碳纳米材料基于光响应及自身光热效应的可控药物释放方面的研究

In current studies on drug delivery, it is of great importance to achieve the release of drugs at both a controlled rate and a controlled location. Previous researches were mainly based on the differences between normal and diseased tissues, including different tissue temperature, different pH value, etc. However, these differences are usually quite small. And some diseased tissues mimic the micro-environments of normal tissues. These result in that the drug release rate cannot be enhanced remarkably in diseased areas. In addition, due to the lack of an effective closing valve, there is still a drug leakage problem for currently widely-used polymeric drug delivery systems. Herein, we propose to anchor some smart molecules at the edge of the nano-sized holes in nano-carbon materials, i.e. carbon nanotubes and carbon nanohorns. The smart molecules to be used are those photo-sensitive molecules, such as coumarin derivatives, which undergo reversible dimerization under light irradiation. These molecules function as nano-valves of the holes in nano-carbon materials. Before reaching the diseased area, the nano-valves are closed and the drugs are well protected inside nano-carbon materials. Upon arrival, the nano-valves open under the stimuli of the light irradiation and the high temperature caused by the photo-thermal effect of nano-carbon materials. This proposal takes advantage of the unique properties of some smart molecules and nano-carbon materials to construct a controllable drug delivery system which exhibits sensitive responses to external stimuli. We believe that this work will be inspiring and helpful for the studies of drug delivery.

药物的可控释放是当今药物载体研究领域非常重要的一个方面。当前研究主要利用病变组织有别于正常组织的微环境来实现药物在病变组织的快速释放。但是，由于正常组织与病变组织的差别通常并不大，导致药物载体在病变组织处的药物释放增强效果并不明显；另一方面，由于缺乏良好的控制药物释放的开关功能，许多药物载体在到达病变组织之前也会释放出一定量的药物引起毒副作用。 本申请提出在碳纳米管或碳纳米角上的纳米小孔处修饰上在光照下发生可逆二聚反应的分子作为控制药物释放的类似"双开门"的纳米开关。在到达病变组织之前，封闭的纳米小孔防止药物分子的泄漏；而到达病变组织之后，在外界光照以及光照下碳纳米材料自身发热的协同效应下，二聚体分解，开关分子打开，引起药物迅速释放。本申请通过结合开关分子和碳纳米材料载体的优异性能，获得对外界刺激具有良好开关响应的可控药物释放体系；有望为药物的可控释放研究提供新的思路和一些有意义的结果。

碳纳米材料（碳纳米管、碳纳米角等）具有独特的结构、优异的性能以及良好的生物兼容性，因此关于碳纳米材料的生物效应和可能应用有着广泛的研究和报道。利用碳纳米材料输运药物分子以及可控释放的研究是其中的重要组成部分；其中，利用碳纳米材料作为功能化探针，在单细胞水平上进行定点输送以及可控释放的研究对于探索相关的纳米生物效应机制以及在单细胞水平上的分析、诊疗等方面同样具有十分重要的意义。.在本项目的资助下，我们开展了不同碳纳米材料（碳纳米管和碳纳米锥）的制备和修饰，相应功能化探针的组装以及可控释放的工作。首先我们基于碳纳米管竖直阵列，利用导电原子力显微镜（AFM）系统，发展了一种原位提取单根碳纳米管的方法。利用这种方法获得的碳纳米管功能化探针具有合适的针尖长度和匹配角度，在高分辨率成像、复杂形貌样品分析方面具有独特的优势。该制备方法简单可控，得到的碳纳米管功能化探针牢固耐用并且很容易在碳纳米管表面引入纳米颗粒（如金纳米颗粒），为在生物复杂体系的应用方面（定点输送、检测等）提供了有力的工具和基础。.另外，针对碳纳米管内部空间有限的问题，我们开发了碳纳米锥用以制备功能化探针。碳纳米锥是具有锥状结构的多层石墨结构，其特殊的结构使其成为理想的功能化纳米探针材料；同时，内部的锥状空间十分适合用来存储并输运纳米材料和药物分子。我们进一步发展了一种在碳纳米锥尖端可控开口的方法，通过优化氧化过程和条件，在碳纳米锥的尖端获得一定大小纳米孔；并证实了利用该纳米孔能实现对内部装载的小分子的可控释放。.总而言之，在研究过程中，我们发现虽然香豆素二聚体在光照下能发生可逆开-关，但碳纳米材料的光热效应对于打开香豆素二聚体效果不明显；同时，因为紫外光在生物体内穿透范围有限，因此限制了该体系在生物体内的实际应用。据此，我们在研究后期将研究目标由构建生物体内可控释放体系微调为利用碳纳米材料功能化探针实现单细胞水平上的可控释放；成功得开发了两种碳纳米材料功能化探针，并证实了碳纳米材料良好的生物相容性和应用潜能，为进一步开展碳纳米材料功能化探针在生物领域的应用（尤其是单细胞/生物分子的表征、检测和调控等）提供了有力的工具和良好的工作基础