張洪杰院士Adv. Funct. Mater.：超速合成用于體內光熱治療的超小PVP-Bi納米點

【引言】

21世紀以來，隨著科學技術的不斷發展，生物醫用材料現已成為世界各國的研究熱點。生物相容性納米材料不僅具有納米材料優異的特點，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，為生物分子活性的保持提供良好的微環境。由于PVP具有良好的生物相容性，所以對其的研究一直在進行中。

【成果簡介】

近日，中國科學院長春應用化學所張洪杰院士和馮婧（共同通訊作者）等人用超精細法成功合成超小PVP-Bi納米點，且在實驗室環境中大規模使用低成本鉍很容易合成此納米點。具有超小尺寸的PVP-Bi 納米點具有良好的生物相容性，且具有很高的光熱轉化效率。在PVP-Bi 納米點介導的光熱療法（PTT）中也顯示出積極的結果。此納米點可成為雙模態CT/光熱成像介導PTT的單一元素。相關成果以題為“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”為題發表在近期的Adv. Funct. Mater.期刊上。

【圖文導讀】

圖1 PVP-Bi納米點的合成示意圖及其應用

多功能PVP-Bi納米點的合成示意圖及其在CT成像、熱成像和光熱治療中的應用示意。

圖2 PVP-Bi納米點的表征

a）TEM圖像和HRTEM圖像；

b）尺寸直方圖；

c）SAED圖案；

d）XRD圖案；

e）Bi4f光譜；

f）大規模產品的數碼照片。

圖3 不同濃度的PVP-Bi納米點的相關圖像

a）通過ICP-MS方法攝取的濃度依賴性細胞；

b）使用標準MTT比色法，用不同濃度的PVP-Bi納米點培養24小時后，U14體外細胞的生存能力；

c）用不同濃度的PVP-Bi 納米點培養4小時的紅細胞溶血百分比；

d）具有不同濃度的PVP-Bi納米點和碘比醇溶液的體外CT圖像；

e）PVP-Bi納米點和碘比醇的CT值（HU）分別為Bi和碘比醇濃度的函數，函數圖像如圖；

f）移植腫瘤的Balb/c 小鼠的CT圖像：預注射（i-iv）和注射后（v-viii）。

圖4 PVP-Bi納米點的光熱性能和紅外光熱成像

a）PVP-Bi納米點的紫外—可見（UV-vis）—NIR吸收光譜；

b）具有不同濃度的水和PVP-Bi納米點水溶液的溫度升高作為暴露于808nm NIR激光（1.3Wcm-2）下照射時間的函數，使用熱電偶微探針每隔10秒測量一次溫度；

c）用NIR激光（808nm，1.3Wcm^-2）對PVP-Bi納米點水溶液（500μg/ mL）進行600秒的光熱響應，然后關閉激光。插圖顯示了1小時激光照射前后PVP-Bi納米點溶液的數碼照片；

d）在600秒的時間內，相對于PVP-Bi納米點的濃度，繪制溫度變化（ΔT）；

e）照射0和6分鐘（808nm，1.3Wcm^-2）的PVP-Bi納米點（500μg/ mL）的紅外熱圖像；

f）從（c）的冷卻時間獲得的線性時間數據對-lnθ；

g）紅外線圖像；

h）對移植腫瘤的小鼠靜脈注射5％葡萄糖溶液（對照）和PVP-Bi納米點（20mg kg^-1）的溫度曲線，然后用808nm NIR激光（808nm，1.3 W cm^-2）照射6 min。

圖5 被移植腫瘤的小鼠在實驗中的各種數據圖

a）在808nm NIR激光照射（1.3Wcm^-2,6min）下，用各種濃度的PVP-Bi納米點（0-500μg/mL）培養的U14細胞的體外細胞存活能力；

b）在808nm NIR激光照射（1.3Wcm^-2,6分鐘）下，用各種濃度的PVP-Bi納米點（0-500μg/ mL）培養后，U14細胞的共焦熒光圖像。細胞用鈣黃綠素乙酰氧甲基酯（綠色，活細胞）和碘化丙啶（紅色，死細胞）染色。比例尺為100微米；

c）激光和U14腫瘤小鼠的光熱治療設置；

d）不同組的小鼠在各種治療后的代表性照片；

e）不同組小鼠在各種治療后的腫瘤生長抑制率；

f）不同組小鼠各種治療后的腫瘤重量；

g）在各種治療結束時從不同組的小鼠收集的腫瘤的數字照片（第14天）；

h）不同組的小鼠在各種治療后體重；

i）來自不同組的腫瘤的H&E染色圖像。比例尺為100微米。

圖6 小鼠體內注射PVP-Bi納米點

a）在含有腫瘤的Balb/c小鼠的靜脈中注射PVP-Bi納米點（20 mg kg^-1）后，其體內Bi隨時間的分布；

b）小鼠注射天冬氨酸氨基轉移酶（AST）血清的生物化學數據；

c，d）小鼠注射尿酸（UA）和肌酐（CREA）的血清生物化學數據；

e）用PVP-Bi納米點（20mg kg^-1）處理的小鼠的白細胞隨時間的變化；

f）用PVP-Bi納米點（20mg kg^-1）處理的小鼠的紅細胞隨時間的變化；

g）用PVP-Bi納米點（20mg kg^-1）處理的小鼠的紅細胞壓積隨時間的變化；

h）用PVP-Bi納米點（20mg kg^-1）處理的小鼠的紅細胞分布寬度隨時間的變化；

i）用PVP-Bi納米點（20mg kg^-1）處理的小鼠的平均紅細胞容積隨時間的變化；

j）用PVP-Bi納米點（20mg kg^-1）處理的小鼠的平均紅細胞血紅蛋白隨時間的變化；

k）用PVP-Bi納米點（20mg kg^-1）處理的小鼠的平均細胞血紅蛋白濃度隨時間的變化；

l）用PVP-Bi納米點（20mg kg^-1）處理的小鼠的平均血小板體積隨時間的變化；

m）靜脈注射PVP-Bi納米點（20 mg kg^-1）兩個月后，小鼠的心臟，肝臟，脾臟，肺和腎臟的組織學變化，比例尺為100微米。

【小結】

此實驗中是用超精細法成功合成超小PVP-Bi納米點，且在實驗室環境中大規模使用低成本鉍很容易合成此納米點。具有超小尺寸的PVP-Bi納米點具有良好的生物相容性，且具有很高的光熱轉化效率，可作為光熱成像和癌癥治療的納米助劑。在PVP-Bi納米點介導的光熱療法（PTT）的結果顯示體外和體內癌細胞的高效消融，且其毒性幾乎可忽略。各種積極結果表明：此納米點可成為雙模態CT/光熱成像介導PTT的單一元素。具有極大的應用前景。

文獻鏈接：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）

通訊作者介紹：張洪杰院士，無 ? ? 機化學家。中國科學院長春應用化學研究所研究員。1953年9月22日出生于吉林省榆樹市，籍貫吉林長春。1978年畢業于北京大學化學系，1985年在中國科學院長春應用化學研究所獲碩士學位，1993年在法國波爾多第一大學獲博士學位。

長期從事稀土材料的基礎與應用研究。發展了快速溶膠-凝膠制備新方法，解決了稀土雜化發光材料穩定性差的難題， 獲得了一系列性能優異的稀土雜化發光材料；系統研究了稀土離子發射強度、能量傳遞與環境溫度之間的關系，解決了稀土發光材料溫敏涂層全表面精確測量和快速獲得模型表面熱流分布的關鍵科學問題和技術，制備出一系列超高聲速飛行器風洞測溫的稀土發光材料；探索了稀土離子對交流LED發光的影響機制，從源頭上解決了交流LED頻閃的難題；獲得了交流LED稀土熒光粉和器件制備的專利技術，實現了從基礎研究到產業化應用;系統地研究了稀土鎂合金相結構和相圖與性能的關系，發明了下沉陰極電解法，制備了系列稀土鎂中間合金；突破了大尺寸無縫擠壓新工藝，滿足了國家的重大需求。曾獲國家自然科學獎二等獎。

本文由材料人編輯部生物材料學術組昝菲供稿，材料牛編輯整理。

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