生物醫(yī)學材料專家講座

光熱治療納米粒子生物醫(yī)學材料專家講座第1頁CONTENT①光熱治療②光熱治療納米材料③光熱治療納米材料應(yīng)用④光熱治療納米材料分類⑤文件舉例生物醫(yī)學材料專家講座第2頁ADDTITLE光熱治療：光熱治療是經(jīng)過激光照射（近紅外光）方法，改變腫瘤細胞所處環(huán)境，將光能轉(zhuǎn)換為熱能，到達一定溫度，從而殺死腫瘤細胞，到達治療目標。生物醫(yī)學材料專家講座第3頁ADDTITLE光熱治療納米材料種類：1）傳統(tǒng)有機化合物，如吲哚菁綠，聚苯胺。缺點是低光熱轉(zhuǎn)換率和嚴重光漂白。2）碳納米材料，如碳納米管，石墨烯，還原性石墨烯。3）貴金屬納米材料。生物醫(yī)學材料專家講座第4頁ADDTITLE納米材料在光熱治療中應(yīng)用：金納米材料隨其形狀和尺寸改變，其物化性質(zhì)也隨之改變。其中金納米棒、金納米籠、金納米球殼材料等因其獨特物化性能而在生物醫(yī)學領(lǐng)域有著廣泛而主要應(yīng)用前景，尤其令人感興趣是其光學性質(zhì)，尤其是其近紅外消光特征，即表面電子等離子共振響應(yīng)（SurfacePlasmonResonance，SPR），其吸收峰在可見光區(qū)至近紅外光區(qū)之間可調(diào)。近紅外區(qū)（800~1200nm）是機體組織透過窗口，近紅外光在機體組織透過率最高，與其它波段光相比對人體損害最小，尋求在近紅外光區(qū)有良好光學特征材料用于生物醫(yī)學領(lǐng)域一直是人們理想選擇?；诩{米金近紅外光熱轉(zhuǎn)換功效，出現(xiàn)了一個新型腫瘤光熱療法—納米金介導(dǎo)近紅外線（Near-infraredRay，NIR）熱療。美國Rice大學J.Halas教授組報道了將金納米球殼材料包覆SiO2與人乳腺癌細胞一起進行體外培養(yǎng)，近紅外激光輻照使細胞發(fā)生不可逆熱損傷，磁共振成像引導(dǎo)體內(nèi)動物試驗也得出了類似結(jié)果，之后他們又進行了金納米球殼材料熱消融治療腫瘤、金納米球殼與特異性抗體結(jié)合免疫靶向治療腫瘤等一系列研究，自此納米金介導(dǎo)近紅外熱療治療腫瘤成為國際醫(yī)學界研究焦點生物醫(yī)學材料專家講座第5頁光熱治療納米粒子金納米棒

硫化銅亞微米超結(jié)構(gòu)

金納米籠

碳納米管生物醫(yī)學材料專家講座第6頁碳納米管碳納米管，尤其是單壁碳納米管（SWNTs），吸引了在生物醫(yī)學領(lǐng)域重大興趣，因為其在在生物檢測，藥品運輸，光療和生物醫(yī)學成像等領(lǐng)域含有潛在應(yīng)用。因為單壁碳納米管獨特一維（1-D）結(jié)構(gòu)，單壁碳納米管因其尖銳電子態(tài)密度在范霍夫奇點含有很強共振拉曼散射。在活細胞中單壁碳納米管拉曼成像最初由海勒等人在匯報，體內(nèi)拉曼成像已經(jīng)由Zavaleta等人在實現(xiàn)。劉莊教講課題組[13]研究貴金屬修飾單壁碳納米管在表面增強拉曼成像及光熱治療應(yīng)用，研究中，經(jīng)過一個由金種連接、金種生長及表面修飾所組成液相中原位合成方法，在DNA修飾單壁碳納米管上原位生長金或銀納米粒子,得到能夠穩(wěn)定存在于生理環(huán)境中SWNT-Au-PEG和SWNT-Ag-PEG復(fù)合物。因為表面修飾金或銀納米粒子存在，單壁碳納米管-金屬復(fù)合物表現(xiàn)出優(yōu)異濃度及激發(fā)光源依賴表面增強拉曼效應(yīng)。連接好葉酸靶向分子SWNT-Au-PEG-FA復(fù)合物與目標癌細胞共同培養(yǎng)后，可實現(xiàn)快速拉曼成像，其成像時間與傳統(tǒng)SWNTs探針相比大為縮短。圖2.1貴金屬納米粒子經(jīng)過種子生長在共價官能化單壁碳納米管上。目標癌細胞光熱治療(a)808nm激光照射下三種試樣溫度曲線.(b)SWNT-Au-PEG-FA,SWNT-Au-PEG,SWNT-PEG-FA,andSWNT-PEG處理KB細胞時相正確細胞存活率（有或無激活照射）(c?f)光學顯微鏡下成像，KB細胞分別與SWNT-PEG(c),SWNT-PEG-FA(d),SWNT-Au-PEG(e),orSWNTAu-PEG-FA(f)孵育。（綠色，活細胞）/（紅色，死亡細胞）。生物醫(yī)學材料專家講座第7頁金納米棒金納米棒是一個尺度從幾納米到上百納米棒狀金納米顆粒。金是一個貴金屬材料，化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，金納米顆粒沿襲了其體相材料這個性質(zhì)，所以含有相對穩(wěn)定，卻非常豐富化學物理性質(zhì)。金納米棒擁有隨長寬比改變，從可見(550nm)到近紅外(1550nm)連續(xù)可調(diào)表面等離子體共振波長，極高表面電場強度增強效應(yīng)(高至10e7倍)，極大光學吸收、散射截面，以及從50%到100%連續(xù)可調(diào)光熱轉(zhuǎn)換效率。因為它獨特光學、光電、光熱、光化學、以及分子生物學性質(zhì)，金納米棒在材料科學界正受到強烈關(guān)注，并引發(fā)眾多材料學家、生物化學家、醫(yī)學家、物理學家、微電子工程師等科研工作者對之進行廣泛和深入研究生物醫(yī)學材料專家講座第8頁硫化銅亞微米超結(jié)構(gòu)(CuS)亞微米超結(jié)構(gòu)光熱轉(zhuǎn)換材料。利用水熱法制備親水性硫化銅(CuS)超結(jié)構(gòu)含有增強光吸收能力特征，大幅度地提升了980nm激光吸收效率，進而使光熱轉(zhuǎn)換能力得到了很大提升；激光照射過程使用激光強度（0.51W/cm2）遠低于美國要求980nm激光人體皮膚安全使用標準主要是，體外和體內(nèi)試驗都證實了該超結(jié)構(gòu)材料在腫瘤光熱治療上非常有效。而毒性試驗證實了該材料含有較低毒性。值得注意是，與傳統(tǒng)光熱材料，如Au納米棒、Au納米空心球和碳納米管等相比，該CuS亞微米超結(jié)構(gòu)材料含有低成本、低毒性、高光熱轉(zhuǎn)化效率特點，因而在癌癥治療方面有主要研究意義和光明應(yīng)用前景。生物醫(yī)學材料專家講座第9頁金納米籠夏幼南教授組利用金納米籠作為抗癌藥品和酶載體，在激光照射下，能夠有效地控制藥品和酶釋放。同時金納米籠含有光熱治療作用結(jié)果表明裝載DOX金納米籠治療效果比單純金納米籠效果要好。是酶釋放曲線，隨激光照射時間延長，釋放酶量逐步增加。生物醫(yī)學材料專家講座第10頁圖片展示金納米棒碳納米管生物醫(yī)學材料專家講座第11頁用一個新方法合成ZnO/Ag微納米顆粒增強光催化性和抗菌性文件出處：生物醫(yī)學材料專家講座第12頁摘要

經(jīng)過自主設(shè)計同心撞擊流微反應(yīng)器結(jié)合微波技術(shù)合成不一樣銀含量一系列氧化鋅/銀微/納米球（MNSS）各種表征結(jié)果表明，銀納米顆粒平均直徑約15納米成功沉積在氧化鋅微球，微球大小從300-700納米不等。納米ZnO顆粒直徑小于10納米。光催化一系列ZnO/銀MNSS性能進行了對甲基橙評價，抗菌性能對大腸桿菌進行了測試。全部結(jié)果表明，該光催化劑和氧化鋅/銀MNSS裝載有不一樣Ag含量抗菌活性是優(yōu)于純氧化鋅。最正確負載Ag含量約為7.5％（原子）照射30分鐘MO幾乎完全降解，提升光催化和ZnO/銀MNSS抗菌性能。這種制造方法簡單，可連續(xù)生產(chǎn)，成本低優(yōu)點，所以它是更適合于在工業(yè)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)氧化鋅/銀MNSS。生物醫(yī)學材料專家講座第13頁試驗流程圖

同心撞擊流微反應(yīng)器生物醫(yī)學材料專家講座第14頁試驗過程圖氧化鋅納米顆粒經(jīng)導(dǎo)向粘附成氧化鋅納米微球，再經(jīng)過氧化銀和檸檬酸鈉作用變?yōu)檠趸\/銀微納米顆粒生物醫(yī)學材料專家講座第15頁結(jié)果與表征生物醫(yī)學材料專家講座第16頁光催化原理生物醫(yī)學材料專家講座第17頁XPS表征生物醫(yī)學材料專家講座第18頁光催化表征生物醫(yī)學材料專家講座第19頁抗菌性表征生物醫(yī)學材料專家講座第20頁結(jié)論

基于自主設(shè)計同心沖擊流微反應(yīng)器結(jié)合微波技術(shù)，經(jīng)過采樣，快速，高效，安全，綠色方法，不一樣銀含量一系列氧化鋅/銀MNSS成功合成此復(fù)合材料含有優(yōu)良光催化和抗菌活性依據(jù)它晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)將增加光生電子分離率和孔。最優(yōu)Ag含量是約7.5％（原子）作為在MO時照射30分鐘后UV光幾乎完全降解這些結(jié)果表明，氧化鋅/銀MNSS含有優(yōu)良光催化性和合成抗菌活性，而這種高效率和大規(guī)模連續(xù)制造方法含有很大潛力可擴展到其它金屬-合成材料。生物醫(yī)學材料專家講座第21頁一個多功效劑Na0.3WO3棒用于體內(nèi)雙模式成像和光熱治療癌細胞文件出處生物醫(yī)學材料專家講座第22頁摘要影像診療和光熱消融（PTA）治療組合已成為潛在治療癌癥方法。尤其是，鎢青銅含有許多獨特性能，如寬近紅外（NIR）吸收和大X射線衰減系數(shù)。然而，這些材料含有極少被報道為一個X射線計算機斷層掃描（CT），造影劑和光熱劑。在此，我們合成了聚乙二醇化納米棒Na0.3WO3（平均尺寸~39納米×5納米）經(jīng)過簡單一釜溶劑熱路線。正如我們所料，準備聚乙二醇化Na0.3WO3納米棒表現(xiàn)出強烈NIR吸收，因為W5+。這些聚乙二醇化Na0.3WO3納米棒也顯示了優(yōu)異CT成像效果和29.95克胡·L-1（高得多高胡值比碘帕醇數(shù)字（19.35克，HUL-1）），因為大原子序數(shù)和X射線鎢固有性質(zhì)衰減系數(shù)。另外，升溫并在體內(nèi)光熱試驗表明所合成Na0.3WO3納米棒能夠是一個有效光熱劑，因為它們含有低毒，高效率和良好耐光性。生物醫(yī)學材料專家講座第23頁試驗過程

攪拌溶解遲緩加入

800轉(zhuǎn)每秒

0.2380gWCl630ml脫水乙醇0.024gNaOH50ml四氟乙烯內(nèi)襯高壓釜（180℃進行二十四小時）藍色產(chǎn)物離心洗滌4次（60℃真空干燥）Na0.3WO3納米棒生物醫(yī)學材料專家講座第24頁表征與結(jié)論生物醫(yī)學材料專家講座第25頁紫外-可見吸收和XPS表征強烈近紅外吸收也能夠歸因于氧不足之處，從而誘發(fā)小極化子。為了說明含聚乙二醇化Na0.3WO3棒氧不足，光致發(fā)光（PL）進行了研究使用熒光分光光度計，統(tǒng)計在激勵波長為240納米。光致發(fā)光光譜清楚地示出了聚乙二醇化Na0.3WO3納米棒含有相當數(shù)量氧缺點。另外，Na0.3WO3納米棒組合物采取X射線光電子能譜XPS圖。對于Na0.3WO3納米棒，對應(yīng)于W4f峰（圖2b）。在35.7eV和37.8eV主峰可分配到W6+和弱峰位于34.7eV和36.5伏特被分配到W5+。不一樣價態(tài)W原子能夠深入證實氧存在不足之處，這被認為原因是NIR吸收。另外，類似一些關(guān)于過渡金屬化合物，如四氧化三鐵納米結(jié)構(gòu)，納米Fe3O4和硫化銅上層建筑，鎢離子價數(shù)改變進一步證實強烈吸收近紅外區(qū)域是從D-D派生電子躍遷。生物醫(yī)學材料專家講座第26頁透過率及CT影像表征

圖3a含有915納米波長PTA激光用于治療癌癥。聚乙二醇化Na0.3WO3納米棒水分散體與各種濃度，范圍從0.03至1毫克毫升-1。沒有Na0.3WO3納米棒基本沒改變，伴隨Na0.3WO3納米棒濃度增加溫度越高。圖4b聚乙二醇化Na0.3WO3納米棒水分散體，從0到10.0毫克ML-1（圖4a）。擬合線展現(xiàn)系數(shù)結(jié)果準確度，這依賴于分散聚乙二醇化Na0.3WO3納米棒水分散液。胡值斜率為約29.95生物醫(yī)學材料專家講座第27頁細胞存活率及CT影像表征圖5a細胞毒性不一樣濃度聚乙二醇化Na0.3WO3納米棒TC71腫瘤細胞在由CCK8測定。聚乙二醇化Na0.3WO3納米棒稀釋在DMEM培養(yǎng)基中，孵育TC71細胞在5％CO2在37℃下二十四小時沒有顯著PEG化Na0.3WO3納米棒細胞毒性細胞增殖，即使在高濃度高達0.5毫克毫升-1中，作為細胞存活率幾乎98.9％。當濃度增加至1.0毫克毫升-1。細胞存活率為80％以上生物醫(yī)學材料專家講座第28頁小白鼠試驗結(jié)果分別取不一樣時間間隔激光照射紅外熱成像和溫度。該區(qū)域11外框區(qū)域與注入聚乙二醇化Na0.3WO3納米棒低于5分鐘照射產(chǎn)生了更多顯著溫度升高。相反，范圍從29.3°C至32.4℃在區(qū)域存在一些溫度改變對照組12框區(qū)域。對于Na0.3WO3納米線注射小鼠中，腫瘤表面溫度改變示于圖7b。應(yīng)該注意是，溫度升高快速在第30秒時，27.3℃上升至50.9℃;將溫度在約56℃，保持穩(wěn)定而足夠高，以“煮”腫瘤細胞。在57.3℃，300秒高值，這意味著該溫度照射下5分鐘增加30℃。這些結(jié)果表明，在Na0.3WO3內(nèi)納米棒腫瘤依然有一個很好光熱效應(yīng)。生物醫(yī)學材料專家講座第29頁結(jié)論

總之，我們開發(fā)了鎢雙功效劑鎢青銅經(jīng)過簡單一釜法CT成像和光熱療法。因為W5+存在，以及強X射線衰減系數(shù)，所述PEG化Na0.3WO3納米棒表現(xiàn)出強烈NIR吸收和出色CT成像效果，它能夠到達靶診療和治療。體外光熱試驗表明，我們聚乙二醇Na0.3WO3納米棒能夠在低濃度下取得足夠“廚師”腫瘤細胞，這表明這是一個安全和穩(wěn)定光熱劑含有高有效性。作為一名CT造影候選人，聚乙二醇化Na0.3WO3納米棒有很大空間分辨率和靈敏度在體外試驗和TC71腫瘤小鼠。腫瘤可瘤內(nèi)注射后觀察用10mg/mlNa0.3WO3

100微升。在體內(nèi)小鼠模型中治療試驗深入發(fā)覺了聚乙二醇化Na0.3WO3納米棒似乎是一個非常有效光熱劑，使優(yōu)良近紅外光響應(yīng)在低劑量腫瘤消融效果。另外，沒有任何顯著在試驗過程中觀察到毒性，這表明PEG-400封端Na0.3WO3納米棒含有一個良好生物相容性。PEG化Na0.3WO3棒含有低毒性，優(yōu)良光熱效應(yīng)，一高光熱穩(wěn)定性和很好CT成像效果，這使得有可能它們潛在用途在臨床應(yīng)用。生物醫(yī)學材料專家講座第30頁部分參考文件[1]Ferlay,J.,Shin,H.R.,Bray,F.,etal.Estimatesofworldwideburdenofcancerin:GLOBOCAN[J].Int.J.Cancer,,127(12):2893-2917.[2]黃鵬，崔大祥，納米材料可控合成，功效化及其在腫瘤治療中應(yīng)用，中國知網(wǎng)，[3]Park,K.,Lee,S.,Kang,E.,etal.Newgenerationofmultifunctionalnanoparticlesfor

cancerimagingandtherapy[J].Adv.Funct.Mater.,,19(10):1553-1566.[4]崔大祥.腫瘤納米診療和治療技術(shù)研究現(xiàn)實狀況與發(fā)展前景[J].中國腫瘤生物治療雜[5]Song,H.,He,R.,Wang,K.,etal.Anti-HIF-1[alpha]antibody-conjuga