非核壳Au-MnS纳米异质结构的可控合成与双模造影性质研究

Medical CT and MRI imaging methods have their superiority and deficiency respectly, which makes it important for improving diagnose to research CT/MRI dual-model contrast agents. Great efforts have been devoted to this study, however, most of them are focused on core/shell nanomaterials.This restrains the physical and chemical properties of core-materials. In this project, we designed Au nanoparticles growing on the tips of MnS nanorods to obtain a nanoheterostructure as a new dual-model contrast agent. Studying the heterogeneous-nucleation mechanism for the Au nanoparticles on the MnS nanorods, and establishing a facile and feasible synthesis route are also desired. Moreover, after a proper surface modification to improve their solubility in water, the CT value and MRI T1 relaxivity of this heterostructure are intended to be characterized to evaluate their properties in the dual model contrast agent for CT/MRI imaging. This nanoheterostructure consisting of Au nanoparticles and MnS nanorods has never been reported, and the research in their properties of bifuctional contrast agent for CT/MRI imaging is also the first. This project will promote the method and the theory of synthesis of nanoheterostructures, and contribute the nanoheterostructure for the potential use in bifunctional contrast agent for CT/MRI.

医学广泛使用的CT 与MRI成像各具优势又各有局限，因此研究可以同时满足CT与MRI检测的双模造影剂对于提高诊断效率具有重要的意义。虽然目前人们在这方面已经开展了一些研究，但是大多还集中在核壳结构纳米材料方面，这使得内核材料的物理、化学性质无法充分发挥。本课题提出合成Au 纳米颗粒在一维MnS 纳米棒两端结晶生长的非核壳异质结构作为新型双模造影剂，并探索Au 纳米粒子与MnS 纳米棒发生异相成核的形成条件和相关机理，建立简单易行的合成路线；同时对于样品进行适当的表面修饰以提高其在水中的溶解性，研究该纳米异质结构的MRI(T1)和CT 造影性能及作用机理。目前还没有文献报道这种由Au 纳米颗粒与MnS 纳米棒组成的纳米异质结构，该纳米异质结构用于CT/MRI 双功能纳米造影剂也尚属首次。本项目研究有助于丰富纳米异质结构合成的方法和理论，为研究新型非核壳双模纳米造影剂及其潜在应用提供理论依据。

随着医学影像发展的需求，高分辨、多模态、低毒性的医学成像剂对于重大疾病的诊断和治疗必不可少。纳米材料具有尺寸小、性能高度可控、方便加载治疗载体等优点，因此有希望成为下一代高性能的多模态生物医学成像剂。 本项目研究基于纳米异质结构的精准合成，研究纳米异质结构形成过程中的热力学和动力学基本问题，探讨材料精准合成的反应条件，从而制备出一系列的纳米异质材料。在此基础上，选择和优化纳米结构，利用复合纳米材料的特殊性能及其相互耦合左右，探索制备一系列具有多种模态功能的生物医学成像造影剂，并较为全面的评价其生物安全和治疗疗效。以金纳米颗粒和硫化锌纳米棒为模型，通过控制反应参数合成出不同位点的颗粒—纳米棒异质结构，研究了金属颗粒位点对于异质材料荧光成像的影响；以硫化锌纳米棒为模板，利用溶剂热方法首次合成出AuAg合金纳米颗粒与硫化银量子管的非核壳哑铃型异质结构，结构中硫化银的量子管的管壁厚度只有0.7纳米。同时我们对其红外吸收和发光进行了研究。此外，我们在相同的体系中，利用ZnS纳米棒为模板和离子交换技术，一步法制备出MnS/ZnS:Mn一维纳米异质结构，该结构具有优良的荧光和MRI成像性能，其T1弛豫率可以达到9.30 mM-1s-1，远大于目前的商用造影剂和大部分文献中同类造影剂的报道值。材料科学的发展日新月异，我们也在学习和不断尝试将其它不同种类的材料用于生物医学多功能成像中来。因此我们还研究了两种铁基金属有机框架材料的MRI造影性能，同时利用其表面丰富的氨基与氧化石墨烯相连接，制备出这种金属有机框架材料与二维石墨烯复合材料，成功将其使用在生物细胞和肿瘤活体中的MRI、光热成像及影像指导下的光热治疗。总之，在本项目的支持下我们超额完成了既定的研究目标，探索和得到了一系列具有生物医学多模态成像应用前景的纳米异质材料。这些工作对于纳米异质材料的精准合成具有理论意义和实践指导作用，同时对于新型医用造影剂的遴选和开发提供了实际的参考。