哈工大李保强课题组基于纳米碳点实时无创可视化监测生物材料体内降解研究取得重要进展

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在组织工程中，定量评价生物材料的体内降解行为，进而优化设计生物材料的高分子结构使得其降解速率与新生组织的再生速率相匹配。基于荧光法可视化监测水凝胶体内降解是实时无创定量表征水凝胶降解的重要手段。然而，现有的荧光指示降解方法存在局限性，如有机荧光探针的光漂白和因荧光基团引入导致干扰高分子的降解行为。

为了解决以上问题，在国家自然科学基金创新群体和面上项目支持下，哈尔滨工业大学周玉院士和贾德昌教授团队的李保强副教授等人合成并利用低光漂白、发射红光和良好生物相容性的纳米碳点为荧光指示剂，实现了实时无创监测可注射水凝胶的体内与体外降解，系统评价了纳米碳点的生物相容性，建立了实时无创可视化定量评价水凝胶降解的数学模型（图1）。体外与体内毒性测试表明纳米碳点对细胞和周围组织无毒，并具有良好生物相容性。纳米碳点荧光指示剂具有如下特点：低光致漂白（荧光信号稳定，可实现长期观测）；红光发射（更深的组织穿透深度）；优异的生物相容性（应用到体内安全无毒）。

图1基于纳米碳点实现实时无创可视化监测生物材料的体内降解

研究发现负载纳米碳点的壳聚糖水凝胶在PBS溶液中500小时内基本不降解，并且发现其荧光图像的积分荧光强度基本保持不变（图2A和图2B），因此当凝胶不降解时，包埋在水凝胶的纳米碳点不会释放。而水凝胶在含酶的PBS溶液中500小时内发生不同程度的降解并呈现交联密度依赖性，并且发现其积分荧光强度的衰减也是随着时间而增加（图2A和图2B）。将经典重量法降解与定量化荧光图像法得到的降解比较发现，它们整个降解时间内具有较高的匹配性（图2C），因此当凝胶降解时，基于重量法和基于纳米碳点的荧光可视化法呈现相近降解动力学曲线。通过建立定量表征水凝胶体外降解的数学模型可预测水凝胶的体内降解行为，最终实现了实时无创可视化定量表征生物材料体内降解。

图2纳米碳点作为荧光指示剂实现定量评价的水凝胶的体外降解行为

研究发现负载纳米碳点的壳聚糖水凝胶在小鼠体内的降解随着凝胶网络交联密度的不同而不同，但是都可以应用定量化荧光图像法来定量判断（图3A和图3B）。重要的是，基于纳米碳点实时无创可视化监测降解的方法不但实现了实时长期监测生物材料降解，而且还可有效降低动物实验中的动物使用量。在体内降解水凝胶中的纳米碳点不会滞留在研究区域内。利用定量化荧光图像法获得的凝胶降解曲线与经典重量法获得的降解曲线具有良好的匹配性（两种方法计算的同一时间的降解百分比之间无显著性差异，图3C和图3D），因此基于纳米碳点实时无创可视化监测生物材料体内降解可作为评价生物体内降解的替代方法。基于纳米碳点实时无创可视化监测生物材料降解方法为组织工程中的生物材料可控降解和便捷筛选体内降解提供了新的研究方法。

图3 纳米碳点作为荧光指示剂实现定量评价的水凝胶的体内降解行为

以博士生王磊为第一作者、李保强副教授为唯一通讯作者的论文在国际生物材料领域权威期刊Biomaterials（影响因子8.40，DOI：10.1016/j.biomaterials.2017.08.039）上在线发表。详见：Wang L., Li B*（通讯联系人）., Xu F., Li Y., Xu Z., Wei D., Feng Y., Wang Y., Jia D., and Zhou Y, Visual in vivo degradation of injectable hydrogel by real-time and non-invasive tracking using carbon nanodots as fluorescent indicator. （DOI，2017，10.1016/j.biomaterials.2017.08.039）。

论文链接：

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961217305586

近年来，李保强副教授在可注射壳聚糖水凝胶与纳米碳材料及其在生物医学、能源/环境领域的应用方面取得系列研究成果：在Acta Biomaterialia，影响因子6.32)（2015，卷22，页59）、（Biosensors and Bioelectronics，影响因子7.78）（2016，卷79，页1）、（Journal of Controlled Release，影响因子7.78）（2017，卷259，页9）、（Carbon)（2017，卷122，页592，影响因子6.34）、（Sensors and Actuators B: Chemical，影响因子5.40）（2017，卷247，页26）、《碳水化合物高分子》（Carbohydrate Polymer，影响因子4.81）（2017，卷174，页904）和《材料化学杂志》（Journal of Materials Chemistry B，影响因子4.53）（2017, DOI: 10.1039/C7TB01114H）等高水平国际期刊上发表SCI论文10余篇，并引起了国内外研究者的广泛关注。

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