有机纳米粒子制备表面功能化及其生物应用.docx

1、有机纳米粒子制备表面功能化及其生物应用有机纳米粒子制备、表面功能化及其生物应用 硕士学位论文论文题目 有机纳米粒子制备、表面功能化及其生物应 用 杨银龙研究生姓名 张秀娟指导教师姓名 无机化学专业名称 纳米生物医学研究方向 2013-3论文提交日期 有机纳米粒子制备、表面功能化及其生物应用 中文摘要有机纳米粒子制备、表面功能化及其生物应用?癌症是世界上第二大疾病,越来越受到人们的关注。随着科技的发展,纳米技术已成为当前用于研究肿瘤诊断和治疗的主要手段。但是目前用于成像和治疗的纳米颗粒,载体所占比重比较大,使得药物和染料的负载率受到限制。同时载体本身容易给生物体带来一定的负担和毒副作用。鉴于此,

2、本论文从增加染料和药物负载率,减少载体使用的角度出发,将染料和药物分子制备成无载体的纳米颗粒,经过表面修饰解决尺寸与生物环境稳定性问题,实现肿瘤检测和治疗,以及诊疗一体化。主要研究成果如下: 1.利用溶剂交换法制备了近红外染料双(4-(N-(2-萘基)苯基氨基)苯基)富马腈(NPAPF)的纳米粒子(NPs),然后使用双亲性表面活性剂C18PMH?PEG对NPs表面进行修饰,使之具备良好的水相分散性和生物环境稳定性。所制备的染料纳米颗粒具有聚集态诱导荧光增强性能,量子产率高达14.9%。此外NPAPF NPs展现出相对于传统荧光染料FITC更优异的光漂白特性,以及在各种生物环境中(pH4-10)

3、的发光稳定性。在表面功能化过程中引入靶向基团叶酸,NPAPF NPs可以实现体外细胞靶向成像。表面修饰后的NPAPF纳米颗粒在体内具有较长的血液循环时间,通过?EPR效应在肿瘤部位具有超高的富集,即使在较短的曝光时间下,小鼠其他部位几乎无任何背景荧光,而在肿瘤部位依然观察到很强的荧光,显示出高信噪比与特异性。 2.通过掺杂与层层自组装的方法,制备一种兼具诊断与化疗、热疗协同治疗功能的喜树碱纳米复合颗粒。首先通过掺杂的方法,将四氧化三铁纳米颗粒掺杂到喜树碱纳米棒中,然后通过层层自组装的方法,在其外层包裹具有较强近红外吸收的 PEDOT 分子,最后在外层修饰带有双硫键的 mPEG-SS-C18PM

4、H,实现生理环境的稳定性和生理响应性。通过体外的细胞实验以及体内小鼠治疗实验证实,所得复合纳米颗粒(NR-PEDOT-SS-PEG)在 808激光照射下,具有化疗与热疗的协同治疗作用,可以实现小鼠肿瘤完全消失并不再复发,显示出非常好的治疗效果,同时对小鼠无明显的毒性。同时,四氧化三铁纳米颗粒具有磁共振成像功能,可以在治疗的同时实现对肿瘤部位的诊断和检测。 关键词:近红外探针,活体成像,纳米,诊疗,肿瘤。 作 者:杨银龙 指导老师:张秀娟AbstractGraphene oxide-silver nanocomposite as a highly effective antibacterial

5、agent with species-specific mechanismsPreparation and surface-functionalization of organic nanocrystals and their bio-applications Abstract As the second disease in the world, cancer is more intensely appealing peoples attention. With the development of science and technology, nanotechnology has bec

6、ome the primary means applied in tumor diagnosis and treatment. In spite of the remarkable achivements of nano-particle carriers in fluorescence imaging and drug treatment, there remain some serious problems such as low loading capacity, possible systemic toxicity from carriers as well as their biod

7、egradation problems. Therefore, in the thesis, starting from the point of improving quantities of dyes and drugs and of reducing carriers, we prepared carrier-free organic nanoparticles, applied them to cancer detection and treatment after surface modification and realized integration of diagnosis a

8、nd treat in one particle. The main studies are summarized as follows: 1. We report a new strategy of using carrier-free pure near-infrared NIR dye nanoparticles NPs to achieve highly luminescent NIR fluorescent probes for in vitro and in vivo imaging. Bis4-N-2-naphthyl phenylamino phenyl-fumaronitri

9、le NPAPF NPs are shown to exhibit favorable biocompatibility, widerange pH stability pH 4-10 and much more superior photostability than conventional dyes. Importantly, the combined merits of high dye loading content and aggregation-induced emission enhancement properties, endow the NIR probes with h

10、igh brightness and a high quantum yield up to 14.9%. The NPAPF NPs can be readily conjugated with folic acid for targeted in vitro cell imaging. Applications of the NPs probes in highly efficient in vivo and ex vivo imaging were successfully explored. Due to the preferentially accumulation of NPs in

11、 tumor sites through passive permeability and retention effect and long blood circulation, intense fluorescent signals of NPAPF NPs can be distinctly, selectively and spatially resolved in tumor sites with ultrahigh sensitivity. The entire results clearly demonstrate the exciting potential of functi

12、onalized NPAPF NPs as a NIR fluorescent probe for in vivo and in vitro imaging and diagnostics2. We develop a novel diagnosis and treatment integrated functional nanostructure Graphene oxide-silver nanocomposite as a highly effective antibacterial agent with species-specific mechanismsAbstract?based

13、 on Fe O nanoparticle dopped 10-Hydroxycamptothecin HCPT nanorods, with 3 4polyacrylic acid :poly3,4-ethylenedioxythiophene:poly4-styrenesulfonate PAH:PEDOT:PSS layer-by-layer LBL self-assembly coating outside, and a disulfide linked polyethylene glycolmPEG-SS-C18PMH is further conjugated onto these

14、 nanoparticlesNR-PEDOT-SS-PEG, to facilitate combined chemotherapy and photothermal therapy in one system. In this work, we studied the ablation of tumor both in vivo and in vitro by the combination of photothermal therapy and chemotherapy using this functional NR-PEDOT-SS-PEG. The ability of the NR

15、-PEDOT-SS-PEG nanoparticle to combine local specific chemotherapy with external near-infrared NIR photothermal therapy significantly improved the therapeutic efficacy of cancer treatment, and achieved 100% tumor elimination. Moreover, in vivo magnetic resonance MR imaging of tumor-bearing mice is al

16、so demonstrated using NR-PEDOT-SS-PEG as the T2 contrast agentkeywords: NIR probes, in vivo imaging, nanoparticles, diagnosis and treatment, tumorWrittenby: Yang Yin long Supervised by: Zhang Xiu juan 目 录第一章:绪论 ? 1 1.1荧光纳米探针用于活体肿瘤成像概述 ? 1 1.1.1有机染料的载体纳米颗粒? 2 1.1.2近红外量子点QDs ? 8 1.1.3聚集态荧光增强荧光染料? 11 1

17、.1.4上转换纳米材料(UCNPs)? 14 1.2 多功能组合诊疗? 20 1.2.1诊疗概念及现状? 20 1.2.2化疗与光成像组合? 21 1.2.3化疗与磁共振成像组合? 23 1.2.4化疗与热疗组合治疗? 25 1.3载体装载系统机遇与挑战 ? 27 1.4 课题的选题思路以及主要内容? 29 第二章:超亮的,超稳定的近红外染料纳米颗粒在生物体外,体内的生物成像31 2.1 引言 ? 31 2.2 实验部分? 32 2.3 结果与讨论? 36 2.3.1 NPAPF NPs的合成与表征 ? 36 3.3.2 NPAPF 纳米颗粒的光学性质 ? 36 3.3.3 NPAPF NPs

18、的表面修饰 ? 37 3.3.4 NPAPF NPs的毒性 ? 38 3.3.5 NPAPF NPs的光稳定 ? 39 3.3.6 NPAPF NPs的主动靶向细胞成像? 40 3.3.7 NPAPF NPs-PEG体内成像,循环和组织分布 ? 41 2.4 结论 ? 43 第三章:多功能诊疗药物纳米颗粒制备及癌症治疗研究? 45 3.1 背景 ? 45 3.2实验部分 ? 47 3.3 结果与讨论? 51 3.3.1纳米棒的制备,表征和表面修饰 ? 51 3.3.2 NR-PEDOT-SS-PEG细胞化疗-热疗组合治疗 ? 54 3.3.3NR-PEDOT-SS-PEG血液循环及组织分布 ?

19、 55 3.3.4NR-PEDOT-SS-PEG活体光热成像和磁共振成像 ? 57 3.3.5NR-PEDOT-SS-PEG活体化疗-热疗协同治疗 ? 58 3.4 结论 ? 59 第四章:纳米BSA装载有机上转换及聚集态荧光增强染料的制备与表征 ? 61 4.1 前言 ? 61 4.2 实验部分? 62 4.3 结果与讨论? 63 4.3.1敏化剂-生色团的选取及BSA装载 ? 64 4.3.2 BSA装载上转换材料的表征 ? 64 4.4 未完成的实验? 66 4.4.1 BSA装载DOX纳米材料的模拟释放? 66 4.4.2 BSA载有上转换材料的细胞实验 ? 66 4.4.3 BSA载

20、有上转换材料的动物实验 ? 67 4.4.4 BSA装载NPAPF材料的细胞实验 ? 67 4.4.5 BSA装载NPAPF材料的活体成像 ? 68 参考文献: ? 69 第五章 结论 ? 79 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文? 80 致 谢 ? 82有机纳米粒子的制备、表面功能化及其生物应用第一章第一章:绪论1.1 荧光纳米探针用于活体肿瘤成像概述 癌症的早期治疗在很大程度上能够提高病人的存活率,这就要求在早期诊断出肿瘤1。癌症早期检测要求是通过各种各样的无创伤成像,这些成像有助于帮助我们了解肿瘤的结构,肿瘤代谢和生化变化2。当前诊断成像的手段最大的阻碍是缺少特异性和低灵敏性。尽

21、管各色各样的非荧光手段已经用于临床癌症诊断,如磁共振成像(MRI)3,X-射线成像4,放射摄影术5,超声成像6等等7,但是,这些成像材料价格昂贵,性价比不高8。 光成像方法被认为最有可能解决癌症诊断的模式,光信号可以提供生物组织的分子信息和生理相关变化的一些重要参数9。在光学成像技术中,荧光成像是癌症早期诊断的理想模式,因为有高的灵敏度和多重检测能力,同时可以拥有多个不同的分子探针 8。好的荧光探针要求发射光谱在近红外区域(波长650nm-900nm),因为在近红外区域生物器官和组织的吸收很弱,从而增加了检测的灵敏度10。近红外荧光成像分子要求有高的稳定性、高的特异识别性、和高的灵敏度11。同

22、时解决了传统染料的缺点,例如:水溶性差,光稳定性差,量子产率低,在生物环境中稳定性差和检测限低等12。最近,一些新的近红外探针被研发出来,其要求高的荧光量子产率,高的光稳定性,低团聚,低毒性。例如,硼-氟化硼络合二吡咯甲川类衍生物13,尼罗蓝衍生物14,恶嗪染料AOI98715,和一些响应性探针16。因为新型近红外探针的发展和光学成像系统的改进,近红外活体肿瘤成像这些年越来越备受关注。但是,传统的有机荧光染料仍受到各种各样的限制17。第一,一些近红外染料有很好的水溶性,水中稳定性,但很容易与生物分子结合;第二,当生物分子或者其他的靶向肿瘤配体与荧光染料结合时,只有很少的荧光分子提供配体,所以检

23、测灵敏度很低;第三,传统的荧光染料抗光漂白能力差,不能用于长时间的分子影像;最后,绝大多数的荧光分子在活体的毒性是未知的,到目前为止,只有一种荧光染料吲哚菁绿(ICG)被食品和药物管理局(FDA)批准临床使用18。1第一章有机纳米粒子的制备、表面功能化及其生物应用 纳米技术的出现为生物医学提供了非常大的帮助。其中最有意义和发展最快的纳米技术领域就是纳米探针用于癌症分子诊断11。纳米探针通过肿瘤血管的增前通透于滞留(EPR效应)靶向到肿瘤部位或者通过表面修饰特异性的结合到肿瘤血管。这两种方法引起了医学成像的兴趣,因为它们能够用于癌症的早期诊断19。纳米材料用于癌症早期诊断包括光声成像7,MRI20,拉曼成像21和