高效双光子荧光性能蚕丝支架的制备、发光机理及其生物成像应用

Two-photon fluorescence microscopy for biological imaging has several major advantages over current detection technologies, such as its intrinsic optical sectioning capability, little near-IR absorption from endogenous species and water, and large penetration depth, and it's very meaningful to bio-scaffold imaging. In this project, based on the theoretical calculations, two-photon fluorescence molecules with reaction activity were disigned and prepared,which will be modified onto the fibroin via esterification reaction, then a series of silk bio-scaffold with two-photon fluorescence property will be prepared by weave, freeze drying and electrostatic spinning technology,at last, bio-scaffold will be imaged by two-photon fluorescence microscope. It will be studied in details that the effects of two-photon absorption cross-section, fluorescence efficiency and dispersity on the modification method. It will be investigated that the effects of the contents of two-photon fluorescence molecules in silk fibroin on the mechanical properties and toxicity of the bio-scaffold. The mechanism of the fluorescence enhancement and dispersity will be revealed, which can provide theoretical basis for efficient two-photon fluorescence imaging of bio-scaffold. The results will provide a new method for the tissue engineering scaffold detection, lay the foundation of for scaffold material research.

双光子荧光显微成像技术相对于现有的成像检测技术具有很多优点，如内层截面光学检测能力，近红外光源很少被组织和水吸收，检测深度大，这对组织工程支架进行成像检测有重要意义。本项目在理论计算的基础上，设计合成了具有反应活性的双光子荧光分子，利用酯化反应将双光子荧光分子可控修饰到蚕丝蛋白上，采用编织法、冷冻干燥法和静电纺丝法构建系列具有双光子荧光的蚕丝生物支架，并实现蚕丝支架的双光子荧光成像检测。研究修饰方法对双光子荧光的吸收截面、发光效率和分散性的影响规律，并研究双光子荧光分子的含量对蚕丝的力学性能和毒性的影响，探讨双光子荧光分子在蚕丝蛋白中的荧光增强机理和分散机理，为蚕丝支架材料的高效双光子荧光成像提供了理论依据。项目的研究成果将为组织工程支架的检测提供新方法，为支架材料研究与开发奠定基础。

先进荧光成像技术相对于现有的成像检测技术具有很多优点，如内层截面光学检测能力，近红外光源很少被组织和水吸收，检测深度大，这对组织工程支架进行成像检测有重要意义。本项目设计合成了双光子荧光分子，纳米金簇和上转换纳米颗粒，通过对所合成荧光材料的修饰，实现荧光材料均匀分散在蚕丝蛋白上，采用编织法和冷冻干燥等方法构建系列具有特殊荧光性能的蚕丝生物支架，并实现蚕丝支架的无损伤实时荧光成像检测。冷冻干燥法制备三维多孔荧光丝素蛋白/金簇复合支架具有红色荧光，荧光量子产率可达18%，金簇的加入增加了支架β-折叠和结晶度。向丝素蛋白蚕丝支架上组装了稀土上转换纳米颗粒，首次制备了上转换功能化的蚕丝支架。利用金簇的荧光特性，丝素蛋白/金簇复合支架可实现体外支架成像，实时动态观察细胞在材料上的分布和生长情况。研究了上转换纳米颗粒的表面羟基修饰对生物支架的结构，光学，力学和生物性能的影响，发现表面包有PEG和SiO2的上转换纳米颗粒可以与丝素蛋白中的羰基产生相互作用，从而使蚕丝支架具备均匀、稳定的上转换荧光功能。增加体系中上转换纳米颗粒的含量，会使丝素蛋白的二级结构发生由β折叠向无规卷曲的转变，支架的力学性能也略有下降，这对应着体系中结晶度的降低。但上转换纳米颗粒对支架性能的整体影响不大，支架仍基本保持丝素蛋白的原有性能，具有良好的机械强度和生物相容性。在近红外光的激发下，可以实现对蚕丝支架材料实时、无损伤、高效的成像监测，这对支架材料的体内定位、追踪和检测具有重要价值。