摘要
光动力疗法相对于传统的癌症治疗方法，具有靶向性好、创伤性小、有效、副作用小、可协同性、相对低成本等优势，成为了该领域的研究热点。在以近红外光为光源的肿瘤光动力治疗中，上转换纳米粒子由于能够将具有更大组织穿透深度的近红外光转换成能够被传统光敏剂吸收的短波光而被广泛应用。 上转换荧光纳米材料作为光转换器和光敏剂药物的载体，解决了肿瘤治疗深度不够、理想光敏剂选择性低等一系列问题。光动力法的疗效主要依赖于活性氧（ROS）的数量，而ROS是环境氧和光敏剂药物在近红外光的激发下吸收上转换发射能量，进而发生光敏反应而产生的，所以提高光动力治疗效率可以通过提高上转换纳米材料的荧光强度和肿瘤组织氧含量来实现。然而由于肿瘤微环境本身是一个乏氧环境，而且在治疗过程中，氧被不断消耗，这对光动力治疗来说无疑是雪上加霜。本论文以Gd2O3为基质，通过碱金属、过渡金属等离子和稀土离子的共掺杂来实现Gd2O3上转换纳米材料荧光强度的提高，更重要的是，巧妙地将Mn2+引入Gd2O3基质中，提高了上转换荧光性能，并赋予上转换纳米颗粒产氧的能力，进一步解决了由于光动力治疗过程中的耗氧和乏氧微环境引起的临床应用受限的问题。 本文针对如何提高上转换纳米材料的发光强度、改善肿瘤的乏氧微环境从而有效提高肿瘤光动力的治疗效果进行了一系列的研究，主要研究成果如下： 1、上转换纳米材料Gd2O3∶Yb,Tm,Li和Gd2O3∶Yb,Tm,Zn的制备、荧光性能、及在肿瘤光动力治疗中的应用研究。 （1）首先以Gd2O3为基质，分别选择Li+和Zn2+作为Gd2O3上转换纳米粒子中Yb3+、Tm3+的共掺杂剂，通过水热法制备了相应的前驱体，经900℃高温煅烧制得Gd2O3∶Yb,Tm,Li和Gd2O3∶Yb,Tm,Zn两种上转换荧光纳米粒子。在980nm激光激发下，两种材料均主要发射蓝色荧光。而且，Li和Zn离子的适量掺杂均使得Gd2O3纳米粒子的上转换荧光强度得到了提高，Li和Zn的最佳掺杂量分别为15mol%和10mol%，其在488nm处的荧光强度分别为无Li+和Zn2+掺杂时的9.09倍和2.97倍。 （2）利用人宫颈癌细胞系（HeLa细胞系）对这两种材料的细胞毒性进行了评价，结果表明，当材料浓度不高于500μg/mL-1时，细胞的存活率均能达到85%以上，说明细胞毒性很低。在Gd2O3∶Yb,Tm,Zn介导的光动力治疗中，选用吸收峰和上转换发射峰高度匹配的光敏剂部花青540（MC540）作为治疗药物，负载于Gd2O3∶Yb,Tm,Zn纳米粒子上，进行肿瘤光动力治疗的研究。实验结果表明，荧光强度更高的Gd2O3∶Yb,Tm,Zn上转换纳米材料能够获得更有效的癌细胞杀伤效果。另外，随着光动力治疗后时间从2小时延长到12小时，HeLa细胞的存活率从67%下降到49%。 2、自产氧Gd2O3∶Yb,Er,Mn上转换纳米材料的制备、性能以及在肿瘤光动力治疗中的应用研究。 （1）同样以Gd2O3为基质，通过Mn离子与Yb3+和Er3+的共掺杂，设计合成了一种单一组分的上转换-催化双功能Gd2O3∶Yb,Er,Mn上转换纳米材料。在980nm激光的激发下，Gd2O3∶Yb,Er,Mn上转换发光纳米粒子在540nm和663nm处分别发射出绿色和红色荧光，归属于Er3+的4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2跃迁。Mn离子的适量掺杂使得Gd2O3纳米粒子的上转换荧光强度得到了提高，其中Mn的最佳掺杂量为0.15mol%，绿色和红色荧光强度均达到最强，分别为无Mn离子掺杂的5.83倍和2.03倍。另外，随着Mn离子掺杂比例由0.1mol%增加至0.9mol%，红绿荧光强度比由0.41逐渐提高到2.53。 （2）在pH为5.6~7.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中，研究了Gd2O3∶Yb,Er,Mn上转换纳米材料加速H2O2分解产氧的催化活性，结果表明其在酸性环境下表现出催化H2O2产氧的能力，随着pH值从7.0降低到5.6，H2O2产氧的速度逐渐升高；并且Mn掺杂量越高，Gd2O3∶Yb,Er,Mn催化能力越强。 （3）通过MTT法和体外溶血实验分别研究了材料的细胞毒性和血液相容性，验证了良好的生物相容性。利用HeLa细胞对材料的细胞毒性进行了评价，结果表明，当材料浓度不高于100μg/mL时，细胞的存活率均能达到85%以上，说明细胞毒性很低。 （4）以吸收Gd2O3∶Yb,Er,Mn上转换荧光的亚甲基蓝（MB）作为光敏剂，以HeLa细胞为癌细胞模型，研究了Gd2O3∶Yb,Er,Mn的体外光动力治疗效果。结果表明，通过外加安全剂量的外源性H2O2，采用Gd2O3∶Yb,Er,Mn代替Gd2O3∶Yb,Er上转换纳米材料，能够将癌细胞的死亡率提高2.35倍，细胞内的ROS水平显著提升，线粒体膜电位明显下降，亚细胞结构研究结果表明，细胞凋亡后继发性坏死是该光动力治疗过程中HeLa细胞的主要死亡方式。
NETL