。 3 介绍了碳点在探测多种分析对象中的普适性。 内容简介 在过去的十年中, 碳点由于其优异的光致发光性质,以及容易通过掺杂和官能化调制其光学性能的特点 ,在纳米药物、太阳能、光电子学、能源储存以及传感等诸多领域引发了广泛兴趣。 新加坡南洋理工大学Yong Ken Tye副教授 从以下几个方面进行了综述:1.总结了 碳点的合成、结构、光学性质与光致发光机理 ;2.阐述了一系列 碳点传感器 的设计及其传感机制;3.详细描述了碳点传感器在高选择性和灵敏度检测各种分析物中的最新研究进展,包括检测重金属、阳离子、阴离子、生物分子、生物标记物、硝基芳香爆炸物、污染物、维生素和药物等;4.总结并展望了碳点传感器在现实生活中的应用现状、挑战和未来发展方向。 图文导读 1 碳点的制备 1.1激光烧蚀法 用于生产碳点的激光烧蚀技术是由Sun等人首先报道的。该工作中, 碳点通过由石墨粉和水泥热压制成的碳靶暴露在激光烧蚀下产生 ,这一过程中水蒸气和氩气作为载气。制备的碳点用二胺封端的聚乙二醇钝化,可在可见光范围和近红外区域产生光致发光。 ▲ 图1 钝化的碳点水溶液光致发光 1.2 电化学法 典型的碳点电化学合成装置是一个三电极体系,包括碳前驱体作为工作电极,对电极和参比电极。 施加电压对碳量子点(CQDs)物理和光学特性有特定影响 。CQD的平均尺寸在3 V下制备的是2.9 nm,而在7 V下是5.2 nm。而且,CQDs的光致发光量子产率(PLQY)在施加不同电压合成时也有不同。 CQD对铁离子具有高度特异性 ,因此可能被用作荧光传感器来检测环境中的铁离子和以及生物成像。 ▲ 图2 通过在碱性醇中电化学氧化石墨电极产生碳量子点的示意图。室温储存期间的分散液的颜色变化是由于表面物质的氧化作用。 2 传感器应用 2.1 铁离子检测 ▲ 图3 水热处理柠檬酸来制备碳点并基于聚集诱导发光效应来对铁离子进行传感 2.2 铜离子传感 ▲ 图4 使用滤纸印刷的双色碳点来视觉检测二价铜离子,可适用于自来水和湖水。所有图像均在365nm照射下拍摄。 2.3 汞离子检测 碳点在470和678 nm处出现双发射峰,源自于碳点的内在结构和叶绿素衍生的卟啉。Hg离子淬灭了678nm处的荧光,470 nm处的发射强度仅受到部分影响。两个发射带的荧光强度比为与汞离子浓度呈线性关系。 ▲ 图5 双发射碳点的制备示意图及其作为汞离子比率传感器的应用。 2.4 维生素以及药物检测 机理为碳点的荧光被三价铁离子淬灭。但是由于存在三价铁和抗坏血酸的电对反应,荧光随着抗坏血酸浓度的增加而逐渐恢复,这个传感系统报告的LOD为4.69 μmol/L,线性范围为10-200 μmol/L。 ▲ 图6 用于检测水果中抗坏血酸的N,S共掺杂碳点的示意图。 作者简介 主要研究方向 生物光子学、纳米医学、BioMEMS以及用于癌症检测和治疗的纳米技术方法。 主页链接 http://research.ntu.edu.sg/expertise/academicprofile/pages/StaffProfile.aspx?ST_EMAILID=KTYONG 相关阅读 1 聚合物负载碳量子点:高效过氧化氢非均相光催化剂 2 基于石墨烯的气体/蒸气传感器 3 基于MOFs材料的环境污染物检测传感器 4 超灵敏无酶葡萄糖传感器:基于MOF衍生物的CuNi/C纳米片阵列 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在Springer开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。 E-mail: editorial_office@nmletters.org Tel: 86-21-34207624
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多功能红光碳点的研究获新进展
sciencepress 2016-2-26 17:46
2004年,研究人员在纯化碳纳米管的过程中发现了一种发荧光的纳米团簇,后被称之为碳点。它是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯等之后被发现的又一种新型碳纳米材料。与含镉量子点和硅量子点相比,碳点是具有低毒、容易修饰、光稳定性强等优点的新一代量子点。因此,在过去的十年中,碳点很快成为量子点研究领域的热门和前沿,但在光催化和光诊疗领域同时有重大应用前景的碳点研究还少见报道。 近日,中国科学院理化技术研究所光化学转换与功能材料重点实验室在多功能红光碳点的研究方面获得新进展:利用“功能前驱体结构控制合成”方法设计合成了系列聚噻吩衍生物,并以此为前驱物结合水热碳化技术,制备了多种具有不同吸收波长(350-750 nm)、最大发射波长在可见与近红外区域(400-700 nm)的水溶性碳点。 其中,以功能前驱物聚噻吩季铵盐衍生物为碳源,制备了表面带有正电荷的水溶性近红外发光碳点,该碳点在模拟太阳光或激光的照射下均可高效产生活性氧( 1 O 2 )。这种性能独特的碳点在可见光照射下不仅能够快速降解水中有机污染物和杀灭水中细菌,而且可以用于活体成像和高效去除皮肤表层组织肿瘤。 进一步地,研究人员通过改变聚噻吩衍生物的分子结构和表面特性设计合成了聚噻吩脂肪酸衍生物,制备了表面带负电水溶性红光碳点。此类负电碳点具有集荧光、光声、光热成像和光热治疗四功能于一体(Four-in-One)的特性,可实现光激发下对肿瘤的诊断和治疗。 此类研究拓展了碳点在可见光光催化和光诊疗剂领域的应用,并为可控制备波长可调碳点提供了一种新思路。该发现引起国内外同行的高度关注,可能对此类碳纳米材料在环境保护和生物医学领域研究产生重要影响。 此系列研究成果已分别在线发表于国际著名期刊 Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Healthcare Materials、 Nanoscale、 以及国内新创办的英文期刊 Science China Materials (《中国科学:材料科学》 ,原文链接: http://link.springer.com/article/10.1007/s40843-016-0115-0 , http://mater.scichina.com/EN/abstract/abstract510145.shtml )。该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院重点部署项目的支持。
个人分类: 《中国科学》论文|6950 次阅读|0 个评论
研究进展:荧光纳米材料驱动的白光LED
qiangzhang 2014-4-5 22:03
Fluorescent Nanomaterial-derived White Light-Emitting Diodes: What’s Going On Qiang Zhang , Cai-Feng Wang , Lu-Ting Ling and Su Chen * First published online 25 Mar 2014, J. Mater. Chem. C , 2014, 2(22): 4358-4373 链接: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/tc/c4tc00048j#!divAbstract 白光LED以长寿命、节能效果显著的优越性能,成为可替代传统白炽灯的新一代照明产品,因此近年来受到广泛关注。文章主要总结了近几年 Prof. Chen 课题组及国际上其他课题组在该领域的一些进展。在前人的基础上,扩充了光转换材料的范围。涉及到的白光LED转换材料主要包括半导体量子点、硅量子点、碳量子点、石墨烯量子点、荧光纳米有机无机和材料(量子点-聚合物、荧光薄膜)等,对此方向上的主要研究进展进行了客观的总结和评述。 1. 量子点 1.1 半导体量子点 1.2 核/多壳结构 1.3 掺杂量子点 1.4 无重金属量子点 1.5 直接白光发射的量子点 2. 碳量子点 3.1 电致发光碳量子点LED 3.2 光致发光碳量子点LED 3.3 白光碳量子点基LED 3. 硅量子点 4. 石墨烯量子点 5. 有机无机杂化白光LED 5.1 量子点-共轭聚合物杂化电致发光WLED 5.2 量子点-聚合物杂化光致发光WLED 5.3 半导体量子点-聚合物荧光薄膜(远程) 5.4 碳量子点-聚合物荧光薄膜(远程) Timeline showing recent progress in fluorescent nanomaterial-derived white LEDs. Abstract: White light-emitting diodes (white LEDs) have recently attracted substantial interest owing to their remarkable energy conservation. The evolution of fluorescent nanomaterials with tunable optical properties has provided an opportunity for light source design of white LEDs. However, the stability and performance of fluorescent nanomaterial-derived white LEDs still fail to meet the requirements of practical applications. It is therefore imperative to boost their overall device performance, which depends on not only the exploitation of advanced fluorescent nanomaterials but also the design of superior light source. In this review, the achievements in fluorescent nanomaterials as color converters towards white LEDs are highlighted, including semiconductor nanocrystals or colloidal quantum dots (QDs), carbon-based nanoparticles, silicon QDs, and organic-inorganic fluorescent nanocomposites. The challenges and future perspectives in this research area are also discussed.
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