基于ZnO发光量子点的复合生物探针与纳米给药系统

Photoluminescent quantum dots have received intensive attention in both basic researches of Inorganic Material Chemistry and practical applications of Biomedical Science. ZnO is a kind of safe, nontoxic and cheap material, but the photoluminescent properties of the conventional ZnO nanoparticles are not satisfying, especially in water, cell culture and animal blood. ZnO luminescent properties not only depend on the particle size and dispersion, but also rely on particle surface state and internal defect. The latter two aspects determine the routes of ZnO syntheses and modifications, and finally influence the processes of biological labeling and drug delivery of ZnO fluorescent probes. In the past years, the project applicant devoted himself to studying ZnO luminescent nanomaterials and achieved progress in this field. In the present project, the applicant plans to modify ZnO externally and dope ZnO internally, and then prepare stable fluorescent probes in vivo and in vitro for distinguishing cancer cells and deliver drugs to skin tumor of nude mice.

作为纳米科技一个引人注目的研究领域，发光量子点对无机材料化学基础研究和生物医学实际应用均有重要的意义。ZnO虽然安全无毒、价廉物美，但是通常方法制备的ZnO纳米材料发光性能都不够理想，特别是它在水溶液、细胞培养液和动物血液中的稳定性需要提高。ZnO的可见荧光不仅和它的粒径、分散性相关，更主要的是取决于纳米粒子的表面状态和内部缺陷，而这两个方面直接决定了ZnO生物荧光探针的合成制备与表面修饰的方法途径，最终影响到ZnO荧光探针穿透组织细胞、生物识别与标记、乃至药物释放的过程。最近几年，课题申请人潜心钻研ZnO纳米发光材料，已经取得了许多突破性的成果。本项目计划采用多种手段对ZnO量子点进行表面修饰和内部掺杂，制备在体外细胞环境与小动物体内稳定发光的分子探针，对常见的癌细胞进行体外识别，并且与纳米给药系统结合起来，尝试对裸鼠表皮肿瘤（皮肤癌）的诊断和治疗。

本项目原定研究计划在4年里全部得以开展，并取得了良好的成果。主要分为以下几个方面：.1、我们采用多种方法合成制备了ZnO发光量子点，研究了其量子产率与粒径、结晶度、掺杂元素、表面态等因素之间的关系，分析了这些因素增强荧光与猝灭荧光的原理，找到了调变发光波长的方法。ZnO量子点的能带结构决定其不能发射红色荧光，但是我们用两种不同的掺杂方式间接实现了红光发射；.2、我们用多种方法对ZnO量子点做表面修饰和功能化，形成有多层核壳结构、在水溶液中常年稳定的生物荧光探针。这类探针显示出较低的生物毒性，能够有效的区分癌细胞和正常细胞，分析亚细胞单元，甚至可以对裸鼠做活体成像；.3、ZnO量子点在负载阿霉素以后，能够高效地杀死癌细胞，我们利用激光共聚焦成像技术证明了ZnO在溶酶体弱酸性环境中分解并释放药物的过程。该纳米载药系统进一步修饰了钆离子后，可对小动物做活体荧光成像和磁共振造影，对小鼠肿瘤进行连续注射治疗取得良好的效果。最重要的是，我们通过组织切片分析、质谱分析、代谢产物分析等技术证明基于ZnO量子点构建的生物探针和纳米载药系统是非常安全的，在动物体内能够完全分解与代谢，这为ZnO量子点进一步的生物技术应用铺平道路。我们正在进行的研究，包括ZnO量子点运载毒性蛋白治疗肿瘤和ZnO量子点包覆异维A酸治疗痤疮都在动物实验中取得成功，并有望推向临床应用。.标注本项目的SCI论文已发表了20篇，其中包括Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，ACS Nano等国际一流学术刊物，有多篇论文被评为ESI高被引论文。项目负责人还应邀在国内外十几次会议上做了学术报告，申请了3项国内专利，培养了十几位研究生，促进了国内外的合作与交流。