Eu3+掺杂Y2O3纳米粒子的结构、光致发光和生物学特性评估，及其在癌症诊疗、多模态成像和抗菌应用中的潜力

《Bioorganic Chemistry》：Structural, photoluminescent, and biological evaluation of Eu3+-doped Y?O? nanoparticles for cancer theranostics, multimodal imaging, and antibacterial applications

本研究合成并表征了Eu3?掺杂Y?O?纳米粒子，发现其具有显著的抗增殖、抗血管生成和抗炎作用，为生物医学应用提供依据。

　　

Ayla Solmaz Avcikurt | Sinem Gultekin Tosun | Yener Ozel | Hasan Aydin | Mustafa Burak Coban | Fatma Unal | Mehmet Fatih Akyel

土耳其巴勒克埃西尔大学医学院医学生物学系

摘要

本研究介绍了Eu³⁺掺杂的Y?O?纳米粒子的合成及其生物学特性评估，重点探讨了它们在癌症相关应用中的潜力。这些纳米粒子通过沉淀法制备，然后在850℃下煅烧，并使用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱进行了结构表征。XRD分析证实了Y?O?具有明确的立方结构（空间群Ia3?，编号206）。光致发光特性通过349nm脉冲Nd:YLF激光激发进行测试，结果显示其特征为橙红色发射，这与Eu³⁺的电子跃迁有关，且颜色纯度很高（97%）。体外生物学研究使用Hep3B人肝细胞癌细胞进行。通过MTT实验评估了细胞毒性，通过克隆形成实验评估了其克隆生成能力。结果表明，未掺杂的Y?O?具有良好的生物相容性，而Eu³⁺掺杂的Y?O?则表现出剂量和时间依赖性的细胞毒性，IC??值为400μg/mL，并显著抑制了细胞克隆的形成。此外，RT-qPCR分析显示VEGF、FGF、IL-1β和IL-6的表达显著下调，表明具有抗血管生成和抗炎作用。抗菌活性测试未发现显著抑制效果，这可能归因于粒子扩散受限和离子释放量极少。这些发现表明Eu³⁺掺杂的Y?O?纳米粒子兼具发光和生物特性，为其作为生物导向的发光纳米材料的研究提供了支持。未来的研究可以探索表面修饰策略，以增强其生物相互作用和治疗效率。

引言

由于稀土金属纳米粒子独特的光电特性、高热稳定性和化学稳定性以及多功能的生物医学潜力，它们已成为当前研究的主要焦点。特别是Y?O?，因其宽禁带（5.8 eV）、高折射率、高介电常数和优异的热稳定性而备受关注[1],[2],[3]。这些材料可以制备成纳米粒子、纳米管、纳米棒和纳米片的形式，并可作为金属、金属氧化物、磁性纳米粒子和量子点[1]。这些特性使它们能够应用于光电设备、LED照明、光动力疗法和生物成像[4],[5],[6]。此外，Y?O?还用于耐铀耐火陶瓷、金属氧化物半导体器件、高温密封件和生物陶瓷涂层[7],[8]。 铕（Eu）是一种属于镧系元素的稀土元素[9]，在地壳中的含量有限，主要存在于矿物中，分布不均。Eu³⁺离子在橙红色光区域具有强烈的发光特性，这一特性使其在荧光化合物中非常有用[10]。因此，Eu³⁺改性的氧化物基材料在多个领域得到了广泛研究，包括生物医学研究[11]、光电应用[12]、热传感器[13]、安全系统[14]、透明陶瓷[15]和光催化[17]。 当Eu³⁺掺入Y?O?基质中时，会增强其橙红色的发光效果。Eu³⁺离子主要占据Y?O?晶格中的C2和S6对称位点，大约75%位于C2位点，25%位于S6位点，能量转移（ET）从S6位点传递到C2位点，决定了⁵D?–⁷F?跃迁的强度和光谱颜色纯度。这些特性使得Y?O?:Eu³⁺纳米粒子系统具有高颜色纯度（CP% 97）和明显的橙红色光谱特征，适用于固态照明、生物成像和诊断探针应用[11]。此外，Eu³⁺掺杂还影响热淬灭和非辐射跃迁，即使在高温下也能保持显著的发光效果。Y?O?:Eu³⁺纳米粒子在生物医学应用中的使用尤为重要，因为它们具有低毒性、高生物相容性和可修饰的表面特性，从而具有靶向治疗和成像潜力[10]。 在癌症研究中，Y?O?纳米粒子已显示出对多种肿瘤模型的选择性细胞毒性和抗增殖作用。例如，据报道它们通过产生ROS、DNA损伤和诱导凋亡对人类表皮样A-431、Hep-G2、U87MG和PC3细胞产生显著影响[18],[19],[20]。另一方面，Eu³⁺掺杂系统在HeLa细胞中也表现出剂量依赖性的细胞毒性和生物成像能力[21]。 肝细胞癌（HCC）是肝脏最常见的恶性肿瘤，在全球癌症死亡统计中占据重要地位[22],[23]。肝细胞癌的发生通常与多种风险因素有关，包括乙型或丙型肝炎病毒感染、与饮酒相关的肝脏疾病、非酒精性脂肪肝病（NASH）以及黄曲霉毒素暴露[24],[25]。该疾病在早期阶段通常无症状且进展迅速，导致治疗延迟，从而增加了死亡率[26]。目前的治疗方法包括手术切除、肝脏移植、消融、化疗和靶向分子疗法。然而，高复发率和有限的疗效突显了开发新的HCC治疗策略的必要性[27]。 本研究选择了Hep3B细胞系。Hep3B是一个经过充分表征且广泛使用的体外肝细胞癌模型；此外，其基因组中含有乙型肝炎病毒（HBV）DNA，适用于研究病毒在HCC中的分子机制。Hep3B细胞在体外表现出稳定且高增殖能力，为评估纳米粒子的抗增殖、抗血管生成和抗炎效果提供了可靠的平台。这些特性使Hep3B细胞系成为研究Y?O?和Eu³⁺掺杂Y?O?纳米粒子对HCC生物效应的理想模型[28]。 本研究的目的是系统评估未掺杂的Y?O?和Eu³⁺掺杂Y?O?纳米粒子对Hep3B细胞的影响。通过MTT实验评估细胞活力；通过克隆形成实验评估抗增殖效果；通过VEGF、FGF、IL-1β和IL-6基因表达分析评估抗血管生成和抗炎潜力。结果表明，Y?O?:Eu³⁺纳米粒子在Hep3B细胞中表现出明显的抗增殖、抗血管生成和抗炎作用。这些生物活性对于通过抑制血管生成和炎症来预防肝癌进展具有重要意义，支持Y?O?:Eu³⁺纳米粒子的潜在治疗应用。此外，虽然进行了抗菌活性测试，但未观察到对革兰氏阳性或革兰氏阴性细菌菌株的显著抑制效果。这一发现表明，Y?O?:Eu³⁺纳米粒子可以在不依赖抗菌效果的情况下安全地应用于癌症治疗、细胞成像和其他生物医学领域。 本研究的创新之处在于系统评估了Y?O?和Eu³⁺掺杂Y?O?纳米粒子在Hep3B细胞系中的抗增殖、抗血管生成和抗炎效果，同时独立于抗菌活性展示了它们的生物医学潜力。这种方法突显了Eu³⁺掺杂Y?O?纳米器件的技术和健康相关潜力，表明它们可能有助于实现联合国可持续发展目标3（良好健康与福祉），通过先进的纳米材料研究改善健康结果。此外，Eu³⁺掺杂的立方Y?O?（Ia3?）由于其高结构对称性、化学稳定性和明确的光学跃迁，成为研究最为广泛的稀土基荧光材料之一。与最近研究过的单斜相Y?O?相比，立方结构为Eu³⁺离子提供了更加对称的局部配位环境，从而产生清晰的4f–4f发射线和高的光谱重现性。立方Y?O?中⁵D??→?⁷F?跃迁的占主导地位，产生了强烈的橙红色发射和高的颜色纯度以及明确的CIE色度坐标，这些都是可靠发光表征的关键参数。相比之下，单斜相Y?O?虽然也有潜力，但通常具有多个非等价的阳离子位点和较大的晶格畸变，可能导致光谱宽化和样品间差异较大。因此，立方Y?O?继续作为基础光致发光研究的参考晶格，以及将光学行为与结构和功能特性相关联的依据。

未掺杂Y?O?和Eu³⁺掺杂Y?O?的制备

未掺杂和Eu³⁺掺杂的Y?O?纳米粒子是通过沉淀法合成的。将适量的硝酸钇六水合物和硝酸铕六水合物溶解在去离子水中，形成总体积为200mL、金属离子浓度为0.1M的透明前体溶液。溶液在磁力搅拌下直至完全均匀。然后通过逐渐加入浓缩的水溶液开始沉淀过程。

XRD分析

图2展示了未掺杂和Eu³⁺掺杂Y?O?纳米粒子的XRD图谱，掺杂浓度分别为1%、3%、5%和7%。测量使用的是Malvern Panalytical Empyrean XRD仪器，参数设置为生成电压45 kV、管电流40 mA、扫描步长0.0131°和2θ扫描范围10–80°。所有样品在2θ值20.51°、29.09°、33.79°、35.84°、39.84°、43.39°、46.94°、48.54°、50.27°处均显示出清晰的衍射峰。

结论

本研究成功合成了发射橙红色光的Eu³⁺掺杂Y?O?荧光体，并系统研究了其结构、光致发光、抗菌和癌症诊疗特性。结构分析显示样品具有明确的立方纤锌矿结构（空间群Ia-3，编号206）。Y?O?:0.05Eu³⁺荧光体表现出单调的热淬灭行为。

CRediT作者贡献声明

Ayla Solmaz Avcikurt：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目规划、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构建。 Sinem Gultekin Tosun：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构建。 Yener Ozel：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、资源管理、实验实施、数据管理。 Hasan Aydin：实验实施。 Mustafa Burak Coban：撰写 –

资助

本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。