荧光碳量子点:合成、特性及在肿瘤治疗中的应用

碳量子点是一种以碳元素为主要成分的新型荧光碳纳米材料。碳量子点是纳米材料的一员,具备纳米材料所共有的表面和界面效应,因而表面非常活跃,易于功能化修饰;纳米材料具有小尺寸效应和量子尺寸效应,使得碳量子点具有优异的荧光性能,荧光量子产率高、稳定性强、光谱可控;另外,碳量子点的水溶性优良,碳元素的构成保证了碳量子点的低细胞毒性和良好的生物相容性,极小的粒径和分子量也有利于其在生物体内的应用。这些突出的性能使得碳量子点在肿瘤体外检测、体内成像、肿瘤靶向载体与治疗等领域中都有重要的应用价值。仅从肿瘤治疗方面而言,碳量子点在许多传统和新兴的肿瘤治疗方法中都有很多深层次的应用。纳米药物载体技术是大部分学者利用碳量子点来改善化学治疗过程最常用的手段。它是将纳米材料作为基本单元,通过物理和化学等手段将药物连接、吸附或者包裹在纳米材料上,利用载体的特殊性能来实现更好的抑癌效果。而碳量子点诸多的优良性能也使其在化学治疗过程中有非常多的应用,包括:(1)改善药物的水溶性,以提升治疗效果;(2)提高药物对病灶处的靶向性,降低对正常细胞的危害;(3)延长药物在人体内的滞留时间;(4)实现药物智能高效释放等。这些复合载药体系具有特异性、靶向性、定量准确、易吸收等特点,可以有效提高治疗效果。此外,碳量子点的光热转化特性、光致发光特性也使得其在光热治疗和光动力治疗等新兴治疗方法中有所应用。光热治疗提高了热疗过程中的安全性和高效性;碳量子点在光动力治疗应用中,可以显著改善光敏剂水溶性差、荧光量子产率低、光源穿透深度不够、癌变组织氧气供应不足等应用难题,为深层肿瘤治疗提供了研究思路。多种方式的协同治疗也可以将治疗效果提升至最大化。本文归纳了碳量子点的合成方法以及新的制备工艺的发展趋势,总结了碳量子点在肿瘤治疗中所具有的优良性能,并着重介绍了碳量子点在光动力治疗、光热治疗和化疗等肿瘤治疗领域中的前沿应用。     

叶酸修饰的氧化石墨烯装载阿霉素的载药性能评价

制备了负载阿霉素的叶酸修饰的氧化石墨烯材料,并对其性能进行研究。首先制备由叶酸修饰的氧化石墨烯,记为FA/GO,然后将该复合物对药物阿霉素进行负载,记为FA/GO/DOX,通过与空白组(FA/GO)的对比分析,观察其药物负载和释放行为,选择Hela细胞作为模型进行细胞实验,考察其细胞形态、细胞毒性和生物安全性,对FA/GO/DOX载药系统的靶向性、细胞毒性和安全性能进行研究和评价,发现该材料性能良好,具有广阔的应用前景。     

功能化氧化石墨烯的制备及其载药性能研究

研究了一种含乳糖酸修饰的氧化石墨烯(GO)复合材料的制备以及其载药性能。这种纳米载体可用于药物的控制释放以及靶向传递。首先利用羧甲基壳聚糖(CMC)、乳糖酸(LA)功能化修饰GO,并连接异硫氰酸荧光素(FITC)用于示踪,合成GO-CMC-FI-LA,并对此材料进行乙酰化,合成药物载体GO-CMC-FI-LA-Ac。最后将复合材料GOCMC-FI-LA-Ac负载抗肿瘤药物阿霉素(DOX),合成载药复合物GO-CMC-FI-LA-Ac-DOX。研究发现CMC、FITC和乳糖酸被成功连接在GO的表面官能团上,且并不影响其原本的二维片状结构,同时药物载体具有较高的药物负载量。体外药物释放实验结果表明DOX的释放行为与pH值有关,相比于中碱性,DOX在酸性条件下的释放率更大,可更好的用于治疗肿瘤细胞。因此,此复合材料性能良好,具有广阔的应用前景,值得进一步的研究。     

碳基及氧化锌量子点在癌症诊疗应用中的研究进展

癌症是一种动态和异质性疾病,具有高死亡率和高发病率。化学疗法被认为是目前治疗癌症最有效的手段之一,常规化学疗法本身具有靶向非选择性、高毒性、化疗药物易被快速清除、药物失活、肿瘤的多药耐药性以及在非特异性位点积累等缺点。药物递送技术和纳米技术的进步为旧药物提供了新的治疗方式,可以改善药代动力学,增强其在实体瘤中的积聚并减小这些重要治疗剂的毒副作用。癌症纳米技术是癌症诊断和治疗的新兴领域。尽管目标药物递送系统向特定的部位递送抗癌剂已经取得了相当大的进展,但是研究者们仍在开发和探索新的纳米材料,以获得更高的药物递送效率。癌症治疗至关重要的是抗癌药物载体对药物的高效靶向递送。随着药物递送技术和纳米技术的进步,发展了许多高效的药物递送系统,提供了同时治疗和诊断(诊疗)的多功能平台。近年来,量子点由于其独特的光学和物理化学性质,被越来越多地用于细胞靶向、成像和药物递送。本文讨论了生物相容性良好的石墨烯量子点、碳量子点、氧化锌量子点作为抗癌药物载体应用的最新研究进展,以及这些量子点在细胞毒性、荧光成像、智能递送和协同治疗等多功能部分的应用和作为治疗用药物载体在实际应用中的挑战。     

近红外荧光磁性复合载药脂质体的制备及应用

拟建立以近红外荧光磁性复合脂质体(NFMSLs)为模型药物载体、盐酸多柔比星(DOX)为包封药物的药物输送系统,研究了近红外荧光磁性载药复合脂质体(DOX-NFMSLs)的制备、性质及初步应用。采用共沉淀法制备Fe3O4磁流体,CdTe掺杂Se制备近红外量子点CdSeTe,薄膜分散法制备DOX-NFMSLs。用DOX荧光分光光度法测定DOX-NFMSLs的包封率和体外药物释放率;用DOX-NFMSLs与HepG2肝癌细胞共孵育来进行细胞成像和细胞毒性实验。结果表明,近红外CdSeTe量子点粒径约为5nm,闪锌矿结构,发射波长824nm。磷脂与胆固醇质量比为8∶1,药脂比为1∶20的DOX-NFMSLs平均粒径为252.9nm,Zeta电位为-48.6mV,理想释放药物温度为41℃,平均包封率为(74.84±0.89)%。DOX-NFMSLs对HepG2肝癌细胞有一定的抗癌效果。得到了具有良好磁响应、释药温度T=41℃、可近红外成像的载药脂质体。     

近红外荧光磁性复合载药脂质体的制备及应用

拟建立以近红外荧光磁性复合脂质体(NFMSLs)为模型药物载体、盐酸多柔比星(DOX)为包封药物的药物输送系统,研究了近红外荧光磁性载药复合脂质体(DOX-NFMSLs)的制备、性质及初步应用.采用共沉淀法制备FeO4磁流体,CdTe掺杂Se制备近红外量子点CdSeTe,薄膜分散法制备DOX-NFMSLs.用DOX荧光分光光度法测定DOX-NFMSLs的包封率和体外药物释放率;用DOX-NFMSLs与HepG2肝癌细胞共孵育来进行细胞成像和细胞毒性实验.结果表明,近红外CdSeTe量子点粒径约为5nm,闪锌矿结构,发射波长824 nm.磷脂与胆固醇质量比为8∶1,药脂比为1∶20的DOX-NFMSLs平均粒径为252.9 nm,Zeta电位为-48.6 mV,理想释放药物温度为41℃,平均包封率为(74.84±0.89)％.DOX-NFMSLs对HepG2肝癌细胞有一定的抗癌效果.得到了具有良好磁响应、释药温度T=41℃、可近红外成像的载药脂质体.     

pH值响应性透明质酸纳米粒的制备及作为阿霉素载体的研究

通过化学交联法合成组氨酸修饰透明质酸耦合物(His-HA),制备载阿霉素纳米粒,分析其pH值响应性和抗肿瘤特征.研究显示,随着pH值的降低(7.4～5.5),纳米粒的粒径增大(230～780nm),zeta电位升高,载药纳米粒的体外释放量增加.细胞毒性实验显示粒径＜300nm的载药纳米粒具更高的毒性.细胞摄入实验表明,阿霉素通过受体介导的胞吞和载药纳米粒的胞外释放两种途径被细胞摄入.以上研究显示组氨酸修饰透明质酸纳米粒具有显著的pH值响应性,具备作为阿霉素药物载体的应用前景.     

一步法合成特异性pH响应碳量子点及其发光机理研究

本研究利用溶剂热反应, 以柠檬酸为碳源, 甲酰胺和水为混合溶剂, 一步合成氮掺杂碳量子点。研究表明, 所制备的氮掺杂碳量子点具有良好的水溶性和明亮的蓝光发射, 以及典型的依赖于激发光的荧光发射特性。特别的是, 该碳量子点显示出不同于普通碳量子点的、独特的pH响应行为, 除了具有传统的荧光强度随着pH变化的响应行为外, 还表现出在碱性条件下, 产生新的不依赖于激发光的红光发射的性能。通过系统研究碳量子点在不同碱性环境和不同羟基含量溶液中的荧光特性, 结合拉曼光谱、红外、XPS等表征, 分析其化学组成与表面态分子, 探讨了其发光机制, 证实这种特异性pH响应行为是由于在强碱性环境中含有的大量氢氧根结合在碳量子点表面, 从而改变碳量子点的表面状态, 形成新的稳定的发光中心。最后, 通过细胞毒性实验及细胞成像分析表明, 所获得的碳量子点具有低细胞毒性, 并可作为荧光探针应用于细胞成像, 显示其在生物成像领域的潜在应用价值。     

野皂荚多糖修饰羟基磷灰石材料的制备及载药性能研究

靶向载药材料是实现靶向治疗癌症的有效途径之一,新型靶向载药材料的制备和性能提高具有重要研究价值。以四水合硝酸钙、磷酸二氢铵为原料,野皂荚多糖为修饰剂,采用乙醇-水混合溶剂热法,制备得到羟基磷灰石(HAP)材料。用红外(IR)、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对材料进行结构形貌表征,采用四唑盐(MTT)比色法评价材料细胞毒性,并进行体外载抗癌药物盐酸阿霉素(DOX)性能研究。IR和XRD表征均表明野皂荚多糖修饰剂将多糖有机官能团引入到HAP材料中,野皂荚多糖的结晶成核作用使材料有自组装为棒状花球趋势,所得HAP材料结晶度高,HAP材料对hela细胞基本无毒且对DOX的载药量可高达142.37μg/mg;且所得材料对DOX具有pH响应释放性能,在pH值为7.4和5.0的体外环境下,释放差异15%左右,表明野皂荚多糖修饰的HAP材料具有一定靶向载药的潜在应用价值。     

主动靶向5-氟尿嘧啶聚乳酸微球的研究

通过对5-u聚乳酸载药微球接PEI进行表面胺解、接枝靶向基团Folate以及荧光物质FITC，制备了靶向5-u聚乳酸微球，并研究了微球的缓释性能、荧光效应和主动靶向性．结果表明，靶向5-u聚乳酸微球具有良好的缓释性能，缓释时间可达到105h；未改性的载药微球对Hela细胞的抑制作用有限，无主动靶向性：改性的载药微球具有明显的荧光效应和良好的主动靶向性．     

Development of biocompatible fluorescent gelatin nanocarriers for cell imaging and anticancer drug targeting

In recent years, fluorescent carbon dots (CDs) have attracted a great deal of attention in imaging and related biomedical applications due to their excellent photoluminescence properties, low cost, high quantum yield and low cytotoxicity in comparison with semiconductor quantum dots based on metallic elements. In this paper, a new and simple design for development of CDs/gelatin nanoparticles (CDs/GNPs) is described which used as a novel methotrexate (MTX) nanocarrier and MCF-7 cell imaging. The obtained fluorescent nanocarriers were characterized using FTIR, SEM, XRD, DLS, PL, TGA, and zeta-potential analysis. Afterward, the performance of developed NPs was investigated through different in vitro tests such as MTT assay, fluorescence microscopy, and flow cytometry analyses. MTX was successfully loaded into the fluorescent NPs at physiological pH (7.4) by ionic interactions between anionic carboxylate groups of MTX and cationic amino groups on the surface of NPs. MTX releasing ability of the obtained nanocarrier was illustrated through the comparison of in vitro drug release at both simulated tumor tissue and physiological environment. The MTT assay revealed that the MTX-loaded nanocarriers have higher cytotoxicity in MCF-7 breast cancer cells than nanocarriers without MTX. Upon the obtained results, our fluorescent nanocarriers hold great potential as drug delivery carriers for the targeted MTX delivery to the cancer cells and biological fluorescent labeling.     

One-pot synthesis of hydrophilic and hydrophobic fluorescent carbon dots using deep eutectic solvents as designer reaction media

Carbon dots are often synthesized in the presence of a carbon source and passivating agents in which they are crucial for an enhanced fluorescence. The solvent choice and/or combination to be used in the synthesis of these nanoparticles can influence their surface chemical composition, morphology, and fluorescence properties. In this study, highly fluorescent carbon dots were synthesized using deep eutectic solvents of different compositions as green solvent media and doping agent. Resulting carbon dots were then separated by their hydrophilicity/hydrophobicity using a three-phase solvent system (water/acetone/chloroform) and compared with traditional centrifugation-based separation method. Carbon dots with a size below 20 nm and quantum yield reaching 50% were obtained. Many properties of them including surface functional groups, optical, fluorescence, and electric properties were shown to be determined by the deep eutectic solvent composition.     

木质素碳量子点在防伪包装中的应用研究

目的 探索木质素碳量子点(CQDs)荧光油墨及其书写式标签、CQDs/聚乙烯醇(PVA)复合荧光薄膜在防伪包装中的应用潜力。方法 以木质素为碳源,采用一锅水热法得到未掺杂碳量子点O-CQDs和硫掺杂碳量子点S-CQDs,并以此为荧光填料,以乙醇、乙二醇和丙三醇的混合液为溶剂,制备荧光油墨及其书写式荧光标签和CQDs/PVA复合荧光薄膜,探索其荧光防伪性能。结果 硫掺杂木质素碳量子点油墨MS-CQDs及其书写标签、PVA复合薄膜在可见光下均无色,在365 nm紫外光照下则呈现强烈的淡蓝色荧光。结论 MS-CQDs书写式称量纸荧光标签及其与PVA的复合薄膜均具有良好的荧光性能,在荧光防伪领域具有良好的应用潜力。     

Photoluminescence of carbon dots and their applications in Hela cell imaging and Fe<Superscript>3+</Superscript> ion detection

Carbon dots are a new and important form of zero-dimensional carbonaceous nanomaterials. In our present work, disperse water-soluble fluorescent carbon dots were prepared using coffee grounds as raw material by hydrothermal treatment. The as-prepared carbon dots exhibit an excitation-dependent and high photostable photoluminescence behavior which can be applied to Hela cell imaging. Notably, the fluorescence of the carbon dots can be quenched by Fe³⁺ ions, which can serve as a useful fluorescent probe for detecting Fe³⁺ ions.     

Intracellular delivery of quantum dots tagged antisense oligodeoxynucleotides by functionalized multiwalled carbon nanotubes

With the goal of identifying an improved delivery scheme for intracellular tracking and anticancer therapy, we explored a novel double functionalization of a carbon nanotube delivery system containing antisense oligodeoxynucleotides (ASODNs) as a therapeutic gene and CdTe quantum dots as fluorescent labeling probes via electrostatically layer-by-layer assembling. This is the first time that we used mercaptoacetic acid-capped CdTe quantum dots as fluorescent labeling probes for clearly tracking the intracellular transport and evaluating delivery efficiency of ASODNs by functionalized multiwalled carbon nanotubes (MWNTs).     

碳纳米管药物载体的研究进展

综述了近几年碳纳米管作为药物载体的研究进展,尤其是功能化后的碳纳米管,如将其与磁性粒子或者量子点相结合后,则具有特殊的识别功能,可实现靶向性给药和荧光示踪,因而作为一种新型的药物载体成为生物医学领域的研究热点之一,指出随着碳纳米管在药物载体领域研究的日趋深入,碳纳米管的修饰及其多功能性将是以后研究的重点,拓展了其在生物医学领域的应用。     

三色碳点荧光防伪油墨的制备与性能研究

目的 通过优化碳点合成方法和油墨配方,制备一种具有优良防伪效果和印刷适性的环保丝网印刷油墨。方法 以邻苯二胺为碳源,水或乙醇为溶剂,采用溶剂(水)热法制备红色和黄色碳点。以柠檬酸钠和碳酸氢铵为碳源和氮源制备蓝色碳点,并对三色碳点的结构组成和光学性质进行表征和分析。以三色碳点作为荧光颜料,选择乙醇或水作为溶剂,水性环氧树脂或聚丙烯酸树脂作为连接料,通过实验获得最佳配比,制备三色荧光防伪油墨。结果 三色碳点均具有较为均匀的尺寸,在365 nm紫外光激发下分别发射725 nm的红色荧光、450 nm的蓝色荧光和570 nm的黄色荧光,且rCDs、bCDs和yCDs的荧光量子产率分别为56.63%、64.37%和78.26%。通过对pH、细度、黏度等性能测试,该荧光防伪油墨各项印刷适性指标良好。结论 通过优化碳点合成方法可控调节荧光发射光谱,制备出具有较宽的紫外吸收带、较窄的发射光谱带、荧光量子产率高的三色碳点。以此碳点作为荧光颜料可以制备出印刷适性良好的水性油墨,满足荧光防伪印刷的要求。     

雪莲果皮衍生多模式碳量子点的制备及其防伪应用

以生物质废弃物雪莲果皮为碳源,乙二胺为氮源,采用一步水热法制备蓝色荧光氮掺杂碳量子点(N-CQDs),并探索其在防伪中的应用。实验结果表明：N-CQDs为球形形貌,平均粒径约为1.88 nm;N-CQDs具有类石墨烯结构,表面富含氨基、羧基等官能团;N-CQDs的荧光对Fe³⁺及pH值具有响应性。以PAA为基质,将N-CQDs制备成丝网油墨,印制的图案在自然光下隐形,在紫外光下显示出蓝色荧光图案,移除紫外光后,呈现绿色磷光图案。此外,在图案上喷涂Fe³⁺溶液或碱液,其荧光被明显淬灭。基于响应性荧光碳量子点的防伪图案可实现静态、动态两种模式的信息存储,信息安全性与防伪等级更高。     

Synthesis and modulation of the optical properties of carbon quantum dots using microwave radiation

Abstract

Carbon quantum dots have exhibited highly fluorescent characteristics as nanomaterials. Soluble in water and easily synthesized by multiple simple techniques, there are immense fabrication possibilities by permuting their properties via changing precursors, synthesis route, reaction parameters, etc. As economic and environment-friendly seed material, they are being viewed as an alternative to conventional fluorescent materials in myriad of applications including displays, cancer detection, drug delivery carriers in biomedicine, absorbing material in photovoltaics, etc. In this work, the hydrophilic carbon quantum dots were synthesized from the aqueous solution of citric acid and urea through microwave radiation for varying heat durations. The method is facile, faster and friendly to the environment without any need for high temperature and complicated chemical techniques. It was observed that the bandgap of the fabricated carbon quantum dots and its optical properties namely absorbance, photoluminescence enhanced with an increase in exposure of samples to heat up to an optimum limit, owing to the increase in density of states. However, further exposure to heat for longer duration degraded the absorbance and bandgap while photoluminescence gets saturated. Stokes’ shift revealed that all the synthesized carbon quantum dots possess stable emission. This was reconfirmed from consistent emission peak positions under varying excitation in the samples. The absorbance and PL spectrum exhibited by the synthesized dots makes it a suitable material for boosting the performance of organic solar cell.