石墨烯量子點(diǎn)的功能化及生物熒光性能研究.pdf

1、隨著納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，基于納米材料的靶向載藥系統(tǒng)，在提高藥物療效和有效避免排異反應(yīng)方面顯示出了卓越的優(yōu)勢。通過合理的功能化修飾賦予藥物載體空間和時間上傳遞藥物及控制藥物釋放的能力，是構(gòu)建載藥系統(tǒng)的核心。
　　熒光碳納米顆粒，諸如發(fā)光碳納米管、碳量子點(diǎn)和石墨烯納米條帶等，憑借結(jié)構(gòu)多樣性、易于功能化、低細(xì)胞毒性和良好的自發(fā)光性能等優(yōu)勢，自發(fā)現(xiàn)以來被不斷嘗試作為新一代藥物載體應(yīng)用于靶向載藥領(lǐng)域。石墨烯量子點(diǎn)在具備上述優(yōu)勢的同

2、時，更兼?zhèn)淞耸┐蟊缺砻娣e，優(yōu)異的機(jī)械可延展性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性等特點(diǎn)有望取代現(xiàn)有的熒光材料，廣泛應(yīng)用于電化學(xué)生物傳感、生物成像和靶向載藥等領(lǐng)域。目前，針對石墨烯量子點(diǎn)的研究尚處于起步階段，普遍存在制備過程復(fù)雜、產(chǎn)物發(fā)光性能差、量子產(chǎn)率低等問題。在生物應(yīng)用方面，國內(nèi)外學(xué)者也開展了大量的研究，成功使石墨烯量子點(diǎn)滲入細(xì)胞質(zhì)中，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的細(xì)胞質(zhì)標(biāo)記并成功搭載藥物進(jìn)入細(xì)胞。但對于抗腫瘤藥物而言，其作用原理大部分是通過干擾腫瘤

3、細(xì)胞細(xì)胞核內(nèi)遺傳物質(zhì)DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，來影響細(xì)胞活性的。因此，發(fā)展一種具有細(xì)胞核靶向性能的藥物載體對提高抗腫瘤藥物的療效及降低藥物副作用有深遠(yuǎn)的意義。
　　本文提出了一種簡單的溶劑熱法，分別制備出分解的聚乙烯亞胺（PEI）、石墨烯量子點(diǎn)和PEI功能化石墨烯量子點(diǎn)（GQDs-PEI），對其形貌、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能進(jìn)行了表征和討論，并進(jìn)一步將其應(yīng)用于體外細(xì)胞成像及構(gòu)建細(xì)胞核靶向載藥系統(tǒng)。
　　主要研究結(jié)果如下：
　　1.采用

4、乙醇為溶劑，支鏈聚乙烯亞胺為原材料，在密閉的高溫高壓條件下一步法制備了具有自發(fā)綠色熒光的分解后的PEI量子點(diǎn)（D-PEI）。形貌及結(jié)構(gòu)表征結(jié)果顯示：D-PEI呈點(diǎn)狀分布，且顆粒均勻，保留了PEI大部分的結(jié)構(gòu)特征。光學(xué)性能測試表明，D-PEI具有良好的自發(fā)熒光性能，最大發(fā)射波長518 nm，在紫外光照射下可發(fā)出明亮的綠色熒光。測試結(jié)果表明，其在350 nm波長激發(fā)光下平均量子產(chǎn)率可達(dá)到8.66％，平均熒光壽命為6.86 ns。
　　

5、2.采用便捷的溶劑熱法制備了超小尺寸的 PEI功能化石墨烯量子點(diǎn)（GQDs-PEI）和未修飾的石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）。通過一步反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯片層的自上而下裁剪、還原和功能化。通過 TEM、FT-IR和 XRD等測試方法對其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：所制備的GQDs粒徑在3-7 nm之間，在紫外光照射下發(fā)出藍(lán)色熒光；與同樣方法制備的GQDs相比，PEI功能化后的GQDs-PEI粒徑分布更為細(xì)小均勻在1-3 nm之間，平均粒

6、徑為1.66 nm。光學(xué)測試結(jié)果表明，PEI修飾大大提高了石墨烯量子點(diǎn)的光學(xué)性能，在相同激發(fā)波長下熒光發(fā)射譜紅移，最大量子產(chǎn)率可達(dá)到53.0%。進(jìn)一步的，對溶劑熱反應(yīng)制備 GQDs-PEI的制備條件進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，討論了不同反應(yīng)時間、制備溫度以及反應(yīng)前混懸液pH值對產(chǎn)物熒光性能的影響。測試結(jié)果顯示，增長反應(yīng)時間，提高反應(yīng)溫度以及堿性環(huán)境均能促進(jìn)GQDs-PEI的生成；綜合考慮，當(dāng)混懸液pH值為12時，在反應(yīng)釜中經(jīng)過200℃高溫反應(yīng)20

7、 h，所制備的功能化石墨烯量子點(diǎn)能取得良好的光致發(fā)光性能，同時達(dá)到較高的量子產(chǎn)率。
　　3.考察了所制備的 GQDs-PEI和 GQDs的細(xì)胞毒性和體外細(xì)胞攝入情況，初步探索了其作為熒光探針應(yīng)用于生物成像領(lǐng)域的可能。通過 MTT實(shí)驗(yàn)，分別測試了GQDs-PEI和GQDs對MG-63細(xì)胞活性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與GQDs相比，PEI功能化有效降低了石墨烯量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性；當(dāng)MG-63細(xì)胞在100μg/mL的GQDs-PEI樣品中培

8、養(yǎng)48 h后，其細(xì)胞活性仍能夠保持在80%以上。此外，體外細(xì)胞培養(yǎng)表明：MG-63細(xì)胞在100μg/mL的GQDs-PEI和GQDs樣品中培養(yǎng)6 h后，細(xì)胞生長狀態(tài)良好且細(xì)胞核清晰可見；溶劑熱法制備的GQDs可成功進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，并在405 nm激發(fā)波長下發(fā)藍(lán)色熒光；而基于PEI良好的膜穿透性，功能化后的GQDs-PEI則主要集中在細(xì)胞核中，發(fā)出更為明亮的熒光，使其有可能作為細(xì)胞核探針在疾病診斷和靶向治療等領(lǐng)域獲得更為廣泛的應(yīng)用。進(jìn)一步的

9、，通過細(xì)胞核共定位試驗(yàn)驗(yàn)證了GQDs-PEI的細(xì)胞核標(biāo)記能力。
　　4.分別以所制備的D-PEI和GQDs-PEI為載體，通過搭載抗腫瘤模型藥物阿霉素DOX，構(gòu)建了D-PEI/DOX和GQDs-PEI/DOX靶向載藥體系。藥物搭載及緩釋實(shí)驗(yàn)表明，兩種載藥系統(tǒng)載藥量均達(dá)到2.0 mg/mg以上，并能夠?qū)崿F(xiàn)良好的藥物緩釋性能；交聯(lián)石墨烯量子點(diǎn)后的載藥系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更高的載藥量，且緩釋性能進(jìn)一步提高。體外細(xì)胞攝入實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與單獨(dú)藥物DO