普鲁士蓝纳米原料的医学治疗应用研究

第 1 章 绪 论

生物传感器的生物医学应用满足了现代医学诊断快速发展的需求，生物传感器用于医学诊断具有很多优势[30]。首先，生物分子跟其靶物质具有很高的亲和性，例如抗体可高效捕获抗原，其离解常数通常可小至纳摩尔级，灵敏度极高。其次，生物识别反应的特异性极高，例如酶和其底物间的关系犹如锁和钥匙间的关系，从而使生物传感器具有较高的选择性。现代电子工业发展飞速，较易开发出价格便宜、现成即用的便携式传感器设备[28]。这些生物传感器将会提高医院检测病原体或进行基因分析的能力，最重要的是生物传感器十分适用于临床现场即时诊断，而且操作简易，操作人员一般不需要经过专门培训，也不需要掌握一定的专业知识。因此生物传感器相对更容易普及，更容易被大众所接受[19, 27]。 生物传感器的种类按照生物识别部分进行分类，可分为酶生物传感器和免疫生物传感器等，其中酶生物传感器是研究最多的一类。生物传感器也可按照换能器部分进行分类，其中电化学传感器是一类应用最为广泛的传感器[28, 31]。这类传感器便携化的潜力最大，已商品化的生物医用生物传感器几乎都是电化学生物传感器。

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第 2 章 实验材料与方法

2.1实验材料、试剂与仪器

其它常规材料和试剂均为国产分析纯，使用前未经进一步处理。实验所用水均为去离子水（18.2 MΩ•cm），是由 Milli-Q 系统制得。电化学测定所用电解液为含 0.1 mol/L Cl 的磷酸盐缓冲液（0.05 mol/L，pH=6.5）。重氮树脂参照文献报道的方法合成[53]。

扫描电子显微镜 Quanta 200 FEG 荷兰飞利浦公司

透射电子显微镜 Tecnai G2 20 TWIN 荷兰飞利浦公司

傅里叶变换红外光谱仪 Excalibur 美国瓦里安公司

玻碳电极 GCE 3 cm 天津艾达恒晟科技发展有限公司

电化学工作站 PARSTAT 2273 美国普林斯顿公司

荧光倒置显微镜 Olympus IX 日本奥林巴斯公司

离心机 SIGMA 2-16P 德国西格玛公司

真空干燥机 DZF-6020 上海新苗医疗器械制造有限公司

超声波清洗仪 Q-50DE 昆山市超声仪器有限公司

酶标仪 BIO-680 美国伯乐公司 磁强计 7307 美国湖岸公司

超纯水仪 MILLIPORE 美国 Milli-Q 公司

808 nm 激光器 T808D2W 西安铭辉光电科技公司

电感耦合等离子体原子发射光谱仪 Optima 5300DV 美国珀金-埃尔默公司

飞利浦 3T 整体核磁共振成像扫描仪 PHILIPS-14B464A 荷兰飞利浦医疗公司

2.2生物敏感膜及修饰电极的制备

实验首先参照文献制备了普鲁士蓝修饰多壁碳纳米管复合材料（PB-MWNTs）[106]，其制备步骤如下：将 0.010 g 羧基化多壁碳纳米管（MWNTs）超声 30 min 分散于含有 0.20 g FeCl3 • 6H2O、0.26 g 3[Fe(CN)6]和 1.1 g Cl 的100 mL 水溶液中，将其 pH 值用 0.1 mol/L HCl 溶液调至 1.5。上述混合溶液于室温条件下搅拌 12 h，然后用 450 nm 的聚碳酸脂膜过滤、洗涤并收集PB-MWNTs，最后将 PB-MWNTs 置真空干燥箱中于 50 ℃条件下干燥 12 h 备用。 电极修饰前，依次用平均粒径为0.3和0.05 μm的氧化铝粉末打磨电极表面，然后将电极分别置去离子水和无水乙醇中超声 10 min，最后置室温下干燥。 称取一定量的普鲁士蓝沉积碳纳米管复合材料，超声15 min将其分散于0.5 mL 0.25%的壳聚糖溶液中。然后在上述溶液中加入 80 μL 异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷（ICPTES），并将该混合溶液剧烈搅拌 4 h。搅拌 4 h 后进一步添加一定量的葡萄糖氧化酶（GOx），并在 4 ℃条件下缓慢搅拌 1.5 h。

第 3 章 普鲁士蓝作为溶胶-凝胶生物传感媒介用于医学诊断的研究 .............. 33

3.1 引言 .................. 33

3.2 生物敏感膜的制备 ................. 33

3.3 生物敏感膜的表征 ......................35

第 4 章 普鲁士蓝结合同位光交联用于高灵敏生物传感诊断的研究 ................ 53

4.1 引言 ........................ 53

4.2 光交联自组装敏感膜修饰电极的构建 ...................... 53

4.3 光交联自组装生物敏感膜的表征 ............................... 55

第 5 章 普鲁士蓝作为新一代光热转换剂用于医学治疗的研究 ........................ 71

5.1 引言 .......................... 71

5.2 普鲁士蓝纳米粒子和金纳米棒的制备 .................. 71

第 6 章 集诊断和治疗于一体的普鲁士蓝纳米诊治剂的研究

6.1引言

普鲁士蓝纳米材料具有优良的电催化性能，它能够高效催化 H2O2的还原，而且这种催化作用即使在干扰物质存在的情况下仍具有很高的特异性，因此普鲁士蓝常被称为人工过氧化物酶;，并被广泛用于生物传感器的构建[15, 106, 114]。碳纳米管具有 sp2杂化的碳骨架结构，因此它具有优良的金属、半导体以及超导电子传导性，在生物传感器领域也备受关注[41]。 本章实验针对上述问题，以血糖电化学生物传感器为医学诊断的經典研究模型，构建了一种血糖生物传感器模型。基于敏感膜中普鲁士蓝对酶反应所产生 H2O2的高效催化作用，该传感器可用于检测血糖浓度。将 3-异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷（ICPTES）同时作为葡萄糖氧化酶（GOx）和壳聚糖（CS）的共价偶联剂以及溶胶-凝胶前驱体，通过共价键牢固固定酶的同时还为其提供一个生物相容的微环境。同时将普鲁士蓝沉积的碳纳米管掺杂到该溶胶-凝胶中作为电化学媒介体，以提高其电子传导性及低电位检测性能。该血糖生物传感器模型可为其它同类医学诊断用生物传感器的构建搭建一个平台。

6.2磁性普鲁士蓝纳米粒子的制备

实验将一定量的异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷、壳聚糖和普鲁士蓝沉积碳纳米管复合材料混合并在室温条件下剧烈搅拌 4 h，在搅拌过程中，异氰酸酯基然后将一定量的溶胶和葡萄糖氧化酶在 4 ℃条件下混合并缓慢搅拌 1.5 h，在搅拌过程中，异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷中的异氰酸酯基在水环境就容易和葡萄糖氧化酶上非必须氨基酸残基（赖氨酸）上的氨基发生偶联反应。然后将该复合溶胶滴涂至玻碳（GCE）电极表面，最终制备了普鲁士蓝-碳纳米管-壳聚糖-SiO2溶胶-凝胶生物敏感膜修饰电极（PB-MWNTs-GOx-CS-SiO2-GCE）。

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结论

为进一步实现基于普鲁士蓝纳米材料的靶向诊疗一体化，课题以超顺磁性 Fe3O4纳米粒子为核，在其表面生长一层 5 nm 左右的普鲁士蓝纳米壳。由于其与众不同的核壳结构，该核壳纳米粒子具有很好的近红外光热效应。体外细胞实验表明，该纳米粒子可通过其磁靶向作用显著增强人宫颈癌细胞的光热切除效果。同时该纳米粒子还具有很好的核磁共振 T2 加权成像效果，其横向弛豫值为 58.9/(s•mmol/L)。因此和磁靶向光热治疗于一体的多功能磁靶向纳米诊疗剂，具备了靶向诊疗一体化在癌症治疗中的突出优越性。 由于普鲁士蓝的生物安全性可靠，且制备简易、价格便宜。本课题研究的基于普鲁士蓝纳米材料的生物传感器模型、光热剂和磁靶向纳米诊疗剂有潜力在疾病的现场即时诊断和癌症治疗中发挥重要作用，有望解决其它多数纳米材料生物安全性得不到保障且价格昂贵、制备复杂的生物医学难题，其研究和应用前景巨大。普鲁士蓝纳米材料将为医学诊断和治疗开辟了一类更加安全高效的材料，从而推动基于纳米材料的医学诊断和治疗的发展。

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参考文献（略）