半导体基新型多功能磁靶向纳米光敏剂的光动力治疗研究

In this project, a new type of high efficiency and magnetic targeting photosensitizer will be fabricated on the basis of semiconductor oxide. And photodynamic killing cancer cells by this photosensitizer will be researched. On the one hand, the four layers core-shell structure multifunctional nano-photosensitizer will be fabricated (superparamagnetic iron oxide (Fe3O4 or γ-Fe2O3) as core, SiO2 as transitional layer, semiconductor oxide (TiO2 or ZnO) as shell, and noble metal (Au or Ag) will be deposited on outermost layer). Different shell thinckness of four layers core-shell structure photosensitizer will be synthesized by adjusting the proportion of materials. The effect of materials and shell thinckness on photosensitive activity of core-shell structure photosensitizer will be studied. In addition, the structure-effect relationship between microstructure and properties of core-shell structure nanometerials will be revealed. On the other hand, HeLa cancer cell will be employed as the research object to evaluate the magnetic targeting orientation and photocatalytic efficiency of killing cancer cells under UV or visible light irradiation. Furthermore, the mechanism of killing cancer cells by photodynamic therapy process will be revealed. Our research will pave a way for design multifunctional nanocomposites, and it will promote the application of semiconductor nanomaterials in biology and medicine technology. At the same time it will explore new photosensitizer with high activity for cure cancer by photodynamic therapy.

本课题以半导体氧化物为基础，制备一种新型高效、磁靶向光敏剂，并将其应用于光动力杀伤癌细胞研究。一方面，设计和制备一种新型多功能四层核壳结构纳米光敏剂，其中以超顺磁性氧化铁（Fe3O4或γ-Fe2O3）为核、SiO2为过渡层、半导体氧化物（TiO2或ZnO）为壳、再将贵金属（Au或Ag）沉积在最外层。通过调节物质的比例，制备出不同厚度的壳；研究物质类型和壳的厚度对材料磁性及光敏活性影响；揭示核壳结构材料微结构与性能之间的构效关系。另一方面，以人的宫颈癌细胞HeLa为研究对象，研究新型四层核壳结构光敏剂的磁靶向定位及紫外光/可见光下光动力杀伤癌细胞的效率，揭示光敏剂光动力杀伤癌细胞作用机制。该研究将为多功能纳米复合材料的设计提供新的思路，推进半导体纳米材料在生物、医学技术领域的应用，同时也为光动力学治疗癌症探索新型高效光敏剂。

近年来，半导体材料在光动力杀伤癌细胞方面的应用而引起了人们的关注。本项目设计合成了几种核壳结构磁靶向光敏剂（例如Fe3O4/SiO2/mTiO2、Fe3O4/SiO2/mTiO2-Au、Fe3O4/SiO2/ZnO-Ag、Fe3O4/SiO2/ZnO-Au、Fe3O4/SiO2/ZnO/ZnSe和Fe3O4/SiO2/ZnO/CdS等）。在这些四层核壳结构多功能光敏剂中，超顺磁性氧化铁（Fe3O4）纳米颗粒为核，SiO2为过渡层，半导体氧化物（TiO2或ZnO）为壳，最后将再将贵金属（Au或Ag）或半导体（CdS或ZnSe）沉积在TiO2或ZnO表面。通过SEM，TEM，XRD，XPS，BET，VSM及光电化学测试对这些光敏剂的形貌、组成、光学和磁学性能进行了表征。通过调节物质的比例，制备出了不同厚度的壳；研究物质类型和壳的厚度对材料磁性及光敏活性影响；揭示核壳结构材料微结构与性能之间的构效关系。通过研究这些样品在紫外光/可见光下光催化降解罗丹明B水溶液的实验表明，样品Fe3O4/SiO2/mTiO2-Au和样品Fe3O4/SiO2/ZnO/CdS具有较好的光催化活性。以正常人肝细胞7702和人肝癌细胞HepG2为研究对象，研究这两种光敏剂的生物相容性。实验结果表明，当光敏剂浓度低于62 μg/mL时，细胞状态正常或有少量死亡，即这两种光敏剂的生活相容性较好。另外，以人肝癌细胞HepG2为研究对象，研究这两种新型四层核壳结构光敏剂的紫外光/可见光下光动力杀伤癌细胞的效率。结果表明光敏剂浓度为12.5ug/ml时，在紫外灯的照射下可以产生非常显著地针对肝癌细胞的杀伤效果。该研究为多功能纳米复合材料的设计提供新的思路，推进半导体纳米材料在生物、医学技术领域的应用，同时也为光动力学治疗癌症探索新型高效光敏剂。