多功能硅基纳米材料的制备及其在生物医学中的应用

Silicon quantum dots (SiQDs) have attracted much attention because of their non-toxic characteristics in nature; however, their applications in biomedical areas have been very limited due to various problems in their preparation process and, especially surface functionalization. According to the fact that silicon-based materials absorb microwave energy strongly, for the first time this project proposes to utilize microwave promoted silylation of hydrogen-terminated silicon (Si-H) for the surface functionalization of SiQDs to prepare stable, highly fluorescent and non-toxic nanomaterials. This approach is facile, versatile, highly efficient and superior to other methods. In addition, this approach reduced the time that SiQDs exposed to environment atmosphere which may further lead to the increase of fluorescent quantum yield. To develop SiQDs for the application in biomedical areas, two routes for the preparation multiple functional SiQDs/Si nanomaterials have been designed. The first route is for the preparation of Janus SiQDs/porous Si nanomaterials through step-by-step surface modification. The second route aims to synthesize core/shell nanostructures of SiQDs@apoferritin composites with multiple surface functionalities. Finally, this project will further investigate the biomedical application of as-obtained SiQDs/nanomaterials, including cell imaging, tissue imaging, targeted delivery, bio-labeling and targeted medicine for cancer therapy etc.

本项目针对无毒副作用硅基量子点在诸如制备、尤其是表面功能化方面的缺陷导致的量子点在生命医学应用研究中面临的问题，依据硅基材料对微波有很强吸收的特点，首次提出利用微波辅助硅烷化技术制备荧光性能和稳定性好的硅量子点。一方面，这种方法简便易操作、反应效率高、适用范围广、可避免其他表面修饰方法的缺陷；另一方面，由于减少了实验步骤同时降低了量子点在修饰前与环境的接触时间，其性能也可以得到进一步提高。为进一步开拓硅量子点在生物医学中的应用，设计了2条制备表面多功能化的硅量子点/纳米材料的途径。其一为通过分步骤表面修饰，制备Janus型硅量子点和多孔硅纳米材料；其二为通过控制脱铁铁蛋白的自组装过程，制备表面多功能化的核壳型量子点@脱铁铁蛋白纳米复合材料。最后研究所制备的多功能硅量子点在细胞成像、组织成像、靶向输运、药物示踪以及靶向治疗等生物医学方面的应用。

本项目针对硅基量子点及多孔硅材料在诸如制备、尤其是表面功能化方面的缺陷导致的在生命医学中面临的问题，研究了多种合成硅量子点及其表面功能化的方法，研究了它们在生物医用领域的应用，包括细胞的荧光标记、载药性能、复合纳米材料的抑菌性能及在超灵敏传感中的应用。具体成果包括：制备了荧光量子效率高、性能稳定的红色荧光硅量子点并用于细胞标记，相比其他量子点其细胞毒性非常低；多孔纳米硅的载药性能良好，通过表面修饰可以用于不同熔解特性的药物输运；通过多孔硅材料与银纳米颗粒及磁性纳米粒子的复合，得到了抑菌性及稳定性都很好且能够磁导向的抗菌材料；在生物分子的超灵敏传感中，取得了很高的检测灵敏度和很低的检测限。.在研究硅量子点及多孔材料的基础上，我们将项目进一步拓展到第四主族元素锗量子点的研究上。发明了锗纳米晶的绿色合成方法，该方法采用二氧化锗作为锗源，用碱性溶液溶解后，无需惰性气体保护，在加热的条件下用硼氢化钠作为还原剂，获得无色透明的锗纳米晶溶液。通过X射线表面光电子能谱表征，表明大部分锗元素以单质状态存在。用此方法获得的锗纳米晶的量子产率高达26%，并表现出优异的光稳定性。并详细研究了其细胞毒性、及其应用。这种方法制备的锗纳米晶的荧光性质具有pH依赖性，在pH大于6的情况下荧光很强，但是pH小于6的情况下荧光会迅速淬灭，尤其当溶液pH值在5~6之间变化时，锗纳米晶的荧光强度变化会表现出指数变化趋势。溶酶体是一种酸性细胞器，其pH值大约在5左右。如果溶酶体的pH升高就会影响其内部多种酶的活性，进而影响细胞的功能。用Bafilomycin A1处理后的细胞与锗纳米晶共孵育后，锗纳米晶在细胞内的荧光强度会明显增强，表现出灵敏的溶酶体损伤指示特性。.以上这些成果对硅基材料的进一步应用和开发提供了重要的依据，并对未来的研究方向提供了思路。