哈工大李保强副教授：基于纳米碳点实时无创可视化监测生物材料体内降解研究取得突破

【成果简介】

哈工大材料学院周玉院士团队骨干成员李保强副教授在基于纳米碳点（CNDs）实时无创可视化监测生物材料体内降解方面取得重要进展，研究成果以“Visual in vivo Degradation of Injectable Hydrogel by Real-time and Non-invasive Tracking Using Carbon Nanodots as Fluorescent Indicator”为题发表在国际生物材料领域的权威期刊Biomaterials上（影响因子8.40，DOI：10.1016/j.biomaterials.2017.08.039），为实时无创可视化监测生物材料体内降解提供了新型荧光探针。论文第一作者为2013级博士生王磊，李保强副教授为唯一通讯作者，哈工大为第一署名单位。

【图文导读】

图1. CNDs的表征和体外细胞毒性

A. CNDs的TEM图像(平均直径= 5.1±1.2 nm)和高倍率HR-TEM图片；插图为快速傅里叶变换衍射模式；以及在硅基片上的CNDs的AFM图像；

B. CNDs稀释悬浊液的紫外可见吸收光谱。左侧插图为CNDs悬浊液在日光下的照片，右侧插图为CNDs悬浊液在波长为365 nm的紫外线下的照片；

C. CNDs的激励依赖光致发光光谱。当激励波长从300nm增加到460nm 时，PL发射波长转换为更长的波长(430-580nm)。当使用375nm的激励波长时，最长的发射波长是450nm；

D. 在不同浓度的CNDs中孕育24、36和48小时后，NIH/3T3细胞的细胞活力。由MTT比色法测定。在不同浓度的CNDs中的细胞都有90%以上的细胞活力；

E. 用CNDs处理过的NIH / 3T3细胞的荧光区和亮区的合成图像；

图2. CNDs的体内毒性评估

A. 各种器官(包括肝、脾、肾、心、肺)在第1天和第14天的荧光成像。用生理盐水(无CNDs)处理的小鼠为对照组；

B. 各种器官(包括肝、脾、肾、心、肺)的荧光强度的量化；

C. 在第1天和第14天注射CNDs溶液(剂量23 mg/ kg)的小鼠的H&E染色组织切片(肝、脾、肾、心、肺) ；

图3. CNDs作为CNDs杂化水凝胶的可视化荧光指示剂

A. CNDs杂化水凝胶与CNDs浓度的定量荧光强度对比图。插图为不同CNDs浓度水凝胶的荧光伪彩色图像；

B. 同心环图形(左)和凸面体图形(右) 的CNDs杂化微凝胶的荧光图像，在不同激励波长(460 ~ 490nm和540 ~ 560 nm)下分别显示绿色和红色荧光；

C. CNDs杂化水凝胶的光漂白实验。每隔5分钟拍摄的CNDs杂化水凝胶的光漂白和暴露于100W氙激发源时的FITC杂化水凝胶的荧光伪彩色图像；

D. 选择一个特定的区域(ROI)进行荧光强度定量计算。CNDs作为荧光指示剂，比荧光染料(如FITC和RhB)更耐光，而且更适合体内可视化研究；

E. CNDs杂化水凝胶的共焦显微镜图像：典型的x - z平面图，典型的x - y平面图和不同深度的荧光强度剖面。用568nm的激光激励红色区域，然后用605nm的带通滤波器过滤激励波长。

【研究内容】

基于荧光法可视化监测水凝胶体内降解是实时无创定量表征水凝胶降解的重要手段。然而，现有的荧光指示降解方法存在局限性，如有机荧光探针的光漂白和因荧光基团引入导致干扰高分子的降解行为。为了解决以上问题，李保强副教授等人合成并利用低光漂白、发射红光和良好生物相容性的纳米碳点为荧光指示剂，实现了实时无创监测可注射水凝胶的体内与体外降解，系统评价了纳米碳点的生物相容性，建立了实时无创可视化定量评价水凝胶降解的数学模型。体外与体内毒性测试表明纳米碳点对细胞和周围组织无毒，并具有良好生物相容性。当凝胶不降解时，包埋在水凝胶的纳米碳点不会释放；当凝胶降解时，基于重量法和基于纳米碳点的荧光可视化法呈现相似降解动力学曲线，并建立了定量表征水凝胶体外降解的数学模型以便于预测水凝胶的体内降解行为，最终实现了实时无创可视化定量表征生物材料体内降解。基于纳米碳点实时无创可视化监测生物材料降解方法为组织工程中的生物材料可控降解和便捷筛选体内降解提供了新的研究方法。

原文链接：http://news.hit.edu.cn/cd/b9/c416a183737/page.htm

文献链接：Visual in vivo Degradation of Injectable Hydrogel by Real-time and Non-invasive Tracking Using Carbon Nanodots as Fluorescent Indicator（Biomaterials，2017，DOI：10.1016/j.biomaterials.2017.08.039）

本文由材料人编辑部孟令晓编辑，点我加入材料人编辑部。

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