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稀土上转换纳米载体的构建及功能化修饰机制的研究进展

稀土化合物与应用2018-04-09 09:23:15

稀土元素掺杂的上转换纳米材料具有独特的光学性能,在近红外光等强组织穿透能力的光波激发下能够上转换出紫外光或可见光同时,UCNPs具有良好的表面特性,在纳米尺度上进行表面功能化改性的自由度大,可以通过表面修饰增强其生物靶向性组织相容性等性能其中,已经在生物成像生物传感光动力治疗和智能药物运输等领域展示了巨大的潜在应用价值本文具体针对近年来关于基于UCNPs纳米载体的构建,其表面修饰机制及其在不同领域的应用研究进行分析比较和总结;通过对不同UCNPs载体的制备方法作用机制和应用效果的介绍和总结,对这一领域的发展进行综合讨论和展望

1 稀土上转换纳米材料的基本性质

1.1 UCNPs的制备方法

  据报道,UCNPs的合成方法很多,主要包括沉淀法溶胶-凝胶法微乳法燃烧法水热(溶剂热)法和热裂解法等其中,水热(溶剂热)法和热裂解法是最常用的合成方法这两种方法合成的纳米晶具有尺寸可控形貌均一分散性好的优势,如图12所示。

                               

          图1 水热(溶剂热)法合成具有不同形貌的UCNPs

                               

            图2 热裂解法合成具有不同形貌的UCNPs


溶剂热法是采用高沸点有机溶剂(油酸/l-十八烯油酸/油胺等体系)做溶剂,无机稀土盐和氟化物为前驱体,通过调控反应物浓度稀土离子掺杂比例和反应温度等关键因素,在高温下生成晶化程度高的纳米晶这种方法可以控制合成不同形貌尺寸和上转换发光性质的纳米晶,如图1所示张勇团队曾利用溶剂热法合成β-NaYF4:Yb3+(18%)/Er2+(2%)上转换纳米晶,并在纳米晶表面包覆介孔SiO2,在介孔中负载光敏分子锌酞菁(ZnPc),合成新型光动力治疗药物,并在小鼠膀胱癌细胞(MB49)的体外杀伤实验中获得药物的初步治疗效果

典型的热裂解法首先是制备不同特性的三氟乙酸稀土盐,然后将其添加到高沸点有机溶剂(油酸/1-十八烯油酸/油胺纯油胺等体系)中,在N2保护下升温到250~340℃,使三氟乙酸稀土盐做裂解前驱体,经热分解生成稀土氟化物纳米晶另外也可先将高沸点有机溶剂升温到250~340℃,再注入三氟乙酸稀土盐溶液来热分解制备稀土氟化物纳米晶此方法可以调控反应参数实现对纳米晶的晶相尺寸和形貌的精确控制,如图2所示林君团队曾利用高温热裂解法合成BaGdF5:Yb3+/Er3+,并在颗粒的表面包裹掺杂不同比例的BaGdF5:x% Yb3+壳层,探索提高UCNPs上转换发光效率的方法

1.2 UCNPs的光学性质

在生物基础医学研究和临床实践中,利用有机荧光分子实现的光学生物成像技术已经得到应用但是这些荧光材料本身存在的许多缺点,包括斯托克位移发射光谱范围广光降解光漂白以及激发光穿透力弱等,限制了有机荧光分子的进一步应用正是由于这些限制,才促进了UCNPs的研究发展UCNPs可以吸收低能量生物分子几乎不吸收的近红外(NI)光子,以反斯托克位移的方式发射出高能量的光子另外,UCNPs还展示出独特的优势: 窄的荧光光谱范围较长的淬灭时间可调的荧光峰位置和高的光稳定性等这些独特优势促使UCNPs在生物成像生物医药和治疗等方面有着不可替代的作用

以掺杂了镧系镱元素(Yb3+)和铒元素(Er3+)NaYF4:Yb3+/Er3+为例,在980nm近红外光的激发下,纳米晶上转换发光的典型能级图,如图3(a)所示纳米晶中掺杂Er3+为激活剂,Yb3+为敏化剂,经过双光子吸收之后,它们之间通过连续能量转移和交叉弛豫等能量传递方式上转换发光3(a)中,Er3+Yb3+分别吸收980nm波长的光子,实现从基态到激发态的跃迁,Er3+:4I15/24I11/2;Yb3+:2F7/22F5/2此时,两种离子位于激发态,敏化剂Yb3+将能量传递给Er3+使其跃迁至更高能级4I11/24F7/24I13/24F9/2Yb3+本身则无辐射弛豫至能量更低的能级2F5/22F7/2最后处于激发态的Er3+通过荧光的方式释放能量回到基态2H11/2/4S3/24I15/2发射530550nm波长的绿色荧光,4F9/24I15/2发射660nm波长的红色荧光,如图3(b)所示UCNPs(NaYF4:Yb3+/Er3+)980nm波长的光激发下存在530550660nm三组荧光峰

                                            

           图3 稀土纳米晶NaYF4:Yb3+/Er3+的发光特性

(980nm近红外光的激发下UCNPs的能级分布图(a)和荧光光谱图(b) )

4 UCNPs在癌细胞中的荧光成像

NaYF4为基体,掺杂Yb3+/Er3+两种元素的UCNPs,有530550以及660nm 三组波长处的上转换荧光特征峰如图3所示,这些荧光峰的半峰宽较小,荧光发射范围比较集中,具有良好的单色发光性质,对负载其上的分子的能量转换效率高据许多文献报道,不同基体或者不同稀土元素掺杂的纳米晶类型有各自不同的上转换荧光特征峰,如表1所示正是因为UCNPs上转换荧光峰的多种多样和可调控的优势,UCNPs的应用价值才不断增加

1 不同类型的UCNPs 的上转换发光性质

            

2 UCNPs载体的构建

具有独特光学性质的UCNPs,可以通过不同形式的表面修饰,形成多功能纳米载体,应用于光动力治疗生物成像传感检测以及智能载药系统构建等多个领域

在光动力治疗领域,构建可以负载光敏分子的UCNPs载体,基于UCNPs可以被穿透能力强的近红外光激发的光学性质,研究开发强穿透力的新型生物光敏剂具体作用机制是光敏分子吸收UCNPs的上转换荧光而被激发,通过能量传递方式激发周围的氧分子产生高能量的单线态氧(1O2),单线态氧可以引起细胞氧化应激反应,诱导细胞凋亡,从而杀死靶点癌细胞,达到光动力治疗的效果(图5)

                                 

5 UCNPs参与的新型光敏剂在光动力治疗中对癌细胞的杀伤作用示意图

在智能载药系统构建领域,构建可以负载抗癌药物(如阿霉素DOX或紫杉醇等)的UCNPs载体,利用它的上转换荧光成像功能可以实现对药物载体的实时追踪此外,研究发现,UCNPs的某一荧光特征峰强度大小与特殊药物分子的负载量与释放量之间具有相应的线性关系因此,UCNPs载体还可以根据荧光成像中上转换荧光峰强度大小变化,实现对药物释放量的实时检测

UCNPs载体上负载特殊发光染料,染料吸收光谱与UCNPs发光光谱之间因为有重叠而产生能量转移作用,这种作用会因为被检测物质而发生变化,利用这种变化实现对传感检测的设计已报道的文献中,将UCNPs的发光性质应用于金属离子气体有毒物质氨基酸和蛋白质检测领域的研究最多,例如对Zn2+Hg2+Fe3+CO2O2H2S,苏丹红,酪氨酸,半胱氨酸和抗凝血因子检测的研究应用

由此可见,UCNPs载体的应用领域广泛,前景广阔UCNPs载体构建及其表面修饰机制的研究对于提升光动力治疗效果,提高抗肿瘤药物载药的可视化监测精度以及提升生物传感器的相应精度具有重要的理论意义和应用价值

2.1 UCNPs载体构建机制中的两大基本表面修饰

2.1.1 纳米晶表面的亲水性修饰

不同方法制备的UCNPs往往具有不同的表面特性,主要体现在表面可修饰基团的差异例如溶剂热法合成的UCNPs被油酸分子所保护,导致纳米晶的水溶性差,颗粒表面可修饰的化学基团少所以在构建UCNPs载体之前,必须根据颗粒表面可修饰程度和开发目标的需求进行优化设计若将UCNPs载体用于体内的药物输送,首先应当设法增强载体的亲水性,以适应有机体内的液体环境据报道,改善UCNPs表面亲疏水性的常用方法基本可以分为两类,如图6所示一类是在纳米晶表面包裹亲水性较好的SiO2层等硬壳层,既可以保护纳米晶的晶场,又可以增加UCNPs的亲水性另一类是在纳米晶的表面吸附或共价连接上两亲性高分子例如聚乙二醇(PEG)壳聚糖聚醚酰亚胺(PEI)和脂质体等除此之外,Han研究团队还尝试了将丙三醇应用于UCNPs的合成,制备表面羧基保护的纳米晶,从源头上解决UCNPs载体构建中疏水性及颗粒表面可修饰基团少的问题

                                        

            图6 UCNPs表面亲水性修饰的方法

2.1.2 用于体内的UCNPs载体的表面靶向性修饰

  除了改进UCNPs 的亲水性之外,纳米载体的靶向性同样也是体内研究所必备条件靶向分子的修饰可以实现UCNPs载体在体内靶向位置的定点聚集UCNPs载体用于体内药物输送,载体的靶向性可以极大地增加癌细胞对药物载体的摄入率,在减少对正常细胞伤害的同时增加对癌细胞的杀伤力此外研究发现,稀土纳米晶进入细胞的是需要受体介导且消耗能量的胞吞过程UCNPs载体用于活体成像,载体的靶向聚集可以提高靶向位置的荧光信号,并实现活体内定点成像因此,靶向性的修饰是UCNPs载体构建的必备条件据报道,这样的主动靶向物质在UCNPs载体的构建机制中,主要有生物功能性高分子透明质酸(HA)( HA对过量表达CD44蛋白的癌细胞有特异性识别)叶酸(FA)某些抗原(尿激酶纤维蛋白溶酶原激活因子的氨基端(ATF)) 另外,顺磁性的Fe3O4纳米晶也可以用作靶向的修饰物,如图7所示纳米晶Fe3O4吸附到UCNPs载体表面的介孔SiO2表面,利用外部磁铁吸引力可以实现载体在特定组织处聚集,赋予UCNPs纳米载体的靶向性功能

                              

7 UCNPs载体表面吸附靶向纳米晶Fe3O4示意图及在癌症诊疗中的应用示意图

2.2 UCNPs载体的具体设计及构建机制

UCNPs独特的光学性质已经受到越来越多学者的关注,如何设计构建合适的UCNPs载体用于更多领域,是扩大UCNPs 研究应用价值的关键到目前为止,有很多UCNPs载体的构建机制已经获得初步研究成果,下面根据UCNPs载体的空间结构及修饰层的位置来归类分析,将构建机制大体分为三种,如图8所示:(a) UCNPs实心载体,UCNPs为核修饰层在外;(b)UCNPs夹层载体,UCNPs为核,并与外壳之间形成夹层空心,修饰层在夹层及外表面;(c)UCNPs空心载体,UCNPs 为外壳,内部空心,修饰层包括其内部及外部两个空间以上三种方式构建的UCNPs载体可负载分子种类多,极大地拓展了UCNPs的研究应用范围

                          

         图8 UCNPs载体的构建机制

 2.2.1 UCNPs实心载体的构建与功能化修饰

UCNPs实心载体是以纳米晶为核心,在其表面进行各种功能化修饰UCNPs研究应用的探索中,这种构建机制的使用次数是最多的张勇研究组最早设计以UCNPs为核心,在表面包覆介孔SiO2构建可以负载光敏分子的纳米载体,用于光动力治疗,设计方案如图9所示UCNPs980nm的近红外光所激发而上转换发光,负载的光敏剂分子钛菁锌吸收上转换荧光而跃迁至激发态,被激发的光敏分子可以将能量传递给周围的氧分子而产生单线态氧(1O2)1O2可以引起细胞氧化应激反应,从而诱导细胞凋亡借助激发纳米晶的近红外光对组织穿透能力强的优势,UCNPs参与的新型光敏剂,可以使PDT治疗突破深层组织的应用限制,推动强穿透力新型光动力治疗药物的研究开发,拓展其治疗的适用范围另外此设计也巧妙的利用了介孔SiO2(mesoporoussilicamSiO2)的独特优势:表面有亲水基团高比表面积孔径可调以及良好的分散性等UCNPs载体的构建设计中除了可以包覆介孔SiO2的之外,在2.1部分提到的可以作为表面修饰的两亲性生物高分子都可以被用于UCNPs载体的构建,如图10所示,UCNPs表面包覆PEG,并在PEG分子间隙中负载光敏分子二氢卟吩(Ce6),之后在PEG末端再连接其他分子正如之前所说,UCNPs实心载体,以UCNPs为核心,在其表面进行修饰并向外延伸,获得多功能化的UCNPs载体

                       

9 UCNPs为核心,表面包覆介孔二氧化硅的UCNPs实心载体的构建机制及在PDT中的应用示意图

                             

10 UCNPs表面连接PEG并通过疏水相互作用吸附光敏分子二氢卟吩Ce6构建可以用于PDT UCNPs实心载体示意图

UCNPs实心载体,除了负载光敏分子用于PDT等的癌症诊疗领域之外,在有毒分子检测领域也崭露头角如图11所示,用于对Zn2+的检测的UCNPs实心载体构建机制首先在UCNPs表面吸附聚丙烯酸(PAA)改善表面的亲水性,然后UCNPs 实心载体表面连接Zn2+敏感的复合体1形成UCNPs复合物复合体1的吸收光谱与UCNPs的上转换荧光光谱之间存在重叠,两者之间可以产生能量转移,复合体1 会部分淬灭UCNPs的上转换荧光UCNPs复合物在检测Zn2+的过程中,Zn2+可以与复合体1 结合而使复合体1 的吸收峰产生偏移,削弱复合体1UCNPs之间因能量共振转移作用而存在的淬灭作用,上转换荧光强度就会增强利用UCNPs 的上转换荧光强度的变化来检测环境或有机体中Zn2+的浓度

                      

11 UCNPs实心载体表面包覆Zn2+敏感的发色团的构建过程及其对的响应效果示意图

UCNPs实心载体的表面修饰层的可调节性高,是最常用最方便的载体构建方式,但是修饰层增多会增加纳米晶的尺寸许多研究表明,纳米晶引起的生物效应有尺寸依从性,当纳米晶的大小超过一定限度就会影响其作为药物载体在体内的运输

2.2.2 UCNPs夹层载体的构建与功能化修饰

UCNPs夹层载体,是核壳结构的一种改良,在UCNPs核心与外壳之间增加一个中空夹层,如图7(b)所示据报道,构建UCNPs夹层载体,首先需要在UCNPs 表面包覆SiO2,然后有选择性的刻蚀部分SiO2层,最后形成如图7(b)所示的中空夹层结构常用的选择性刻蚀SiO2的方法主要有两种:一种是表面保护性刻蚀,如图12所示首先在SiO2纳米晶表面,包裹聚乙烯吡咯烷酮分子(PVP) 对表面羟基进行保护,然后用碱性溶液(NaOHNaBH4等)刻蚀未受到羟基保护的硅

                                      

12 表面保护蚀刻法合成中空SiO2纳米晶的示意图(a)及蚀刻前(b),后(c)颗粒的TEM图片

层内部,形成一个被保护的SiO2壳层这种方法用在UCNPs夹层载体的构建机制中,首先在UCNPs表面修饰SiO2,并利用PVP进行表面保护的刻蚀,就会形成UCNPs@ 夹层@SiO2的中空结构,完成UCNPs夹层载体的构建另一种是不同结构的选择性刻蚀,在UCNPs表面包裹两层结构不同的SiO2层,选择性的刻蚀内部硅层来制备夹层空间例如将掺有苯桥结构的有机二氧化硅层包裹UCNPs@SiO2表面,碱性溶液刻蚀中间的SiO2层从而获得夹层空间,如图13所示

                          

13 不同结构的选择性刻蚀法构建UCNPs夹层载体及功能化修饰的示意图

UCNPs夹层载体有两个可负载空间: 夹层空间和外壳表面PDT领域,如图13所示,光敏分子可以被负载到UCNPs夹层载体的中空夹层,利用夹层的独特优势,光敏分子与UCNPs之间的能量共振转移作用的效率会因为它们之间的距离的缩短而大大提高,光敏分子可以吸收更多的上转换荧光而被激发,继而可以将更多能量传递给氧分子而产生更多有杀伤力的1O2,加大对癌细胞的杀伤作用同时UCNPs夹层载体的外壳表面可以同UCNPs实心载体一样进行各种功能化的表面修饰

UCNPs夹层载体还可以设计用于对环境中有毒物质的检测如图14所示,利用UCNPs夹层载体对环境中的Hg2+进行检测首先PEI保护SiO2层蚀刻获得UCNP@HollowSiO2结构的夹层载体然后将Hg2+敏感的钌元素发色团负载到夹层中,钌元素发色团的吸收峰与UCNPs上转换荧光峰之间有重叠,两者之间可以发生荧光能量共振转移作用(Fluorescence resonance energy transferFRET)FIRT会降低UCNPs的上转换荧光的强度但是Hg2+与钌元素发色团的结合会改变发色团吸收峰位置而减弱FIRT作用,使UCNPs上转换荧光得到增强研究证明,建立Hg2+浓度与上转换荧光强度之间的线性关系,就可以实现对环境中Hg2+的检测

                                      

14 (a)UCNPs夹层载体在检测Hg2+中的构建机制及应用示意图,(b)Hg2+浓度与上转换荧光强度之间的线性关系

UCNPs夹层载体,分子可以负载于夹层空间,与实心核壳载体相比,缩小了负载分子与UCNPs之间的距离,提高了共振能量转移的效率但是夹层空间有限,限制了药物分子的负载量另外在这种情况下分子进入夹层空间需要穿过多孔外壳,这对分子尺寸与性质,外壳的孔径和组成都有特殊的要求这些特殊条件,在一定程度上限制UCNPs夹层载体的应用研究

2.2.3 UNCPs空心载体的构建与功能化修饰

此载体是以稀土纳米晶为外壳,内部空心为基本构造由于UNCPs空心壳载体拥有充裕的内部空间和可以在深层组织进行上转换荧光成像的UCNPs外壳,因此主要用于高负载量及可实现生物成像等的多功能药物载体设计UCNPs空心壳的合成方法主要有两种: 一种是HF酸与Y2O3实心微球或稀土元素掺杂的Y(OH)CO3前驱体之间经过选择性的离子交换制备立方相的NaYF4空心微球,如图15所示另一种以MF@Y(OH)CO3:Yb/Er为模板通过溶剂热处理和煅烧两步法合成α-NaYF4:Yb/Er空心微球如图16所示

                               

     图15 离子交换法合成UNCPs空心载体的示意图(a)及其SEM图(bc)

                                

            图16 两步法合成UNCPs空心载体的示意图

在以上两种制备UCNPs空心载体的过程中,消化内部空间的同时,UCNPs外壳会千疮百孔,形成许多不规则孔道正是这些孔道的存在,药物分子才能被有效地负载到UCNPs空心壳的内部相比于前两种载体,内部空间充足的空心载体,可以装载更多的药物分子,同时UCNPs本身的上转换光学成像性质又可以对药物载体在体内进行实时追踪所以UCNPs空心载体的设计更适合用于有效的靶向药物载体的构建,用于体内靶向药物输送和靶向细胞成像如图17所示

                                 

      图17 UCNPs空心载体的构建以及载药系统中的研究应用示意图

UCNPs空心载体除了可以通过光学成像实现对药物载体的实时追踪之外,最新发现,UCNPs的上转换荧光强度会随着药物分子负载量的变化而产生相应的改变如图18所示,负载有药物分子阿霉素(DOX)UCNPs空心载体的上转换荧光强度随DOX 的释放量的增加而增强,由此可以通过对上转换荧光强度的变化检测来实时检测药物分子的释放这也是在载药系统构建领域,UCNPs载体的独特优势

                                 

   图18 UCNPs载体的上转换荧光强度随着DOX释放时间增加的变化图

UCNPs空心载体同样对所负载的分子要求苛刻但其优势是,载体内部是主要的修饰空间,功能化修饰不会改变纳米晶的尺寸,避免了尺寸依从性影响其载体在生物体中的研究应用

3 结语及展望

对三种稀土纳米载体的构建及其表面修饰机制分别进行了描述,并简要介绍了这些纳米晶载体在光动力治疗药物运输离子检测生物传感等领域的研究应用三种纳米载体构建和修饰机制具体分为UCNPs为核修饰层在外的实心载体,UCNPs@夹层@外壳的夹层载体,UCNPs为外壳内外皆有修饰层的空心载体这三种技术虽各有利弊,但仍具有很高的研究及应用价值

近年来,人们对稀土掺杂的上转换纳米材料的探索,已经从最初对材料本身性质的开发转移到探索如何设计用于更多领域的有效的稀土纳米载体到目前为止,稀土纳米晶作为纳米载体已经被多次成功应用于光动力疗法药物释放及生物成像等领域但是,与其成熟的工业应用相比,UCNPs的生物学应用还在雏形或实验室阶段,离实际的社会应用还存在一定的差距,尚未取得显著的社会和经济效益究其原因,主要在于许多技术瓶颈仍待解决,例如稀土纳米晶的上转换效率的维持构建方式和表面修饰程度的可控性等另外,稀土纳米晶的安全性还未得到完整的探索,其毒性问题尚有争议,需要在将其应用于实际临床实验前进行系统的探索并改进其生物相容性和安全性尽管如此,现有的成果如以上综述所述已经初步证明了稀土纳米晶的独特光学性质及其表面修饰机制的灵活性,这些均为稀土纳米晶作为纳米载体在生物检测和治疗方面的应用开辟了广阔的前景,以待科技工作者继续探索研究

基金项目: 国家自然科学基金项目(21204102);山东省科技发展计划项目(2014GHY115020);中央高校基本科研业务费专项资金项目(14CX02190A)资助

来源:《中国稀土学报》2017年第3期

作者:燕照霞,姜磊,刘涵云,李文静等


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