氮掺杂碳点实现近红外双模态成像引导的高效光热肿瘤治疗

本研究针对传统光热治疗(PTT)中组织穿透深度不足和成像引导精度有限的问题，开发了具有近红外-II区(NIR-II)吸收特性的氮掺杂碳点(N-CDs)。通过简便的一锅水热法合成，该材料展现出31.25%(808 nm)和27.12%(1060 nm)的高光热转换效率，同时具备660 nm荧光发射特性，实现了肿瘤的双模态成像引导精准治疗。这种4.8 nm的小尺寸纳米材料具有优异的生物相容性和代谢能力，为肿瘤诊疗一体化提供了新思路。

　　

在对抗癌症的医疗战场上，光热治疗(PTT)犹如一把精准的"光能手术刀"，通过将光能转化为热能来消灭肿瘤细胞。然而这把"手术刀"长期面临两大技术瓶颈：传统近红外-I区(NIR-I，650-950 nm)激光的组织穿透深度有限，难以有效治疗深部肿瘤；同时缺乏实时成像引导，治疗过程犹如"盲人摸象"。更棘手的是，现有光热材料往往存在光热转换效率低、生物相容性差、难以代谢等问题，严重制约了临床转化应用。

针对这些关键科学问题，太原理工大学材料科学与工程学院的研究团队创新性地开发了氮掺杂碳点(N-CDs)，相关成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》。这种新型纳米材料巧妙地将诊断与治疗功能集于一身，不仅突破了传统光热材料的性能限制，更实现了"看得清、打得准"的肿瘤精准治疗愿景。

研究采用水热合成、光谱表征、细胞实验和动物模型等系统方法。关键技术包括：以柠檬酸和双缩脲为前体的水热合成法；紫外-可见-近红外(UV-vis-NIR)吸收光谱和荧光光谱表征；MTT法评估细胞毒性；激光共聚焦显微镜观察细胞摄取；建立DU145肿瘤裸鼠模型进行体内疗效评价。

材料表征与性能研究：

通过透射电镜(TEM)证实N-CDs具有4.8 nm的均匀粒径和0.37 nm的晶格间距，X射线光电子能谱(XPS)显示其含有74.66%碳、11.23%氮和14.11%氧。傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测到C=O(1580 cm^-1)和C-N(1477 cm^-1)特征峰。特别值得注意的是，该材料在400-2000 nm范围内展现宽谱吸收，在660 nm处具有荧光发射峰，荧光寿命达37.72 ns。光热性能测试显示，在1.0 mg·mL^-1浓度和1.0 W·cm^-2功率下，808 nm和1060 nm激光分别产生45℃和38℃的温升，光热转换效率分别为31.25%和27.12%。

体外生物学评价：

MTT实验证实N-CDs在1.0 mg·mL^-1浓度下仍保持良好生物相容性，但在激光照射下可有效杀伤DU145细胞。激光共聚焦显微镜显示N-CDs能高效进入细胞，Annexin V-FITC/PI双染证实其可诱导细胞凋亡。抗菌实验表明，在1.0 W·cm^-2激光下对金黄色葡萄球菌的抑制率达95%(808 nm)和90%(1060 nm)。

体内治疗效果：

在DU145肿瘤裸鼠模型中，N-CDs表现出优异的肿瘤靶向性，注射1小时后荧光信号达到峰值。光热治疗组在808 nm和1060 nm激光照射下，肿瘤温度分别升至58.5℃和52.8℃，14天后肿瘤完全消融。重要器官的H&E染色和肝功能指标(ALT、AST等)检测证实材料具有良好安全性。

这项研究开创性地开发出兼具NIR-II光热转换和NIR-I荧光成像功能的碳基纳米材料，其创新价值主要体现在三个方面：首先，通过精确调控氮掺杂策略，实现了碳点光学性能的突破，将吸收边拓展至2000 nm；其次，4.8 nm的超小尺寸确保了材料的肾脏清除能力，解决了纳米材料长期滞留的毒性隐患；最后，双模态诊疗功能使治疗过程可视化，为精准医疗提供了新技术平台。该研究为发展新一代肿瘤诊疗一体化制剂提供了重要理论依据和技术支撑，标志着碳基纳米材料在生物医学应用领域取得重要进展。