基于碳点的新型光热转换材料及其在肿瘤诊疗中的应用

As a new class of carbon nanomaterial with good biocompatibility, carbon dots (C-Dots) show a bright future in biological and medical fields. However, the C-Dots with photothermal properties is not reported so far. This project will mainly focus on the different C-Dots, which be prepared by using specially designed precursors. The relationships between the structure of C-Dots, absorption spectra, and photothermal conversion efficiency will be studied in detail. It is expected that some new phenomenon and mechanisms could be found in photothermal conversion process of C-Dots. The study will provide a way for guidance of design and preparation of photothermal conversion materials based on C-Dots. Furthermore, photothermal imaging diagnosis and therapy agents will be constructed by using C-Dots with near-infrared absorption and high photothermal conversion efficiency. The evaluation of C-Dots agents will provide theoretical and experimental support for the development of new methods for photothermal diagnosis and therapy.

作为一类具有优异生物相容性的新型碳纳米发光材料，碳点已在生物医学等领域展现出广阔的应用前景，然而迄今为止具有光热转换性能的碳点还未见报道。本项目拟以杂原子掺杂的碳点为核心，通过设计不同“功能前躯体”得到的不同类型的碳点光热转换材料，并详细研究碳点的结构与吸收光谱、光热转换效率的关系，从理论上深刻认识碳点光热转换材料呈现的新现象和新规律，为新型碳基光热转换材料的设计、制备和性能优化提供理论指导。在此基础上，利用兼具近红外吸收和高光热转换效率的碳点，构建新型光声成像和光热治疗一体化的新型材料体系，为发展肿瘤诊疗新方法提供理论和实验支持。

光疗包括光动力疗法和光热疗法，凭借其选择性好、毒副作用低、没有抗药性等优势而逐渐成为一种肿瘤的新型疗法。然而肿瘤组织因细胞快速增殖导致大量消耗营养成分和氧气，使得肿瘤部位呈现出缺氧的微环境，从而导致光敏剂到达肿瘤部位因氧气浓度降低而导致光动力效果减弱。光热治疗不仅是对光动力治疗的有益补充，而且光热试剂同时可以作为光声成像试剂用于肿瘤的高灵敏诊断。因此，在本项目执行期间我们按研究计划，通过设计不同“功能前躯体”制备了一系列碳点光热转换材料，并研究了其在肿瘤多模态成像和光疗中的的应用。此外在项目研究过程中，根据实际的研究结果，对研究计划做了适当调整，针对不同的聚合物“功能前躯体”、近红外有机小分子等发展了一系列新型高效光诊疗材料，并探索了其在光诊疗领域的应用。主要结果如下：（1）发展了基于碳点、聚合物、铁酞菁-白蛋白组装体、竹红菌组装体的新型光热材料（光热转换效率最高达68%），将其用于荷瘤小鼠的光热治疗、光热/光动力协同治疗，均取得了良好的效果；（2）针对肿瘤组织穿透问题制备了基于碳点、聚合物的双光子诊疗剂，显著提高了光疗的治疗深度（成像检测深度能达到2100 μm）；（3）针对肿瘤乏氧微环境，制备了能够自产氧的碳点光诊疗剂，大大提高了光动力治疗效果。