硕士毕业答辩-谢云飞

1、稀土元素共掺羟基磷灰石纳米稀土元素共掺羟基磷灰石纳米粒子制备及生物成像应用粒子制备及生物成像应用答辩人：谢云飞导 师：韩颖超 副研究员专 业：材料科学与工程硕士学位论文答辩2016月5月25日1 稀土共掺HAP的共沉淀法制备及性能研究2 HAP:Eu/Gd的生物相容性及荧光成像4研究背景及意义3 1HAP:Eu/Gd的溶胶凝胶法制备及性能研究3 3目目 录录结论及展望3 52有机染料金属纳米簇荧光量子点优点种类多、强度高、吸收截面高等；光稳定性好、强度高、尺寸小等；光稳定性好、宽的吸收谱带等；缺点 水溶性差、光稳定性差、光 闪烁等； 制备复杂、与生物作用机理 不明确等; 重金属毒性等；常见的荧

2、光探针材料常见的荧光探针材料稀土掺杂纳米材料1. 研究的背景及意义研究的背景及意义 具有荧光/磁/放射性等功能的纳米材料可实现肿瘤的标记和早期诊断。基于荧光纳米显影剂的荧光成像技术应用简便，易于实现肿瘤的定位，提高手术清除率。优异的光/磁特性；低的生物毒性；31. 研究的背景及意义研究的背景及意义 稀土单掺HAP 纳米粒子稀土离子共掺杂途径稀土离子共掺杂途径 颗粒尺寸颗粒尺寸? 分散性分散性? 生物生物毒性毒性? 浓度浓度猝灭猝灭?高温煅烧 提高稀土含量纳米纳米羟基磷灰石羟基磷灰石生物相容性生物相容性生物活性生物活性 骨修复骨修复 载药载药 生物涂层生物涂层牙科牙科生物可降解性生物可降解性细胞

3、标记细胞标记(HAP)42. 稀土共掺稀土共掺HAP的共沉淀法制备及性能研究的共沉淀法制备及性能研究制备过程：Ca2+,REs3+搅拌反应沉淀产物粉末PO43-离心洗涤冷冻干燥HAP:REs悬浮液肝素 钠超声分散l 控制控制(REs3+Ca2+)/P=1.67l 控制控制Eu掺量掺量2%，改变共，改变共掺元素及共掺比例掺元素及共掺比例l 表征手段表征手段: XRD, FT-IR，TEM, XPS和荧光光谱等。和荧光光谱等。5组合最大增强率最佳共掺比例Eu/Tm约50%2:0.2Eu/Gd约150%2:1.5Eu/Tb约120%2:1.2激发波长：394 nmn 稀土元素组合及比例的筛选稀土元素

4、组合及比例的筛选l Eu/Gd组合具有最佳荧光增强效果荧光发射光谱6相组成及结构相组成及结构共掺比例REu:Gdd(002)(nm)d(310)(nm)d(210)(nm)XC (%)2:035.615.119.450.112:0.533.713.422.149.062:140.414.622.646.172:1.532.812.42043.292:234.510.625.940.52Observed vibrational frequencies (cm1)Assignments472 ，564，602 ，962，1034, 1107 cm1PO43631，3569 cm1libration

5、al mode, OH1636 cm12 bending mode, H2O 3430 cm1stretching mode, H2O876 cm1HPO42-1424 cm12 bending mode, CO32-n HAP:Eu/Gd纳米粒子的性能表征纳米粒子的性能表征l Eu/Gd的共掺入未改变晶相组成l 共掺比例增加，结晶度下降l 出现少量缺钙型HAP7形貌、粒径及分散性形貌、粒径及分散性l 板片状l 厚度方向：11.02.1 nml 平面方向：83.827.3 nml 分散性较好，平均粒径约140 nm80，沉淀法合成的HAP:Eu/Gd(2:1.5)样品8 元素含量及价态分析元素

6、含量及价态分析l ICP：钙磷摩尔比偏低l XPS：Eu、Gd共掺入HAP，且未出现+2价Eu离子Molar Ratio Calculated valueObserved valueEu/Gd1.3331.361Ca/P1.6081.264(Eu+Gd+Ca)/P1.671.297元素元素与与Eu单掺单掺HAP相比相比结合能偏移量结合能偏移量Ca 2p+0.15eVP 2p +1.08eVO 1s+0.37eVEu 3d-2.6eVl Gd的共掺 Eu所处晶体场环境改变 Eu的发光性能改变9l 主发射峰：617nm；两种激发波长下均观察到荧光增强效果；l 394nm激发时，荧光强度更高。ex=

7、273 nmex=394 nmn HAP:Eu/Gd的荧光性能的荧光性能8080下合成：下合成：Ca(I)10n煅烧对煅烧对HAP:Eu/Gd的性能影响的性能影响l 结晶度提高，但未出现分解l 形貌不变，仍为板片状l 尺寸增加，出现团聚l 分散性变差，平均粒径：250 nm11600oC煅烧后煅烧后HAP:Eu/Gd的荧光性能的荧光性能Ca(II)结晶度荧光强度特征峰：394nmCTB:200-300 nm未煅烧样品中，没观察到CTB 峰形、位置不变576 nm峰出现最佳Eu/Gd=2:0.5相比273nm，394 nm激发，荧光强度更高122:0.52:1.5l荧光强度相对比值荧光强度相对比

8、值: (REu/Gd=2:J,J=0.5,1,1.5,2)/REu/Gd=2:0l随着随着 REu/Gd 比例增加，非线性增加比例增加，非线性增加l最佳共掺比最佳共掺比: 2:1.5 (80）2:0.5（600）l过多的过多的Gd含量含量 荧光猝灭荧光猝灭荧光强度相对比例荧光强度相对比例ex=394 nm13HAP:Eu/Gd (600) 的激发光谱的激发光谱Eu3+和和Gd3+的能级图的能级图l能量传递：6PJ (Gd3+) CTB 6PJ (Gd3+) 5HJ(Eu3+) 起主要作用 n Eu/Gd共掺的荧光增强机理共掺的荧光增强机理激发波长激发波长Ex=273 nm时：时：CTB14激发

9、波长激发波长Ex=394 nm时：时：能量传递过程示意图l Eu/Gd间的合作上转换过程(CU)和连续能量转移过程（SET)的共同作用。l CU（合作上转换）过程：394 nm激发下，Eu3+(5L6)传递能量给附近的Gd3+，Gd3+被激发至6GJ，Eu3+回到基态。l SET(连续能量转移）过程： Gd3+(6GJ)传递能量给Eu3+， Eu3+被激发至更高能级并逐级跃迁至5HJ， 5D0， 7FJ能级，并放出光子。l 整个过程中，能量损失减少，荧光效率提高153. HAP:Eu/Gd的溶胶凝胶法制备的溶胶凝胶法制备n TG-DSC曲线曲线l 放热峰：381.4oC有机物大量分解；l 50

10、0700晶化过程。前驱体的TG-DSC曲线16n 相组成和结构相组成和结构煅烧温度的影响煅烧温度的影响l 温度升高，物相逐渐变为单一物相组成l 明显的B型碳酸根取代HAPl 合适的温度为600以上17PAA浓度的影响浓度的影响l 0.20.6mg/mL浓度范围内，对产物影响不大l 同时发生A、B型碳酸根取代HAPA/B Type18煅烧时间的影响煅烧时间的影响l 保温时间1h，有机物分解不完全，结晶度低，产物为 多物相组成；3h后，为单一HAP物相组成，部分CHAP。19n 荧光性能分析荧光性能分析不同煅烧温度不同PAA含量不同煅烧时间激发波长：350 nm394 nml 350 nm激发时：

11、 荧光强度更高， 主发射峰：575 nm；l 稀土离子主要位于Ca(II)位置。20n 形貌、粒径及元素含量形貌、粒径及元素含量4503h6003h7503hSEM TEMl 椭球形颗粒，直径3050 nml 短棒状和椭球形颗粒，长50120 nml 短棒状颗粒聚集成宽1m，长约25m的大片状颗粒21Camg/LPmg/LEu mg/LGd mg/LCa/P mol%Eu/Gd mol%(Ca+Eu+Gd)/P mol%实测值61.29729.5420.03190.02441.6081.3071.61理论值-1.6081.3331.674503h6003h7503hICP测试l 平均粒径在40

12、0500 nml 有一定程度的硬团聚l 元素摩尔比接近于理论值22n 与沉淀制备法的比较与沉淀制备法的比较两种制备方法在 600煅烧后的产物荧光强度比较l主发射峰溶胶凝胶法：575 nm，黄色黄色荧光为主；沉淀法为616 nm。l荧光强度两种方法产物主发射峰荧光强度相差不大。l溶胶凝胶法更易于稀土离子向晶格内部的扩散，位于反演对称中心的Ca(II)位置位置。l粒径及分散性：沉淀法分散性较好好，平均粒径较小小；而溶胶凝胶法出现硬团聚。l元素摩尔比：溶胶凝胶法更易控更易控制制产物元素成分。234. HAP:Eu/Gd的生物相容性及荧光成像应用的生物相容性及荧光成像应用n 生物安全性评价生物安全性评

13、价不同浓度HAP:Eu/Gd的细胞毒性不同浓度HAP:Eu/Gd的溶血率值l 溶血率值远小于5%，未造成红细胞溶血l 1d，3d内未表现出细胞毒性24l 随着与HepG2细胞共培养时间增加，培养孔内Eu、Gd总含量增加；l Eu/Gd摩尔比与理论值接近；l 共培养时间为24h时，单个细胞内的含量达到最大值。n 细胞对纳米颗粒的摄取细胞对纳米颗粒的摄取25l 纳米颗粒进入细胞，存在于空泡中，围绕在核周；l EDS结果中出现Ca、P、Eu和Gd，表明颗粒物为HAP:Eu/Gd。26l 共培养4h和24h后，即可在HepG2 细胞中发射出明显红色荧光 (405 nm激光器)n 细胞成像细胞成像27n

14、 体外生物降解评价体外生物降解评价CPBS 溶液的 pH 值随时间变化曲线细胞外的 Eu3+累积降解率l 稀土掺杂增加了HAP在CPBS酸性介质中的溶解度；l 72h后，HAP:Eu/Gd 在细胞内的降解率达到近65%28l 血液中的浓度为：血液中的浓度为：17.580.88g/mol （0.58mol/mL)l 材料主要集中在肝部；材料主要集中在肝部；n 体内荧光成像及组织分布体内荧光成像及组织分布空白腹腔注射后约10分钟尾静脉注射后约5分钟尾静脉注射后约1.5小时尾静脉注射后约3小时295. 结论与展望结论与展望结论1.基于稀土元素间的能量传递机制，实现了稀土共掺 HAP 纳米粒子的荧光增

15、强。 3.沉淀法合成的稀土共掺 HAP 纳米粒子具有良好生物相容 性和细胞内的可降解性，可以用于体内外的荧光成像。展望1. 对颗粒表面进行改性以实现肿瘤细胞的特异性识别和 靶向成像。2. 探索其他荧光增强途径，以便保证高荧光强度同时降低 稀土用量以避免长期生物毒性 。2. PAA溶胶凝胶法可获得主晶相为HAP的Eu/Gd共掺纳米粒子，产物成分可控，发射出黄色荧光。30所承担的项目：所承担的项目：l 2015年 武汉理工大学研究生自主创新研究基金（自由探索项目），名称：稀土共掺杂羟基磷灰石纳米粒子制备及荧光增强效应研究. （结题验收被评为：优秀）已发表论文：已发表论文：l Xie Y F, He

16、 W M, Li F, Perera T S H, Gan L, Han Y C *, Wang X Y, Li S P and Dai H L *. Luminescence Enhanced Eu3+/Gd3+ Co-Doped Hydroxyapatite Nanocrystals as Imaging Agents In Vitro and In VivoJ. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(16):10212-10219. l Xie Y F, Perera T S H, Li F, Han Y C* and Yin M

17、 Z *. Quantitative Detection Method of Hydroxyapatite Nanoparticles Based on Eu3+ Fluorescent Labeling In Vitro and In VivoJ. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(43): 23819-23823.（共同一作）l Lu X F, Xie Y F, Han Y C *, et al. Ultrasound-Induced Albumin Gelation Method for the Preparation of Nanostructured HydroxyapatiteJ. Materials Letters, 2015, 161: 128-131.(共同一作)发明专利申请：发明专利申请：l 韩颖超，谢云飞，李芳，王欣宇，戴红莲，李世普. 稀土掺杂磷酸钙荧光纳米粒子及其制备方法和应用. 申请号：CN201510388604.2，公开号：CN105018086A. 参加学术会议：参加学术会议：l Xie Y F, Li F,