手性单壁碳纳米管的近红外区域光热及光动力学效应研究

Due to have a strong absorption in near-infrared region which harmless to human body, single-walled carbon nanotubes have the photothermal effect of rapidly changing light energy to thermal energy，and the thermal effects can damage and collapse cancer cells which more sensitivite to the heat stimulation, therefore, its show a good application prospect in laser photothermal therapy. It is especially remarkable that the latest research shows semiconducting single-walled carbon nanotubes reveal photodynamic effect of high efficiency generation of reactive oxygen species which can kill cancer cells in the near-infrared laser irradiation, while metallic single-walled carbon nanotubes do not reveal this characteristic. However, the causes and mechanism of the differences between both is yet unknown. This project will make use of high-purity chiral single-walled carbon nanotubes which separated by gel chromatography, focusing on the theme of near-infrared region photothermal and photodynamic effect of chiral single-walled carbon nanotubes, to explore cancer cells killing and destruction mechanism of different chiral single-walled carbon nanotubes in the near-infrared irradiation; to study the affect of the laser characterizations, physical chemistry properties of carbon nanotubes and protein dispersant to near-infrared region photothermal and photodynamic effect, to lay the foundation for developing efficient, safe, enhanced near-infrared laser of chiral single-walled carbon nanotubes, thus to afford new strategie and new method of laser cancer therapy.

由于对人体无害近红外区域激光的强吸收效应，碳纳米管具有将光能量迅速转变为热能的光热效应，所产生热效应可导致对热刺激敏感的肿瘤细胞的损伤与崩溃，因此,在激光热疗肿瘤领域展现出良好的应用前景。尤其引人瞩目的是，最新研究表明，半导体性单壁碳纳米管在近红外激光照射下具有高效率生成能够杀伤肿瘤细胞的活性态氧自由基的光动力学效应，而金属性单壁碳纳米管则不具备此种特性，但两者发生差异之原因及机理还不清楚。本项目拟利用通过凝胶柱色谱法分离的高纯度、单一手性单壁碳纳米管，紧密围绕手性单壁碳纳米管的近红外区域光热及光动力学效应这一主题，重点探究不同手性单壁碳纳米管在近红外激光照射下的肿瘤细胞杀伤作用及杀伤机理，研究激光特性、碳纳米管物化性能以及蛋白质分散剂对单壁碳纳米管近红外区域光热及光动力学效应的影响，为开发高效、安全的单一手性单壁碳纳米管近红外激光增强材料奠定基础，进而提供激光肿瘤治疗的新策略及新方法。

近年来，肿瘤的发病率和死亡率呈逐渐上升趋势，这对人类健康的影响日益严重，而在肿瘤治疗领域中，光热治疗相比于传统的治疗方法更具有优势。由于单壁碳纳米管（SWCNTs）具有较高的光热升温效率和荧光特性，使得其在光热肿瘤治疗方面得到广泛研究。另一方面，手性药物因结构单一不仅可以减少使用剂量以降低人体的代谢负担，而且可以排除无效杂质引起的毒副作用，一直是研究的热点。但是对于手性SWCNTs作为药物材料鲜有研究，主要是因为直接合成制备得到的SWCNTs都是不同手性管的混合物，限制了这种研究的进程。. 针对SWCNTs手性分离所存在的这些问题，本项目紧密围绕单一手性SWCNTs的分离与光热应用这一主题，主要开发了几种分离手性SWCNTs的分离方法，包括生体无害的多肽为分散剂的分离方法，利用过载柱色谱的分离方法，以及基于共轭聚合物和有机小分子为分散剂的分离方法等。尤其在基于高分子聚合物的分离过程中，通过对共轭聚合物和小分子的结构设计，在SWCNTs的分离和纯化方面取得了一系列突破性的进展。基于共轭结构对于SWCNTs手性选择的认识，通过对多种聚合物的选择筛选，获得三种单一手性的SWCNTs，并进行了单壁碳纳米管表面分散剂的去除及可溶性调制。通过项目实施，我们在水溶液体系和有机溶剂体系中利用表面活性剂和共轭聚合物分散剂分离出了不同种类手性SWCNTs，并探索其分离原理及分离机制的基础上，优化分离条件，提高分离纯度，同时系统性地开展了手性SWCNTs的光热效应研究，为手性SWCNTs在生物理疗方面的应用打下了坚实的基础。. 通过4年的研究，本项目基本达到原有计划目标，在国际期刊上发表5篇论文、国内核心期刊上发表2篇论文，其中SCI收录论文5篇，EI收录论文5篇；申请5项中国发明专利。项目负责人获得了2014年度江苏省科学技术奖三等奖。本项目的研究基础上，项目团队已获得新的国家自然基金面上项目，着重研究分离手性单壁碳纳米管在光电器件领域的应用。