开发一种适用于药物释放的混合近红外-II（NIR-II）温度计

《ACS Omega》：Development of a Hybrid NIR-II Thermometer Suitable for Drug Release

诊疗一体化纳米材料设计，基于SiO?@PMO@LiLuF?:Yb3?, Nd3?的复合结构，实现近红外二区（NIR-II）温度传感与pH响应型药物（多柔比星）可控释放，通过PMO壳层增强生物相容性与载药性能，体内外实验验证其低毒性和治疗潜力。

　　准确的温度测量在癌症诊断中具有重要意义，因为局部温度变化常常是病理状态如癌症和炎症的标志。Nd3?-Yb3?系统因其在808 nm激发下的高效能量转移而显得尤为有前景，这使得两种离子在第二生物窗口（NIR-II，1000–1700 nm）产生显著的发射信号。这一光谱区域对于深部组织成像和温度传感非常理想，因为它能减少生物组织对光的散射和吸收，从而提高穿透深度和信号与噪声比。本研究提出了一种新型的混合温度计，该温度计由二氧化硅核心和装饰有LiLuF?: Nd3?, Yb3?纳米颗粒的周期性介孔有机硅（PMO）壳层构成，能够实现NIR-II范围内的温度传感和成像。此外，这些混合温度计在负载多柔比星（DOX）等模型药物时表现出药物释放潜力，显示出用于诊疗一体化应用的前景。

在生物医学领域，精确的温度测量至关重要，因为温度在生物系统中扮演着重要角色。例如，局部温度变化通常伴随着炎症和疾病，如癌症，因此在生理温度范围20–50 °C内对温度变化的准确监测对于疾病的早期发现和治疗具有关键意义。为了在临床应用中发挥效果，这些测量必须简便且无创，以减少患者的不适并降低潜在的副作用。光致发光温度计，其依赖于热响应的光谱特性，因其无创性、快速响应和高空间和热分辨率而受到越来越多的关注，为在传统接触式方法不适用的情况下提供可靠的温度传感途径。在研究开发新型光学材料作为潜在的发光温度计方面，已经投入了大量努力。在纳米尺度上，通过分析随温度变化的光谱参数，如发射强度、寿命、峰值位置和带宽，可以远程获得温度数据。基于比率的温度计比依赖于峰值位置、发光寿命、单发射带强度或带宽的温度计更可靠，并在许多情况下显示出更高的温度灵敏度。例如，Chihara等人展示了一种基于NIR-II荧光寿命的NaYF?: Nd3?, Yb3?粒子温度计，可以在1.4 mm的组织穿透深度内准确监测温度变化，其寿命灵敏度在穿透深度变化的情况下几乎保持不变。然而，寿命测量通常需要更复杂的仪器、更长的采集时间和后期处理步骤，这在实时温度映射中可能限制其适用性。此外，Collins等人指出，在各种稀土掺杂系统（如Cr3?, Er3?和Pr3?）中，比率方法在相对灵敏度方面通常优于寿命方法，尤其是在低温环境下，衰减时间与温度无关。因此，尽管两种技术各有优势，比率温度计在许多实际应用中具有高度优势，因为其简单性、灵敏度和与实时成像的兼容性。

比率温度计通过测量两个发射带之间的发光强度比率来工作，这两个发射带可能来源于单一离子的两个热耦合发射态，或者来源于通过热辅助能量转移的两个不同离子。三价Yb3?和Nd3?离子是基于镧系的纳米颗粒中最常用的敏化剂，因为它们在980和800 nm处具有比其他稀土离子更强的吸收截面。Yb3?离子因其单一激发态（2F?/?）通常被掺杂在相对较高的浓度下，以确保其向邻近离子的高效能量转移。另一方面，优化Nd3?的掺杂浓度则更为复杂，因为其具有多个能级，而不良的交叉弛豫效应可能会影响基于镧系的纳米颗粒的性能。

在800/808 nm光激发下，基于镧系的纳米颗粒在化学和生物材料科学中受到欢迎，因为它们具有较低的加热效应和更好的组织穿透能力。这是因为这种波长的光被水吸收的量远低于980 nm光，而更多光被血红蛋白吸收，从而减少由水引起的热量产生。此外，快速的血液循环有助于有效散发热量，降低在800 nm激光激发下的局部过热风险，这使其在体内应用中特别具有优势。

本研究开发了一种新的基于SiO?@PMO@LiLuF?:1%Nd3?, 10%Yb3?的混合温度计。该温度计通过在NIR-II区域实现比率发光温度计，同时具备药物负载和释放能力，使得其在生物医学应用中具有广泛的前景。相比传统的非混合无机宿主，如LiLuF?: Nd3?, Yb3?纳米颗粒，PMO壳层提供了有序的介孔结构、高表面积和丰富的硅醇基团，从而显著改善了治疗功能，如高药物负载能力、pH响应释放以及进一步的功能化潜力。与传统的介孔二氧化硅纳米载体相比，尽管它们在药物封装方面效率较高，但它们不提供固有的发光温度计。因此，SiO?@PMO@LiLuF?系统整合了两种材料的优势，使药物负载和释放能力与比率NIR-II发光温度计相结合，突显了该混合系统相较于非混合系统的协同优势。

在实验过程中，我们通过多种方法对所制备的材料进行了表征。例如，通过透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（STEM）对材料的形貌进行了分析，通过能量色散X射线光谱（EDX）分析了材料的组成，通过X射线衍射（XRD）分析了材料的结晶性。此外，通过氮气吸附-脱附等温线测量了材料的比表面积，并通过动态光散射（DLS）和Zeta电位分析了材料的分散性和表面电荷特性。通过这些表征方法，我们评估了材料的物理化学性质，以确保其在生物医学应用中的适用性。

在评估混合材料的生物相容性时，我们进行了细胞毒性实验。使用了健康的人类真皮成纤维细胞（NHDF）和HeLa细胞作为模型。在不同的药物负载和非负载条件下，我们测试了不同浓度的纳米颗粒对细胞的影响。通过使用PrestoBlue HS试剂，我们测量了细胞活力，并通过统计分析比较了不同浓度的纳米颗粒对细胞的毒性效应。结果表明，所制备的材料在测试的浓度范围内对NHDF细胞具有良好的生物相容性，表明其不会对健康细胞造成伤害。

在药物负载和释放研究中，我们使用DOX作为模型药物。通过将DOX与纳米颗粒混合，并在特定条件下进行搅拌，我们测量了药物的负载量和封装效率。结果表明，DOX在纳米颗粒中的负载量和封装效率分别达到了24%和32%。此外，我们测试了不同pH条件下的药物释放行为，发现DOX的释放速率在酸性条件下显著增加，这表明该材料具有pH响应性，能够根据肿瘤微环境的酸性条件释放药物。

通过比较不同结构的材料，如SiO?@PMO@LiLuF?和HPMO@LiLuF?，我们发现HPMO@LiLuF?在药物负载能力方面更高，但在药物释放速率方面较低。这是因为HPMO的空腔结构提供了更大的内部空间，使药物能够被更好地封装，而SiO?@PMO@LiLuF?由于其介孔结构和表面修饰，导致药物释放速率较快。这些结果表明，该混合材料在药物释放方面具有显著优势，能够根据pH条件调整药物释放速率，从而提高治疗效果。

在评估该材料作为诊断和治疗一体化平台的潜力时，我们进行了细胞毒性实验和药物释放实验。通过使用DOX作为模型药物，我们验证了该材料在肿瘤细胞模型中的治疗效果。结果表明，DOX负载的纳米颗粒在HeLa细胞中表现出显著的细胞毒性，表明其具有作为癌症治疗药物载体的潜力。此外，通过比较不同浓度的纳米颗粒对细胞的影响，我们进一步验证了其在治疗应用中的可行性。

尽管本研究展示了一种将pH响应性药物释放与NIR-II发光温度计结合的新型混合材料，但该材料在轻微酸性pH下表现出不稳定的温度计校准能力，并且在组织模拟材料中无法实现有效的温度计校准。这些限制限制了其在生物医学应用中的即时适用性。然而，这些限制并非我们系统的独有现象，而是反映了一个更广泛的挑战，即在复杂的生物微环境中保持稳定的发光温度计。为了应对这一挑战，需要进一步探索以增强在复杂环境中的温度计稳定性。特别是在研究替代的氟化物宿主晶格，它们提供了不同的声子能量和环境稳定性，这可能代表了减少pH敏感性和扩展可靠操作范围的有希望的途径。此外，还需要进一步研究如何使这些材料具有靶向性，例如通过使用抗体或其他方法，以有效靶向癌症细胞进行治疗。