基于未修饰金属富勒烯的新型MRI造影剂制备及X射线近边吸收谱研究

Gadofullerenes have been considered to be the new class of MRI contrast agents due to their high proton relaxivity and isolation of the metal from the biological environment. However, previously reported gadofullerene contrast agents have all been water-solubilized by covalently attaching groups to the fullerene carbon surface, which breaks the perfect carbon cage structure，affects the molecular stability of gadofullerene and limit the relaxivity.. This proposal plans to water-solubilization of gadofullerene by non-covalent modification with amphiphilic graphene oxide (GO) instead of traditional covalent method as new structure MRI contrast agents with high relaxivity and low toxicity. To explore the effects of hydrophilic groups and electronic structure of GO on the relaxivity of prepared novel carbon nanohybrids. The XANES spectroscopy is applied to investigate the interaction and charge transfer between gadofullerene and GO in the carbon nanohybrids. Combining with conventional characterization methods, a new relaxiation mechanism is proposed for the new structure MRI contrast agents based on the unmodified metallofullerene.. This proposal provides a novel approach for developing new highly efficient MRI agents with low cytotoxicity and further promotes the application of metallofullerene in biomedical fields.

钆金属富勒烯由于其高的质子弛豫率和隔离金属离子的特性，已成为新一代磁共振成像（MRI）造影剂研究的热点。水溶化是其应用的前提，且弛豫率与碳笼表面直接键连的基团有关。但是，共价修饰破坏了碳笼完美的结构，影响了碳笼的稳定性，且限制了金属富勒烯的弛豫率。. 本项目改变了传统的用共价修饰将金属富勒烯水溶化的方法，探讨利用两亲性的石墨烯氧化物（GO），通过非共价修饰将金属富勒烯水溶化，合成新型高效低毒MRI造影剂。探讨GO表面的亲水性基团和电子结构对合成产物弛豫率的影响。利用同步辐射的X射线近边吸收谱(XANES)研究GO与金属富勒烯之间的相互作用和电荷转移，并结合常规表征手段和弛豫性质的研究，探讨合成的基于未修饰金属富勒烯的新结构MRI造影剂(GO-GdxAy@C2n)的弛豫机理。. 本项目可以为发展新型高效、低毒的MRI造影剂打开新的思路，进一步推动金属富勒烯在生物医药领域的应用。

钆金属富勒烯由于其高的质子弛豫率和隔离金属离子的特性，已成为新一代磁共振成像（MRI）造影剂研究的热点。水溶化是其应用的前提，且弛豫率与碳笼表面直接键连的基团有关。但是，共价修饰破坏了碳笼完美的结构，影响了碳笼的稳定性，且限制了金属富勒烯的弛豫率大小。.本项目改变了传统的用共价修饰将金属富勒烯水溶化的方法，利用两亲性的石墨烯氧化物（GO），通过非共价修饰将金属富勒烯水溶化，合成了一种新型高效低毒MRI造影剂。研究了GO-Gd@C82碳纳米杂化材料弛豫率的影响因素。发现弛豫率的来源仍然是Gd3+上未配对的电子；GO的导电性和表面基团协同作用影响了弛豫率大小，H质子交换基团数目达到一定量后，GO导电性越好，弛豫率越高；GO纳米片和Gd之间的电子传递对弛豫率影响较大，电子转移效率越高，弛豫率越高。.为研究碳纳米杂化材料的弛豫率影响因素，发展了一种新的微波刻蚀方法合成多孔GO，调控GO表面的电子结构和表面官能团。在GO表面负载磁性纳米粒子，利用其可以吸收微波转变为热的特性，原位将GO的部分碳原子烧蚀，合成多孔GO。利用纳米孔在GO表面制备悬健，通过控制纳米孔的大小和密度调控悬健的数目，利用ESR进行定量。由于悬健是单电子，而单电子是影响材料弛豫和磁性的关键因素，因此可以通过调控GO表面纳米孔来调控GO的弛豫性和磁性。为进一步调控GO的结构和性质，我们利用溶液方法一步实现了GO的开孔和氮掺杂，合成了具有不同N掺杂比例，吡咯和、吡啶和石墨形式掺杂的氮掺杂多孔GO，并对其结构进行了表征。.利用同步辐射的X射线近边吸收谱(XANES)研究发现GO与金属富勒烯之间存在较强的界面相互作用和电荷转移，结合常规表征手段和其弛豫性质的研究，碳纳米杂化材料其弛豫机制与钆螯合物和金属富勒烯衍生物不同，是一种新的“二次自旋电子传递”弛豫机理。.本项目可以为发展新型高效、低毒的MRI造影剂打开新的思路，进一步推动金属富勒烯在生物医药领域的应用。