超小空心结构硅酸锰纳米材料制备及其生物医学应用研究

Morphology control is considered as an efficient way to improve properties and functions of materials. Hollow structured nanomaterials showed promising potential in energy, catalysis and biomedical related researches, which have been attracting enormous interest in development of nanoscience and nanotechnology. Recently, Hollow and porous structured manganese silicate materials were developed by using silica nanoparticles (> 150 nm) as templates and reaction precursors. They were showed good properties for energy storage and bioimaging. In this research, small sized silica nanoparticles (< 50 nm) were used as the precursor, and the template effect will be reduced to produce ultra-small hollow structured manganese silicate. The hollow structure can improve the surface areas, reduce densities and provide a lot of opportunity to explore their new properties. Our aim is to provide uniform, well-dispersed, ultra-small hollow structured manganese silicate for the first time. Furthermore, MRI, drug loading and release properties will be investigated. It will helpful for us to further design efficient manganese silicate-based materials for clinical MRI applications.

形貌控制，特别是空心结构的制备被认为是使材料具有高性能化和多功能化的一种有效途径。空心结构纳米材料在储能、催化、生物医药等领域有着广泛的应用潜力，是目前纳米材料研究领域的热点之一。近期，人们利用二氧化硅粒子（> 150 nm）作为模板和前驱体，开发出新型空心或介空结构硅酸锰材料，并应用在能源、生物医学领域，显示出优良的性能。本项目以超小二氧化硅纳米粒子(< 50 nm)为反应前驱体，设计消除二氧化硅纳米粒子的模板效应，制备超小空心硅酸锰纳米材料的新路线。空心结构使硅酸锰材料的比表面积最大化、密度最小化、还会使材料具有功能化。对合成的硅酸锰材料进行一系列结构和谱学表征，深入探讨二氧化硅纳米粒子在硅酸锰合成反应中的作用与机理。在此基础上研究空心结构硅酸锰材料的造影和载药性能，拓展此类材料在生物医药研究领域的潜在应用价值，同时也可为生物造影领域的材料开发与研究起到推动作用。

无机纳米粒子作为对生物体无创的造影剂和治疗药物，是纳米医学科学领域的重要的研究对象。硅酸锰纳米粒子造影剂（CAs）在肿瘤微环境的弱酸性和高谷胱甘肽（GSH）条件下具有有效的T1加权磁共振成像（MRI）效果，这种性质引起了学者们极大的关注。本研究利用碱性缓冲溶液作为催化剂，以及调控反应温度精确地合成了7-30 nm不同尺寸的高度单分散的小二氧化硅纳米子。同时利用Stöber合成法，以小二氧化硅纳米粒子作为种子原位添加原硅酸四乙酯（TEOS）分别合成了中等尺寸(30-50 nm)及大尺寸(100 nm)的二氧化硅纳米粒子。我们使用小尺寸二氧化硅纳米粒子(~20 nm)作为硅源和模板，通过水热法制备了超小空心硅酸锰纳米粒子。为了提高生物相容性，空心硅酸锰纳米材料用聚乙二醇（PEG）改性。由于其在低pH值和高GSH水平下的超高纵向弛豫率（r1），超小空心硅酸锰纳米粒子在体外和体内均表现出出色的pH/GSH响应性T1加权MRI性能。同时，纳米粒子在体外和体内均显示出较高的细胞存活性。因此，超小空心硅酸锰纳米粒子有望在肿瘤微环境中用作T1-MRI CAs，并可用于协助临床癌症诊断。这种合成方法为超小空心纳米粒子合成的研究提供了基础研究数据，并有望推动纳米技术在治疗和活体成像领域的应用。