北工商录驰冲教授课题组《ACS AMI》：稀土掺杂氧化铁纳米颗粒簇用于荧光和磁共振双模态成像

点击蓝字关注我们

近期，北京工商大学录驰冲教授课题组提出一种以金属掺杂磁性纳米材料为基础构建多功能纳米平台以实现肿瘤疾病的精确诊疗的方案。他们通过简单的一锅反应大规模合成了水溶性、生物相容性、超顺磁性的铕掺杂氧化铁纳米颗粒簇（EuIO NCs），发现了铕离子掺杂的策略可以简单有效地改善磁性纳米材料的理化性能，合成的磁性纳米材料具有良好的胶体稳定性、可忽略的毒性和表面功能化能力，可用作磁共振成像和荧光成像的多功能纳米平台。相关工作以“Biocompatible Superparamagnetic Europium-doped Iron Oxide Nanoparticle Clusters as Multifunctional Nanoprobes for Multi-modal In Vivo Imaging”为题，发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

图1. EuIO NCs的透射电镜图。

图2. EuIO NCs的a) 红外光谱；b) XRD图谱；c) 磁滞回线；d) r₁弛豫率和e) r₂弛豫率。

为了准确获得铕离子掺杂后氧化铁纳米粒子簇的形貌和结构特征，通过透射电镜、红外光谱、X射线衍射和流体动力学尺寸分布等表征方式证明了该材料的成功合成，通过磁性和弛豫效能表征铕元素掺入对其结构和性能的影响。团簇中的金属含量可以通过简单改变前驱体比例调节，随着铕元素含量增加磁性逐渐降低，同时由于磁性与r₂弛豫率的相关性r₂值显示出一致的变化趋势。Eu³⁺ 离子比 Fe³⁺ 和 Fe²⁺ 离子具有更多的未成对电子，并且暴露在 EuIO NCs 表面的铕原子会增加内球弛豫机制的贡献使得r₁值升高，但在过量时可能会干扰 Fe₃O₄ 的晶体结构导致其降低。

 

图3. 不同生理条件盐溶液a) 不同浓度盐溶液；b) 不同ph值；c) 水中20天和d) PBS中20天下的胶体稳定性。

图4. 在三种细胞中孵育 a) 12 小时、b) 24 小时和 c) 48 小时后的体外细胞毒性；d)溶血评估。

图5. 注射后不同时间段小鼠的a) 血液和b) 尿液中Eu离子浓度；c) 注射24小时后小鼠主要器官的H&E 染色图像。

胶体稳定性和生物相容性是将磁性纳米材料应用于生物医学领域必不可少的条件，通过检测EuIO NCs在严苛环境条件下和长期处于不同生理环境下的流体动力学尺寸的变化，证实了样品的优异稳定性。在高浓度条件下将样品与细胞孵育48h存活率仍超过 90%，表明EuIO NCs没有显着的细胞毒性。同时其溶血率远低于可接受的阈值 5%，表明其良好的血液相容性。随后研究了它们在生物体中的组织毒理学特性和清除行为，通过检测尿液和血液中的铕离子含量发现注射4小时后样品已经基本从体内清除。在注射24小时后解剖小鼠取主要器官进行组织学分析，染色切片表明在此期间没有发生显着的组织损伤或炎症病变。结果表明，EuIO NCs在各种条件下都能保持相对稳定和可忽略不计的毒性，这对进一步的生物医学应用具有重要意义。

图6. a) 小鼠注射后不同时间的T₁和T₂加权图像；b) T₁和c) T₂加权图像量化分析。

图7. 小鼠尾静脉注射不同时间的荧光图像。

在注射样品后对小鼠进行体内磁共振成像，T₁加权信号逐渐增强并且图像明显变亮；同时T₂加权信号逐渐减弱并且图像变暗，表明该材料在T₁和T₂加权 MR 成像中均表现出对比度增强能力，多部位成像也表明其在多器官成像中具有潜在应用。该材料表面丰富的羧基赋予其与生物标志物或活性分子结合的能力，这一点通过 Rh123 的表面偶联得到了验证。经功能化后得到的Rh123@EuIO NCs分布在小鼠体内多个器官中，具有很强的渗透性，在 507 nm 激发下观察到强荧光。因此，水溶性、生物相容性和超顺磁性的 EuIO NCs 作为高灵敏度和高空间分辨率的双模态成像探针具有巨大的潜力，对疾病的准确诊断具有重要意义。

相关链接

https://doi.org/10.1021/acsami.1c07739

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。