近红外光主导的诊疗型上转换-介孔硅非对称纳米复合材料的构建

Aiming at the subsistent problems faced by the geometry symmetrical carriers in the multidrug delivery and combined therapy, here, we proposed a multifunctional dual-compartment Janus asymmetric nanocomposite. The nanocomposite can be divided into three parts: the core@multishell structured tri-orthogonal excitations–emissions up/downconversion nanoparticle (D/UCNP); the hollow structured mesoporous SiO2 coating on the surface of D/UCNP; the closely connected cubic mesostructured periodic mesoporous organosilane nanocube synthesized by the novel anisotropic growth of mesoporous. According to the well designing on the energy level and core@multishell structure, the D/UCNP can exhibit unique three independent groups of upconversion luminescence: Tm3+ prominent UV/blue (UV = ultraviolet) upconversion luminescence under the excitation at 980 nm , Er3+ prominent green/red upconversion luminescence under the excitation at 800 nm, and the near-infrared downconversion luminescence under the excitation at 730 nm. Moreover, the Janus nanocomposites possess the unique dual independent mesopores and hydrophobicity/hydrophilicity for loading of multiple guests. Advantaged by the unique asymmetric dual-mesoporous Janus nanostructure and the tri-orthogonal excitations–emissions up/downconversion optical property, the nanocomposite can be further applied into nanobiomedicine for bimodal-NIR light triggered dual-drugs controllable release. On the other hand, the near-infrared downconversion luminescence can be used for the monitoring of the delivery and controllable releasing of the drugs.

针对多客体在对称结构载体中共负载时面临的问题，该项目设计了一种多功能诊疗型上转换-介孔硅非对称纳米复合材料。该复合材料具有非对称Janus结构，由三部分组成：具有三正交荧光性质上/下转换纳米晶（D/UCNP）；包裹在D/UCNP外的中空介孔硅；通过介孔各向异性生长得到的非对称介孔有机硅。通过对稀土能级与核壳结构的设计，D/UCNP在980、800、730nm三种近红外光激发下产生三组相互独立的正交荧光（980nm激发的上转换紫外光/蓝光；800nm激发的上转换绿色荧光；730nm激发的近红外下转换荧光）。然后，在非对称结构两端分别进行不同药物负载。通过开关分子的设计，结合D/UCNP正交荧光特性实现对两种药物的独立可控释放，同时近红外下转换荧光可以用于检测药物在体内的输运情况，作为示踪物质以实现药物的可控、定点释放。该非对称纳米复合材料是集复合治疗、近红外成像于一身的多功能诊疗型复合材料。

本项目围绕癌症的多模式复合治疗（Combined Therapy）和成像指导下的治疗（Imaging-guided therapy）开展相关研究工作。将正交型稀土基近红外荧光纳米晶和非对称结构介孔药物载体结合，通过多层核壳结构稀土基近红外荧光纳米晶的结构设计，实现正交荧光性质，同步实现对药物载体的追踪和光控释药/治疗功能的发挥，即成像指导的治疗。通过非对称结构的设计合成，实现多种药物的共负载或者多种治疗模式的高效复合，提高治疗效果。通过该项目实施，针对不同应用需求，发展了多种正交型近红外荧光纳米晶，包括双/三正交上/下转换近红外荧光纳米晶、近红外“可充电”正交型长余辉材料、单激发多发射近红外荧光纳米晶等。针对不同药物负载需求和多药物/多模式联合治疗，发展了系列合成策略用于构筑新型非对称结构药物载体，包括降解-重组策略诱导非对称结构、选择性包裹策略、表面动力学调控非对称成核位点、表面缠绕组装等，基于这些策略发展了两嵌段和三嵌段非对称结构、车头-车厢非对称结构、多足状非对称结构、缠绕/折叠非对称结构等，为药物负载和多模式复合治疗提供了丰富的工具箱。通过将所开发的新型正交荧光纳米晶和非对称结构药物载体相结合，开发了一系列新型“诊疗一体化”平台。通过近红外荧光能够同步实现药物载体的示踪、光控释放、光学治疗、光学调控纳米载体理化性质转变等功能的发挥，而且这些功能的发挥是完全独立，互不干扰的。另外，我们发现所开发的新型非对称复合纳米药物载体在血液循环、细胞富集、生物膜粘附与穿透等方面展现出独特的生物学行为，为将来新型药物的开发提供研究基础和借鉴意义。该项目在稀土基近红外荧光纳米材料和非对称结构介孔复合材料的可控合成、多模式复合治疗和成像指导下的治疗方面取得了一系列研究成果，发表学术论文包括J. Am. Chem. Soc. 2篇、Angew. Chem. Int. Ed. 2篇、Nat. Commun. 1篇、Chem 1篇、Chem. Sci. 1篇、Chem. Mater. 1篇、Biomaterials1篇等，共计13篇。项目负责人在项目执行期间获教育部青年长江学者、上海市青年科技启明星、上海市青年拔尖人才等。19年获中美纳米医药与纳米技术学会Rising Star Award，18年入选英国皇家化学会材料化学杂志Emerging Investigators。