哈工大李保強副教授：基于納米碳點實時無創可視化監測生物材料體內降解研究取得突破

【成果簡介】

哈工大材料學院周玉院士團隊骨干成員李保強副教授在基于納米碳點（CNDs）實時無創可視化監測生物材料體內降解方面取得重要進展，研究成果以“Visual in vivo Degradation of Injectable Hydrogel by Real-time and Non-invasive Tracking Using Carbon Nanodots as Fluorescent Indicator”為題發表在國際生物材料領域的權威期刊Biomaterials上（影響因子8.40，DOI：10.1016/j.biomaterials.2017.08.039），為實時無創可視化監測生物材料體內降解提供了新型熒光探針。論文第一作者為2013級博士生王磊，李保強副教授為唯一通訊作者，哈工大為第一署名單位。

【圖文導讀】

圖1. CNDs的表征和體外細胞毒性

A. CNDs的TEM圖像(平均直徑= 5.1±1.2 nm)和高倍率HR-TEM圖片；插圖為快速傅里葉變換衍射模式；以及在硅基片上的CNDs的AFM圖像；

B. CNDs稀釋懸濁液的紫外可見吸收光譜。左側插圖為CNDs懸濁液在日光下的照片，右側插圖為CNDs懸濁液在波長為365 nm的紫外線下的照片；

C. CNDs的激勵依賴光致發光光譜。當激勵波長從300nm增加到460nm 時，PL發射波長轉換為更長的波長(430-580nm)。當使用375nm的激勵波長時，最長的發射波長是450nm；

D. 在不同濃度的CNDs中孕育24、36和48小時后，NIH/3T3細胞的細胞活力。由MTT比色法測定。在不同濃度的CNDs中的細胞都有90%以上的細胞活力；

E. 用CNDs處理過的NIH / 3T3細胞的熒光區和亮區的合成圖像；

圖2. CNDs的體內毒性評估

A. 各種器官(包括肝、脾、腎、心、肺)在第1天和第14天的熒光成像。用生理鹽水(無CNDs)處理的小鼠為對照組；

B. 各種器官(包括肝、脾、腎、心、肺)的熒光強度的量化；

C. 在第1天和第14天注射CNDs溶液(劑量23 mg/ kg)的小鼠的H&E染色組織切片(肝、脾、腎、心、肺) ；

圖3. CNDs作為CNDs雜化水凝膠的可視化熒光指示劑

A. CNDs雜化水凝膠與CNDs濃度的定量熒光強度對比圖。插圖為不同CNDs濃度水凝膠的熒光偽彩色圖像；

B. 同心環圖形(左)和凸面體圖形(右) 的CNDs雜化微凝膠的熒光圖像，在不同激勵波長(460 ~ 490nm和540 ~ 560 nm)下分別顯示綠色和紅色熒光；

C. CNDs雜化水凝膠的光漂白實驗。每隔5分鐘拍攝的CNDs雜化水凝膠的光漂白和暴露于100W氙激發源時的FITC雜化水凝膠的熒光偽彩色圖像；

D. 選擇一個特定的區域(ROI)進行熒光強度定量計算。CNDs作為熒光指示劑，比熒光染料(如FITC和RhB)更耐光，而且更適合體內可視化研究；

E. CNDs雜化水凝膠的共焦顯微鏡圖像：典型的x - z平面圖，典型的x - y平面圖和不同深度的熒光強度剖面。用568nm的激光激勵紅色區域，然后用605nm的帶通濾波器過濾激勵波長。

【研究內容】

基于熒光法可視化監測水凝膠體內降解是實時無創定量表征水凝膠降解的重要手段。然而，現有的熒光指示降解方法存在局限性，如有機熒光探針的光漂白和因熒光基團引入導致干擾高分子的降解行為。為了解決以上問題，李保強副教授等人合成并利用低光漂白、發射紅光和良好生物相容性的納米碳點為熒光指示劑，實現了實時無創監測可注射水凝膠的體內與體外降解，系統評價了納米碳點的生物相容性，建立了實時無創可視化定量評價水凝膠降解的數學模型。體外與體內毒性測試表明納米碳點對細胞和周圍組織無毒，并具有良好生物相容性。當凝膠不降解時，包埋在水凝膠的納米碳點不會釋放；當凝膠降解時，基于重量法和基于納米碳點的熒光可視化法呈現相似降解動力學曲線，并建立了定量表征水凝膠體外降解的數學模型以便于預測水凝膠的體內降解行為，最終實現了實時無創可視化定量表征生物材料體內降解。基于納米碳點實時無創可視化監測生物材料降解方法為組織工程中的生物材料可控降解和便捷篩選體內降解提供了新的研究方法。

原文鏈接：http://news.hit.edu.cn/cd/b9/c416a183737/page.htm

文獻鏈接：Visual in vivo Degradation of Injectable Hydrogel by Real-time and Non-invasive Tracking Using Carbon Nanodots as Fluorescent Indicator（Biomaterials，2017，DOI：10.1016/j.biomaterials.2017.08.039）

本文由材料人編輯部孟令曉編輯，點我加入材料人編輯部。

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