张洪杰院士Adv. Funct. Mater.：超速合成用于体内光热治疗的超小PVP-Bi纳米点

【引言】

21世纪以来，随着科学技术的不断发展，生物医用材料现已成为世界各国的研究热点。生物相容性纳米材料不仅具有纳米材料优异的特点，而且具有很好的生物相容性；用于生物分子的固定，能增加生物分子的固定量，为生物分子活性的保持提供良好的微环境。由于PVP具有良好的生物相容性，所以对其的研究一直在进行中。

【成果简介】

近日，中国科学院长春应用化学所张洪杰院士和冯婧（共同通讯作者）等人用超精细法成功合成超小PVP-Bi纳米点，且在实验室环境中大规模使用低成本铋很容易合成此纳米点。具有超小尺寸的PVP-Bi 纳米点具有良好的生物相容性，且具有很高的光热转化效率。在PVP-Bi 纳米点介导的光热疗法（PTT）中也显示出积极的结果。此纳米点可成为双模态CT/光热成像介导PTT的单一元素。相关成果以题为“Ultrafast Synthesis of Ultrasmall Poly(Vinylpyrrolidone)-Protected Bismuth Nanodots as a Multifunctional Theranostic Agent for In Vivo Dual-Modal CT/Photothermal-Imaging-Guided Photothermal Therapy”为题发表在近期的Adv. Funct. Mater.期刊上。

【图文导读】

图1 PVP-Bi纳米点的合成示意图及其应用

多功能PVP-Bi纳米点的合成示意图及其在CT成像、热成像和光热治疗中的应用示意。

图2 PVP-Bi纳米点的表征

a）TEM图像和HRTEM图像；

b）尺寸直方图；

c）SAED图案；

d）XRD图案；

e）Bi4f光谱；

f）大规模产品的数码照片。

图3 不同浓度的PVP-Bi纳米点的相关图像

a）通过ICP-MS方法摄取的浓度依赖性细胞；

b）使用标准MTT比色法，用不同浓度的PVP-Bi纳米点培养24小时后，U14体外细胞的生存能力；

c）用不同浓度的PVP-Bi 纳米点培养4小时的红细胞溶血百分比；

d）具有不同浓度的PVP-Bi纳米点和碘比醇溶液的体外CT图像；

e）PVP-Bi纳米点和碘比醇的CT值（HU）分别为Bi和碘比醇浓度的函数，函数图像如图；

f）移植肿瘤的Balb/c 小鼠的CT图像：预注射（i-iv）和注射后（v-viii）。

图4 PVP-Bi纳米点的光热性能和红外光热成像

a）PVP-Bi纳米点的紫外—可见（UV-vis）—NIR吸收光谱；

b）具有不同浓度的水和PVP-Bi纳米点水溶液的温度升高作为暴露于808nm NIR激光（1.3Wcm-2）下照射时间的函数，使用热电偶微探针每隔10秒测量一次温度；

c）用NIR激光（808nm，1.3Wcm^-2）对PVP-Bi纳米点水溶液（500μg/ mL）进行600秒的光热响应，然后关闭激光。插图显示了1小时激光照射前后PVP-Bi纳米点溶液的数码照片；

d）在600秒的时间内，相对于PVP-Bi纳米点的浓度，绘制温度变化（ΔT）；

e）照射0和6分钟（808nm，1.3Wcm^-2）的PVP-Bi纳米点（500μg/ mL）的红外热图像；

f）从（c）的冷却时间获得的线性时间数据对-lnθ；

g）红外线图像；

h）对移植肿瘤的小鼠静脉注射5％葡萄糖溶液（对照）和PVP-Bi纳米点（20mg kg^-1）的温度曲线，然后用808nm NIR激光（808nm，1.3 W cm^-2）照射6 min。

图5 被移植肿瘤的小鼠在实验中的各种数据图

a）在808nm NIR激光照射（1.3Wcm^-2,6min）下，用各种浓度的PVP-Bi纳米点（0-500μg/mL）培养的U14细胞的体外细胞存活能力；

b）在808nm NIR激光照射（1.3Wcm^-2,6分钟）下，用各种浓度的PVP-Bi纳米点（0-500μg/ mL）培养后，U14细胞的共焦荧光图像。细胞用钙黄绿素乙酰氧甲基酯（绿色，活细胞）和碘化丙啶（红色，死细胞）染色。比例尺为100微米；

c）激光和U14肿瘤小鼠的光热治疗设置；

d）不同组的小鼠在各种治疗后的代表性照片；

e）不同组小鼠在各种治疗后的肿瘤生长抑制率；

f）不同组小鼠各种治疗后的肿瘤重量；

g）在各种治疗结束时从不同组的小鼠收集的肿瘤的数字照片（第14天）；

h）不同组的小鼠在各种治疗后体重；

i）来自不同组的肿瘤的H&E染色图像。比例尺为100微米。

图6 小鼠体内注射PVP-Bi纳米点

a）在含有肿瘤的Balb/c小鼠的静脉中注射PVP-Bi纳米点（20 mg kg^-1）后，其体内Bi随时间的分布；

b）小鼠注射天冬氨酸氨基转移酶（AST）血清的生物化学数据；

c，d）小鼠注射尿酸（UA）和肌酐（CREA）的血清生物化学数据；

e）用PVP-Bi纳米点（20mg kg^-1）处理的小鼠的白细胞随时间的变化；

f）用PVP-Bi纳米点（20mg kg^-1）处理的小鼠的红细胞随时间的变化；

g）用PVP-Bi纳米点（20mg kg^-1）处理的小鼠的红细胞压积随时间的变化；

h）用PVP-Bi纳米点（20mg kg^-1）处理的小鼠的红细胞分布宽度随时间的变化；

i）用PVP-Bi纳米点（20mg kg^-1）处理的小鼠的平均红细胞容积随时间的变化；

j）用PVP-Bi纳米点（20mg kg^-1）处理的小鼠的平均红细胞血红蛋白随时间的变化；

k）用PVP-Bi纳米点（20mg kg^-1）处理的小鼠的平均细胞血红蛋白浓度随时间的变化；

l）用PVP-Bi纳米点（20mg kg^-1）处理的小鼠的平均血小板体积随时间的变化；

m）静脉注射PVP-Bi纳米点（20 mg kg^-1）两个月后，小鼠的心脏，肝脏，脾脏，肺和肾脏的组织学变化，比例尺为100微米。

【小结】

此实验中是用超精细法成功合成超小PVP-Bi纳米点，且在实验室环境中大规模使用低成本铋很容易合成此纳米点。具有超小尺寸的PVP-Bi纳米点具有良好的生物相容性，且具有很高的光热转化效率，可作为光热成像和癌症治疗的纳米助剂。在PVP-Bi纳米点介导的光热疗法（PTT）的结果显示体外和体内癌细胞的高效消融，且其毒性几乎可忽略。各种积极结果表明：此纳米点可成为双模态CT/光热成像介导PTT的单一元素。具有极大的应用前景。

文献链接：Ultrafast Synthesis of Ultrasmall Poly(Vinylpyrrolidone)-Protected Bismuth Nanodots as a Multifunctional Theranostic Agent for In Vivo Dual-Modal CT/Photothermal-Imaging-Guided Photothermal Therapy（Adv. Funct. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adfm.201702018）

通讯作者介绍：张洪杰院士，无     机化学家。中国科学院长春应用化学研究所研究员。1953年9月22日出生于吉林省榆树市，籍贯吉林长春。1978年毕业于北京大学化学系，1985年在中国科学院长春应用化学研究所获硕士学位，1993年在法国波尔多第一大学获博士学位。

长期从事稀土材料的基础与应用研究。发展了快速溶胶-凝胶制备新方法，解决了稀土杂化发光材料稳定性差的难题， 获得了一系列性能优异的稀土杂化发光材料；系统研究了稀土离子发射强度、能量传递与环境温度之间的关系，解决了稀土发光材料温敏涂层全表面精确测量和快速获得模型表面热流分布的关键科学问题和技术，制备出一系列超高声速飞行器风洞测温的稀土发光材料；探索了稀土离子对交流LED发光的影响机制，从源头上解决了交流LED频闪的难题；获得了交流LED稀土荧光粉和器件制备的专利技术，实现了从基础研究到产业化应用;系统地研究了稀土镁合金相结构和相图与性能的关系，发明了下沉阴极电解法，制备了系列稀土镁中间合金；突破了大尺寸无缝挤压新工艺，满足了国家的重大需求。曾获国家自然科学奖二等奖。

本文由材料人编辑部生物材料学术组昝菲供稿，材料牛编辑整理。

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