有机纳米粒子制备表面功能化及其生物应用.docx

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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,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NPAPFNPs

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)的发光稳定性。

在表面功能化过程中引入靶向基团叶酸,NPAPFNPs

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-C18PMH,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AbstractGrapheneoxide-silvernanocompositeasahighlyeffectiveantibacterialagentwithspecies-specificmechanisms

Preparationandsurface-functionalizationoforganic

nanocrystalsandtheirbio-applications

Abstract

Astheseconddiseaseintheworld,cancerismoreintenselyappealingpeople's

attention.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,nanotechnologyhasbecome

theprimarymeansappliedintumordiagnosisandtreatment.Inspiteoftheremarkable

achivementsofnano-particlecarriersinfluorescenceimaginganddrugtreatment,there

remainsomeseriousproblemssuchaslowloadingcapacity,possiblesystemictoxicity

fromcarriersaswellastheirbiodegradationproblems.Therefore,inthethesis,starting

fromthepointofimprovingquantitiesofdyesanddrugsandofreducingcarriers,we

preparedcarrier-freeorganicnanoparticles,appliedthemtocancerdetectionand

treatmentaftersurfacemodificationandrealizedintegrationofdiagnosisandtreatin

oneparticle.Themainstudiesaresummarizedasfollows:

1.Wereportanewstrategyofusingcarrier-freepurenear-infraredNIRdye

nanoparticlesNPstoachievehighlyluminescentNIRfluorescentprobesforinvitro

andinvivoimaging.Bis4-N-2-naphthylphenylaminophenyl-fumaronitrile

NPAPFNPsareshowntoexhibitfavorablebiocompatibility,widerangepHstability

pH4-10andmuchmoresuperiorphotostabilitythanconventionaldyes.Importantly,

thecombinedmeritsofhighdyeloadingcontentandaggregation-inducedemission

enhancementproperties,endowtheNIRprobeswithhighbrightnessandahigh

quantumyieldupto14.9%.TheNPAPFNPscanbereadilyconjugatedwithfolicacid

fortargetedinvitrocellimaging.ApplicationsoftheNPsprobesinhighlyefficientin

vivoandexvivoimagingweresuccessfullyexplored.Duetothepreferentially

accumulationofNPsintumorsitesthroughpassivepermeabilityandretentioneffect

andlongbloodcirculation,intensefluorescentsignalsofNPAPFNPscanbedistinctly,

selectivelyandspatiallyresolvedintumorsiteswithultrahighsensitivity.Theentire

resultsclearlydemonstratetheexcitingpotentialoffunctionalizedNPAPFNPsasa

NIRfluorescentprobeforinvivoandinvitroimaginganddiagnostics2.WedevelopanoveldiagnosisandtreatmentintegratedfunctionalnanostructureGrapheneoxide-silvernanocompositeasahighlyeffectiveantibacterialagentwithspecies-specificmechanismsAbstract?

basedonFeOnanoparticledopped10-HydroxycamptothecinHCPTnanorods,with

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polyacrylicacid:

poly3,4-ethylenedioxythiophene:

poly4-styrenesulfonate

PAH:

PEDOT:

PSSlayer-by-layerLBLself-assemblycoatingoutside,andadisulfide

linkedpolyethyleneglycolmPEG-SS-C18PMHisfurtherconjugatedontothese

nanoparticlesNR-PEDOT-SS-PEG,tofacilitatecombinedchemotherapyand

photothermaltherapyinonesystem.Inthiswork,westudiedtheablationoftumorboth

invivoandinvitrobythecombinationofphotothermaltherapyandchemotherapy

usingthisfunctionalNR-PEDOT-SS-PEG.TheabilityoftheNR-PEDOT-SS-PEG

nanoparticletocombinelocalspecificchemotherapywithexternalnear-infraredNIR

photothermaltherapysignificantlyimprovedthetherapeuticefficacyofcancer

treatment,andachieved100%tumorelimination.Moreover,invivomagneticresonance

MRimagingoftumor-bearingmiceisalsodemonstratedusingNR-PEDOT-SS-PEG

astheT2contrastagentkeywords:

NIRprobes,invivoimaging,nanoparticles,diagnosisandtreatment,tumorWrittenby:

YangYinlong

Supervisedby:

ZhangXiujuan

目录

第一章:

绪论?

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1.1荧光纳米探针用于活体肿瘤成像概述?

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1.1.1有机染料的载体纳米颗粒?

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1.1.2近红外量子点QDs?

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1.1.3聚集态荧光增强荧光染料?

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1.1.4上转换纳米材料(UCNPs)?

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1.2多功能组合诊疗?

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1.2.1诊疗概念及现状?

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1.2.2化疗与光成像组合?

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1.2.3化疗与磁共振成像组合?

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1.2.4化疗与热疗组合治疗?

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1.3载体装载系统机遇与挑战?

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1.4课题的选题思路以及主要内容?

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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?

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2.2实验部分?

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2.3结果与讨论?

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2.3.1NPAPFNPs的合成与表征?

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3.3.2NPAPF纳米颗粒的光学性质?

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3.3.3NPAPFNPs的表面修饰?

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3.3.4NPAPFNPs的毒性?

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3.3.5NPAPFNPs的光稳定?

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3.3.6NPAPFNPs的主动靶向细胞成像?

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3.3.7NPAPFNPs-PEG体内成像,循环和组织分布?

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2.4结论?

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第三章:

多功能诊疗药物纳米颗粒制备及癌症治疗研究?

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3.1背景?

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3.2实验部分?

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3.3结果与讨论?

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3.3.1纳米棒的制备,表征和表面修饰?

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3.3.2NR-PEDOT-SS-PEG细胞化疗-热疗组合治疗?

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3.3.3NR-PEDOT-SS-PEG血液循环及组织分布?

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3.3.4NR-PEDOT-SS-PEG活体光热成像和磁共振成像?

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3.3.5NR-PEDOT-SS-PEG活体化疗-热疗协同治疗?

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3.4结论?

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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?

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61

4.1前言?

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61

4.2实验部分?

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4.3结果与讨论?

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4.3.1敏化剂-生色团的选取及BSA装载?

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64

4.3.2BSA装载上转换材料的表征?

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64

4.4未完成的实验?

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4.4.1BSA装载DOX纳米材料的模拟释放?

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66

4.4.2BSA载有上转换材料的细胞实验?

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66

4.4.3BSA载有上转换材料的动物实验?

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67

4.4.4BSA装载NPAPF材料的细胞实验?

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67

4.4.5BSA装载NPAPF材料的活体成像?

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参考文献:

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第五章结论?

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攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文?

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致谢?

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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AOI987[15],

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],MRI[20],拉曼成像[21]和

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