基于协同效应的金-金属硫化物杂化纳米材料的构建及光热转换性能研究

The synthesis of nanomaterial with good photothermal conversion property and fine biocompatibility is research focus for nanomaterials and biomedical applications. This project aims at spherical and rod gold nanocrystal with photothermal conversion property, against their low light absorption efficiency and poor thermal stability in photothermal conversion process. The metal sulfide with photothermal conversion property is introduced on the surface of gold nanocrystals by simple hydrothermal synthesis method and core-shell nanostructure is formed, and the gold-metal sulfide nanocompounds with high photothermal conversion efficiency and good thermal stability are obtained. Changing the component and structure of shell materials, we will discuss the interrelation of component, structure and photothermal conversion property in the nanocompound and explain the effect mechanism of the synergistic effect between gold-core and metal sulfide-shell on optical absorption of material. We performed biological surfactant coating so as to improve the biocompatibility of the hybrid nanomaterials and further investigate cell toxicity, cell uptake and photothermal capability of modified nanomaterials. Final, the nanomaterials with good photothermal conversion property and fine biocompatibility are obtained. Research results are very important for understanding of the preparation mode for gold-base hybrid nanomaterials and the effect mechanism of the interaction between materials on their property, as well as for providing the experimental basis and theoretical direction for controllable synthesis, performance improvement and biomedical applications of photothermal nanomaterials.

具有优异光热转换性能和生物相容性的纳米材料的构建是纳米和生物医学领域研究的热点。本项目以具有光热转换性能的球形和棒形金纳米晶为研究对象，针对其在光热转换过程中存在的光吸收效率低和稳定性差的问题，采用简单有效的水热合成法，在金纳米晶表面引入具有光热转换性能的金属硫化物形成核壳材料，以期获得具有高的光热转换效率和高稳定性的杂化纳米材料。通过改变壳层成分及结构，研究材料组成-材料结构-光热性能三者间的相互关系，阐明核心金属与壳层物质之间的协同效应对材料光吸收等性质的影响机制。通过生物性表面活性剂的引入，对杂化纳米材料进行生物改性，研究改性后材料的细胞毒性、细胞摄取和热疗性能，最终，获得光热转换性能优异、生物相容性良好的纳米材料。研究成果对认识和理解金基杂化纳米材料的制备规律及物质相互作用对材料性能的影响规律具有重要意义，为光热纳米材料的可控制备、性能改善和生物医学应用提供实验基础和理论指导。

纳米材料由于其独特的光热转换性质，成为新型和有效的治疗肿瘤的光热治疗材料。与单组份纳米结构相比，多组分异质结构由于不同成分之间的协同效应能够表现出一些优秀的性质或新的功能。其中，金-硫化铜纳米材料由于其协同增强的光热转换性质而被广泛研究，然而如何简单、可控地制备出金-硫化铜纳米材料却具有很大的挑战。本项目以具有光热转换性能的球形和棒形金纳米晶为研究对象，针对其在光热转换过程中存在的光吸收效率低和稳定性差的问题，采用简单有效的水热合成法，在金纳米晶表面引入具有光热转换性能的金属硫化物形成异质结构，以期获得具有高的光热转换效率和高稳定性的杂化纳米材料。在本项目研究中，我们通过一步水热方法合成出金纳米棒-硫化铜杂化纳米材料，通过采用不同长径比的金纳米棒，我们获得了核壳结构和哑铃结构的杂化纳米材料，最终实现了材料形貌的可控。合成的两种杂化纳米材料与金纳米棒相比，具有更高的光热转换效率和更好的热稳定性。更重要的，这些金-硫化铜纳米杂化材料作为光热治疗剂在808 nm激光的照射下，对体外肿瘤细胞具有明显的治疗作用。此外，在生物应用中，纳米材料的生物相容性是一个非常重要的条件。因此金纳米粒子的体内和体外毒性测试的完成就显得十分重要。我们以斑马鱼为模型动物，研究了不同形貌的金纳米粒子对斑马鱼的毒性。研究结果表明，在斑马鱼模型中，球形金纳米晶与棒形和多面体形相比，表现出了更高的毒性。这些结果指导我们去跟踪其他生物体对金纳米粒子毒性的响应，并且有利于发展对于一些纳米废料处理的方法。综上所述，通过本项目的研究，进一步提高了我们对金基杂化纳米材料生长机理的理解，改善了金属纳米材料的光热转换性能和稳定性，获得了核壳结构中不同成分的相互作用对材料性能的影响规律，顺利完成了预期的研究目标。相关研究结果已在国内外相关的学术刊物（如Small, RSC Adv.等）上发表4篇研究论文。