综述：荧光碳点生物医学应用的最新进展

《Journal of Drug Targeting》：Recent Advances in Biomedical Applications of Fluorescent Carbon Dots

　　

碳点已成为最具多功能性的纳米材料家族之一，凭借其优异的光致发光特性、水分散性及固有生物相容性受到广泛关注。过去五年间，碳点在理性设计、可持续合成及生物医学应用部署方面均取得显著进展。本小型综述系统梳理2020至2025年间的研究进展，重点聚焦于机器学习辅助合成优化、可再生前驱体利用及高效近红外发射体制备三大方向。同时深入阐述碳点不断拓展的生物医学应用场景，涵盖生物成像、生物传感、药物递送、癌症治疗及再生医学等领域。文中进一步探讨了生物相容性、体内分布及监管转化方面仍存在的持续性挑战，并指出人工智能在构建具有定制化光学与生物学特性的下一代碳点中影响力日益增强。综上，这些见解勾勒出智能、安全且生态创新的碳基纳米诊疗一体化平台的发展路径，该类平台具备切实的临床转化潜力。

本文主体围绕碳点的合成进展、生物医学应用、生物安全性及未来挑战展开系统性论述，各章节内容如下：

1.1 碳点合成方法的进展

碳点可通过多种自上而下与自下而上策略制备。自上而下方法包括激光烧蚀、电弧放电及电化学剥离等，通过分解块体碳材料获得纳米颗粒，通常依赖复杂仪器与高能量输入。自下而上方法涵盖水热碳化、溶剂热碳化、微波辅助合成及热解法，因操作简便、成本低廉且可适配广泛分子前驱体而被更广泛采用，其中水热与溶剂热法仍是碳点制备的主流路线，可对粒径、表面官能团及光学性质实现良好调控。

早期碳点合成多依赖经验直觉，试错式优化往往伴随较高成本与较长周期。随着计算建模与深度学习技术的发展，该领域逐步转向理性设计。机器学习（ML）已被证实可有效预测与优化碳点的理化性质，阐明决定其光学与生物学性能的结构-性质关系。例如，Xing等采用随机森林（RF）模型，以24种前驱体的三元组合为输入变量，成功预测特定激发波长下碳点的最强光致发光峰位；Bian等基于包含121组样本的数据集，利用RF与极端梯度提升（XGBoost）模型关联合成条件与抗菌活性，实现对最小抑菌浓度（MIC）的精准预测；Han等通过回归模型解析水热合成参数与荧光量子产率（QY）的相关性，在实验验证下获得量子产率达39.3%的强绿色发射碳点，明确前驱体质量与碱性催化剂体积为关键影响因素；Guo等近期开发的XGBoost框架可在稀疏数据集条件下实现多目标优化，仅通过20次迭代即获得全色发射碳点，各颜色量子产率均高于60%。

与此同时，可持续纳米技术的发展推动绿色合成成为碳点设计的核心方向。生物质可再生前驱体兼具低环境负荷与高生物安全性优势。Kumar等以柠檬酸与棕榈壳/牡蛎壳废弃物为原料，经水热法制备具有免疫调节抗炎活性的碳点；Khan等利用内生真菌发酵液一步水热合成碳点，表现出强抗真菌活性、优异生物相容性及促进体内伤口愈合的能力；Selvaraj等以大叶桃花心木为原料实现一锅法绿色合成，所得水溶性荧光碳点兼具Fe³⁺离子传感能力与催化活性，体现了数据驱动策略与可持续路线的有效结合。此外，近期研究进一步证实，通过精准调控前驱体组成与反应参数，可实现碳点粒径、表面官能团及光致发光性质的精细调控，标志着现代碳点合成已逐步脱离经验导向，转向可调控、可重复的策略体系。

1.2 碳点的生物医学应用

合成与表面工程领域的进展显著拓展了碳点的生物医学应用边界。近红外（NIR）区域成像因光散射低、组织穿透深而备受关注，Han等开发两步合成法，通过水热反应结合Knoevenagel缩合制备近红外二区发射碳化聚合物点，实现了非侵入性体内血管造影与结肠炎成像；Chen等报道的红色发射生态合成碳点具有强荧光、优异水分散性与低细胞毒性，可在斑马鱼与小鼠模型中实现高效摄取与清晰成像；Zhao等以橄榄叶为前驱体制备近红外发射碳点，量子产率高达71.4%，代表了可持续高效纳米探针的重要进展。

在生物传感领域，碳点已从单一离子与pH传感发展为可检测生物分子、病原体及遗传物质的多功能探针，表面功能化策略显著提升了其灵敏度与选择性。?ztürk与Durmu?合成的氮掺杂比率型碳点可用于幽门螺杆菌基因检测，双发射特性使其在纳摩尔级检测限下仍保持优于单发射探针的准确性与稳定性，具备基因层面诊断与癌症早筛潜力；抗体功能化碳点被集成于癌胚抗原（CEA）电化学夹心免疫传感器中，检测限低至10 pg/mL，灵敏度较传统纳米材料基免疫传感器提升最高3.5倍，且在多种细胞系中均表现良好生物相容性。

在治疗应用方面，碳点作为药物递送平台的价值日益凸显。脂质样阿霉素负载碳点用于三阴性乳腺癌靶向治疗时，较市售制剂可将生存期提高20%并减少转移；其跨越血脑屏障（BBB）的能力亦使其成为神经疾病治疗的候选载体，Han等报道的岩藻聚糖衍生碳点可穿过血脑屏障，改善帕金森病小鼠模型的运动缺陷。此外，碳点在再生医学中同样展现潜力：丁香衍生碳点可激活促进骨损伤组织再生的信号通路，诱导成骨分化；骨形态发生蛋白-2（BMP）功能化碳点可增强损伤部位骨基质沉积，加速骨修复进程。

1.3 生物相容性、体内分布与毒理学

临床转化要求碳点具备极低细胞毒性且不干扰细胞正常功能。尽管普遍认为碳点较金属量子点更安全，但其毒性仍受粒径、形貌、表面化学性质、电荷及剂量影响。Liu等指出，光驱动应用中发生的光降解可产生小于3 kDa的有毒小分子片段，照射8天后碳点光解率达59.8%，对正常与恶性人类细胞均产生细胞毒性。

现有体外安全性评价结果丰富，但全面的体内评估仍不可或缺。Jia等发现ε-聚-L-赖氨酸衍生碳点在体外可通过破坏膜通透性诱导DNA释放与细胞凋亡，小鼠体内实验证实其可扰乱肠道菌群并引发炎症，且效应呈剂量依赖性；氨基功能化碳点可诱导斑马鱼胚胎氧化应激，干扰脂质与氨基酸代谢通路，导致发育异常。上述结果表明，碳点表面特性的筛选与表征是临床转化的前提，需深入开展分子层面的机制研究与精细表面工程。体内分布与排泄特征同样是核心考量因素，石榴衍生碳点可在注射后12小时内完全排出体外，适用于药物递送与生物成像；但Kuznietsova等在小鼠模型中发现，连续14天皮下注射5 mg/kg的功能化碳点可导致最高50%的死亡率，提示重复给药可能升高累积毒性风险。

1.4 挑战与未来方向

尽管碳点已在生物成像、生物传感及治疗领域展现出优异的多功能性，其在合成优化、毒理评估、监管审批与规模化生产方面仍面临显著挑战。未来研究应优先阐明结构-性质关系，提升近红外二区发射效率，建立可重复、环境友好的合成规范，同时推进制备与功能化方法的标准化以保障实验室间结果一致性。人工智能与数据驱动设计的深度融合有望加速下一代可调谐碳点的开发，推动智能型、具备临床转化潜力的纳米诊疗一体化平台从实验室走向实际应用。