荧光编码量子点纳米水凝胶的可控制备文献综述

 2022-11-03 09:11
  1. 文献综述（或调研报告）：

摘要：纳米材料功能化的纳米水凝胶被广泛用于生物分析与传感，成像分析与药物运输等领域。量子点作为一种优良的纳米光子学材料，具有优良的光学性质，电子学性质与化学性质。利用量子点的多色性和易组装性，量子点荧光编码的纳米水凝胶能够被容易的制备。通过受体的修饰，纳米水凝胶能够被开发为纳米传感器，实现生物样本中疾病标志物的检测。利用水凝胶的抗污性，提高靶标检测的特异性。利用水凝胶近水相的反映环境，提高靶标检测的灵敏度。

1、引言：水凝胶微球是一种三维网状结构，具有良好的水溶性，良好的生物相容性，抗污性和良好的机械性能，且对外界刺激敏感1。在尺寸上可分为纳米级与微米级2-5，与微米级微球相比，纳米级微球的尺寸更小，因此更容易被细胞吞噬，容易穿透人体内的各种生物屏障，不容易被截留。在结构上可分为单核型、核壳型及中空型6-9。制备水凝胶微球时，可以根据研究的目的不同而选择相应的单体，使水凝胶具有不同的功能。常见的共聚单体有NIPAM（异丙基丙烯酰胺）、PEG（聚乙二醇）和其衍生物、AAc（乙烯酸）与MAA（甲基乙烯酸）、壳聚糖10-14hellip;hellip;常用的水凝胶微球制备方法有乳液聚合法、沉淀聚合法、种子聚合法、分散聚合法、自由基聚合法、微流控法等15-20。水凝胶微球的应用也十分广泛：与生物分子结合进行药物输送，通过引入碳点、磁性纳米粒子等用于成像、利用近红外光的吸收进行癌症的光热治疗，对非生物（温度、pH、离子强度、葡萄糖浓度等）进行传感，进行蛋白质、核酸等生物大分子物质的检测6、13、14、21-26。

2、纳米水凝胶的制备

NIPAM（异丙基丙烯酰胺）是一种应用很广泛的单体，具有良好的生物相容性。其聚合物PNIPAM是一种温度敏感的材料，最低相变温度在32度左右，当温度高于LCST时水凝胶体积收缩，变为非均相体系27，因此常被选择作为一种单体与其它单体进行共聚，聚合方法以沉淀聚合法居多。在近期的一个研究中，Guo等人28利用了PNIPAM的温度敏感特性，利用沉淀聚合法制备了PNIPAM水凝胶微球，与DNA酶结合起来，室温时，微球属于亲水状态，DNA酶发挥催化作用，当温度高于LCST时，微球开始疏水，从混合液中分离出来，达到了微球的回收利用。一般来说，沉淀聚合法的反应体系比较简单，相比之下，乳液聚合法通常还要用到表面活性剂，但是在研究中，常常应用乳液聚合法使微球更好地应用于诊断治疗。Qian等人14使用NIPAM，MAA,PEGMA作为共聚单体，应用乳液聚合法制备出纳米水凝胶，与抗癌药CDDP结合，不仅降低了药物毒性，还可以控制触发药物的释放，达到了治疗癌症的目的。对于核壳型水凝胶，则常采用种子聚合法，以核为种子，与壳单体发生共聚，核与壳的尺寸可以通过改变共聚单体的量而改变，从而可以根据自己的意愿制备出合适尺寸的水凝胶。微流控法常用于大批量制备尺寸均一的水凝胶。Doyle等人20应用了微流控的方法，制备了柱状水凝胶用于miRNA的检测。

  1. 纳米水凝胶的应用

水凝胶的三维网状结构利于其结合更多的生物分子，比表面积大且可以提供含水环境，有利于配体与靶标的反应。纳米水凝胶作为纳米载体，可以延长药物在体内的停留时间，增加药物的缓释性。在一定的条件下可触发药物释放，而在正常的人体环境中不容易被释放，从而增加了药物的安全性，减少了副作用。通过引入碳点、磁性纳米粒子等，常用于双模态成像，不仅能够增强成像的对比度，还可以精准的定位到肿瘤区域，利用近红外光的吸收，可以进行癌症的光热治疗。Li等人21制备出以金属Bi纳米粒子为核，PEG-PPy共聚作为壳的核壳型水凝胶，Bi用来增强成像的对比度，PPy的高光热转换效率可用于光热治疗。同时，水凝胶具有刺激敏感性，周围的环境发生变化，水凝胶会发生溶胀或收缩，加以功能性材料的引入，使得水凝胶具有优异的传感性能。可以分为非生物传感和生物传感。非生物传感是对环境中的因素进行传感，如温度，pH等。由于AAc与MAA含有羧基，易受酸碱性的影响，因此常采用这两种材料作为共聚单体来制备pH传感的水凝胶。 Gugliotta等人13采用NIPAM与AAc作为共聚单体，制备出的纳米水凝胶可以由pH触发控制药物的释放。而PNIPAM的温度特性使其常常被用于制备温度敏感的纳米水凝胶。选择合适的共聚单体，还可以制备出多响应的纳米水凝胶。Zhao等人29制备的基于PNIPAM与PAA的核壳型纳米水凝胶能同时对pH和温度作出强烈且独立的响应，具有较高的对比度和灵敏度。Zhang等人23应用螺吡喃基团从中性向带电状态转化的可逆异构化/反应合成了螺吡喃修饰的PNIPAM水凝胶微球可同时对温度、紫外线、可见光和近红外辐射、pH值、Cu2 进行传感。 在生物传感方面，可以制成基于水凝胶的微阵列或者探针，用于核酸、蛋白质等生物大分子的检测。其中蛋白质传感可通过在微球表面修饰抗体，利用抗体和靶标分子的特异性结合，实现蛋白质检测。Miller等人30在PNIPAM纳米水凝胶球表面通过亲和素/生物素系统连接了抗体，制成了检验蛋白质的微阵列，纳米水凝胶成为了一种结合蛋白质的良好的基底。核酸的传感可通过量子点，荧光染料与FRET的结合，产生肉眼可见的颜色变化。Netti等人18利用此原理制备出了检验miRNA的核壳型水凝胶，核与壳中分别结合两种荧光染料，表面设计连接了DNA序列，正常情况下，壳上的荧光染料与淬灭基团相近而荧光被淬灭，当靶标miRNA加入后，与淬灭剂所在链可完全互补杂交，使染料与淬灭基团分离，荧光恢复。还可以与电化学方法结合，通过电位的变化，检测更为灵敏。Ma等人31用葡萄糖、柠檬酸钠、海藻酸钠制备出的水凝胶微球，表面结合NSE，当与基底上的NSE抗体结合时，葡萄糖的氧化还原反应使基底电位产生变化。

  1. 结论

总的来说，水凝胶的结构与优异的性能不仅使其自身成为一种应用十分广泛的材料，还可以与其它功能性的材料结合，得到更新颖，功能更加丰富的材料，可被广泛应用于生物传感、生物成像、药物或基因输送、环境修复等多个研究领域，对于生物医学工程领域的突破等具有重要意义。

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