【《碳点基复合材料的生物医学应用概述》3100字】

碳点基复合材料的生物医学应用概述目录TOC\o"1-3"\h\u13106碳点基复合材料的生物医学应用概述 197421.1碳点基复合材料在成像中的应用 1301311.2碳点基复合材料在药物递送中的应用 2228551.3碳点基复合材料在光热治疗中的应用 254861.4碳点基复合材料在光动力治疗中的应用 4在过去的几年中，研究者们已经制备了具有优异性能的功能纳米材料。在这些材料中，由于其优异的发光性能、较强的亲水性、良好的生物相容性和丰富的表面基团，CDs在各个领域得到了广泛的应用。为了进一步增强其性能，许多功能性纳米材料与CDs集成在一起以形成基于CDs的纳米复合材料。因此，CDs与这些纳米材料的杂化是开发新型复合纳米材料的可靠策略。1.1碳点基复合材料在成像中的应用CDs由于具有优异的发光性能，良好的生物相容性和无毒性的特点，近年来广泛被用于细胞和细菌等生物成像的探针。Liang等人合成了核壳结构的CDs@Ag纳米复合材料。他们首先采用了一锅水热法合成了具有高荧光发射的CDs。再通过原位化学反应合成了CDs@Ag纳米复合材料，CDs的荧光被银壳淬灭。随着O2•-的产生，O2•-可以有效地蚀刻银壳，从而释放出CDs，导致CDs的荧光恢复，CDs@AgNCs可在细胞内对O2•-进行荧光成像[30]\o"Liang,2020#404"。\o"Liu,2012#405"Fang等人使用L-精氨酸和硝酸银作为原料合成了带正电荷的CDs/Ag复合纳米材料。与CDs相比，CDs/Ag复合纳米材料的荧光发生了红移，有利于获取更深层次组织的生物成像。此外，CDs/Ag复合纳米材料不仅对大肠杆菌可以进行荧光成像，也显示出比CDs强得多的杀菌能力[31]\o"Fang,2019#406"。Yang等人设计了一种新型的靶向细胞核的成像CDs，CDs和核定位信号（NLS）肽共轭合成了NLS-CDs，NLS-CDs可在A549和MCF7细胞中进行细胞内定位并用作细胞核的成像探针[32]\o"Yang,2015#407"。与短寿命荧光探针相比，磷光探针具有时间长、信号持久的优点，这使得人们可以排除自身荧光的干扰。所以，开发在水溶液中具有超长磷光寿命的室温磷光（RTP）探针是非常有必要的。Li等人通过原硅酸四乙酯水解和缩合，将CDs嵌入到三维SiO2网络中，成功合成了超长RTP材料（CDs@SiO2），该材料无毒，容易穿过植物和动物组织中的细胞壁，并对植物组织和动物细胞进行磷光成像[33]\o"Li,2019#386"。Liu等人采用一锅溶胶-凝胶法，在不添加重原子和去除溶解氧的情况下，从固态和水溶液状态的CDs修饰的非晶态二氧化硅（CDs-SiO2）中实现了RTP和热活化延迟荧光（TADF）。所制备的CDs-SiO2具有很强的余辉和超长寿命。引入无机SiO2后，CDs的磷光显示出极大的增强，并触发了TADF的形成。CDs-SiO2的溶液可以在癌细胞中进行成像[34]\o"He,2020#376"。Liang等人通过将CDs限制在二氧化硅包封层中制备了水溶性磷光CDs（WSP-CND@SiO2），磷光寿命和量子产率（QY）可以分别达到1.86秒和11.6%，并显示出了高的稳定性，良好的生物相容性，对于余辉生物成像是非常有利的[35]\o"Liang,2020#391"。1.2碳点基复合材料在药物递送中的应用近年来，随着纳米技术在生物医学领域的飞速发展，有机或无机纳米载体材料受到了广泛的关注，特别是具有优异的生物相容性，良好的表面活性和稳定性的CDs有希望成为药物输送的载体。CDs表面存在大量的官能团，例如-NH2，-OH或-COOH，因此，CDs可以通过超分子共组装或共价偶联的方式递送不同功能的治疗剂，用于多种模式的肿瘤治疗如化学疗法、光动力疗法和光热疗法等。Zheng等人用琥珀酸酐改性奥沙利铂合成了Oxa-COOH。Oxa-COOH可与CDs的表面的氨基偶联，制备CDs-Oxa纳米药物，实现肿瘤的诊断和治疗的一体化[21]。随后，Sun等人将CDs与DOX通过π-π堆积和静电相互作用成功地制备了CDs-Dox超分子纳米材料，CDs-Dox表现出pH依赖的药物释放行为，可用于细胞内的药物递送[17]。Zhang等人以绿色荧光蛋白（EGFP）和人血清白蛋白为模型蛋白，实现了蛋白的高效胞内递送。与游离蛋白质相比，该递送系统可以保护蛋白质免受酶促水解，并有效地将蛋白递送到细胞中[13]。Kong等人制备了CDs-DOX药物输送系统，CDs-DOX显示出较高的载药量和良好的药物释放。体外实验结果表明，与游离的DOX相比，CDs-DOX复合物具有更高的细胞摄取能力和对癌细胞更有效的抑制能力[36]。Wang等人用聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和壳聚糖包封CDs，形成PEG-壳聚糖@CDs杂化纳米凝胶，随后将DOX装载到PEG-壳聚糖@CDs中。PEG-壳聚糖@CDs杂化纳米凝胶具有近红外荧光成像和PH响应的药物释放能力[37]。Tang等人通过表面偶联的策略，合成了基于Förster共振能量转移（FRET）的药物输送系统（FRET-CDs-DDS），FRET-CDs-DDS对癌细胞具有优异的靶向递送和药物释放效率[28]。1.3碳点基复合材料在光热治疗中的应用光热疗法（PTT）是另一种有效杀死肿瘤的策略，PTT作为一种无创治疗技术，近年来因其在肿瘤破坏中的高效性和特异性而得到广泛研究。PTT可以将肿瘤组织和细胞中吸收的近红外光转化为热，从而消融肿瘤。CDs与光热试剂的复合也可作为优异的光热治疗剂。Feng等人设计和合成了一种协同抗癌系统，该系统利用空心结构的CuS/CDs纳米复合材料作为多功能药物载体，装载蛋白酶体抑制剂的CuSCD表面被T7肽杂交的巨噬细胞膜包被制备了CuSCDB@MMT7，CuSCDB@MMT7显示出对癌细胞的靶向特异性，用808nm激光照射后显著抑制了肿瘤细胞的生长和转移。（图1-6）[38]。图1-6蛋白酶体抑制剂封装的CuS/CDs纳米复合材料的制备原理图Nandi等人将WS2纳米棒（NRs）共价连接到CDs上制备了WS2-CDsNRs，其中CDs提供了荧光成像的功能，而WS2则具有NIR光热性能[39]。Jia等人通过在金纳米棒和CDs之间引入了SiO2薄层，制备了一种金纳米棒@二氧化硅碳点（GNR@SiO2-CDs）。在GNR@SiO2-CDs中，GNR既可以充当PA成像剂又可以充当PTT剂，而CDs充当荧光成像剂和PDT剂。与单纯的PDT或PTT低剂量激光照射（0.5W/cm2）相比，PDT和PTT联合治疗能更有效地杀死癌细胞[40]。Shen小组使用NIR-II响应的CDs和黑磷（BP）纳米片成功构建了杂化光热剂NIR-II-CDs/BP。与BP纳米片相比，NIR-II-CDs/BP具有增强的化学稳定性和光热性能并表现出显著增强的光热转化效率和抗肿瘤性能[41]。随后又通过静电相互作用将带正电的CDs与带负电的WS2纳米片组装，成功地得到了双功能的CDs/WS2异质结。CDs/WS2异质结表现出优异的深层组织光热消融骨肉瘤的效果，可以通过局部光热疗法实现骨肿瘤的完全消除而无复发，在癌症治疗和骨组织中显示出巨大的应用潜力[42]。Gedda等人使用微波辅助方法制备了Gd@CDs，随后，向Gd@CDs中加入氯金酸制备了Au/GdC纳米复合材料。Au/GdC表现出近红外吸收，顺磁性和出色的光稳定性。此外，由于Au/GdC纳米复合材料具有缩短T1弛豫时间的能力，因此其显示出显著的T1MRI增强。NIR激光照射后，使用HeLa细胞在体外证实了Au/GdC纳米复合材料的光热治疗性能[43]。Li等人制备了叶酸官能化的CDs（FA-CDs），通过π-π堆叠相互作用，将IR780担载到FA-CDs，制备IR780/FA-CDs复合物。IR780/FA-CDs可将IR780的水溶性提高2400倍以上。由于具有光稳定性，肿瘤靶向能力和高光热转换效率（87.9%）的特点，IR780/FA-CDs在808nm激光照射下，能够产生足够的热能，有效杀死癌细胞并根除肿瘤[44]。1.4碳点基复合材料在光动力治疗中的应用光动力疗法（PDT）作为一种微创治疗方法，具有耐药性低、对边缘组织损伤小、副作用小等优点。在光的照射下，光敏剂会产生细胞毒性的活性氧（ROS）来破坏肿瘤细胞。我们通过CDs和BODIPY进行组装，制备了具有高分散性和稳定性的CDs-BODIPY纳米粒（CBNPs）。CBNPs不仅提高了BODIPY的水溶性，而且CDs可以作为供体，BODIPY为受体，通过荧光共振能量转移（FRET）效应增强PDT的效率[16]。通过将绿色发光的CDs与二氢卟酚e6（Ce6）结合在一起，可以形成纳米药物[45,46]。Ce6作为典型的光敏剂，在光照射下会产生ROS，而在绿光激发下会发出红光。在此类复合物中，通过FRET效应增强Ce6的荧光，有利于NIR生物成像。另一方面，CDs可以增强渗透性和保留效应（EPR），从而提高肿瘤治疗效率。Yang等人制备了一种CDs改性的锐钛矿型TiO2纳米管（CDs/TiO2NTs）。使用近红外光照射时CDs/TiO2NTs会产生超氧阴离子，羟基自由基和单线态氧。体内、外实验证实CDs/TiO2NTs具有优异的光动力性能[47]。CDs光动力试剂还可作为还原剂与KMnO4反应。然后将所得产物用PEG修饰以形成CDs/MnO2-PEG纳米杂化物。在正常的生理环境（pH=7.4）下，CDs/MnO2-PEG表现出淬灭的荧光，弱的1O2生成能力和较低的MRI信号。将H2O2引入后，通过MnO2的分解可以恢复/增强C