研究背景

碳點(diǎn)(CDs)是一種充滿朝氣的熒光碳納米材料集合，具有小的高度碳化內(nèi)核和聚合物表面基團(tuán)。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，賦予CDs出色的光學(xué)和電子特性。其中，由于CDs具有尺寸小、易于功能化和生物相容性的特點(diǎn)，使得其在生物和生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用激增。小尺寸允許它們穿越各種體內(nèi)的天然生物屏障包括離子通道、血腦屏障 (BBB)和腎小球屏障。同時(shí)，CDs的可調(diào)節(jié)的功能特性使其成為理想的納米膠囊和納米載體，可將藥物和基因裝載和遞送至體內(nèi)特定目標(biāo)。此外，一些CDs的光學(xué)特性為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。例如，許多CDs在近紅外區(qū)域吸收強(qiáng)烈，為光聲成像和光熱治療提供原位光熱效應(yīng)。CDs也被用作深部組織熒光成像的熒光造影劑。

研究出發(fā)點(diǎn)

迄今為止，關(guān)于CDs的合成、化學(xué)和物理性質(zhì)及其生物學(xué)應(yīng)用已經(jīng)有許多優(yōu)秀的綜述。然而，大多數(shù)關(guān)注單一方面(合成、性質(zhì)或生物應(yīng)用)，而不是提供所有這些領(lǐng)域的全面概述。此外，CDs這一領(lǐng)域正在迅速發(fā)展，特別是在生物和生物醫(yī)學(xué)中。過去5年發(fā)表關(guān)于CDs的所有論文中，約有40%與CDs或其復(fù)合材料的生物應(yīng)用有關(guān)。因此，定期總結(jié)CDs在生物/生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的最新進(jìn)展對于這一領(lǐng)域的未來發(fā)展至關(guān)重要。

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鑒于此，鄭州大學(xué)盧思宇教授受邀綜述了CDs在生物成像、生物傳感和治療學(xué)中的最新進(jìn)展，并對CDs及其復(fù)合物的未來的生物應(yīng)用發(fā)展提出了建議和討論。在該綜述中，作者首先通過總結(jié)目前用于生物學(xué)應(yīng)用CDs的制備方法；并全面回顧了CDs的光學(xué)性質(zhì)，毒性和生物催化的特性；然后，對已報(bào)道的應(yīng)用進(jìn)行分類，討論了CDs在生物成像、生物傳感、藥物遞送、抗菌、抗癌（光熱療法、光動(dòng)力療法和協(xié)同療法）和抗病毒等領(lǐng)域的最新研究；最后，對CDs在生物醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域的前景和挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。相關(guān)成果以Carbon Dots in Bioimaging, Biosensing and Therapeutics: A Comprehensive Review為題發(fā)表在Small Science?。

圖文解析

CDs的結(jié)構(gòu)

CDs的結(jié)構(gòu)決定了它們的應(yīng)用潛力。大量研究表明，CDs是核殼結(jié)構(gòu)，通常在碳核和聚合物殼之間沒有明確的邊界。核通常可以包含多晶納米域，其中包含被無定形域包圍的微小碳簇。作為碳核中的子域的碳簇可以具有共軛π結(jié)構(gòu)或類金剛石結(jié)構(gòu)，這可以通過在透射電子顯微鏡(TEM)中觀察到的晶格來判斷。聚合物表面的存在賦予了CDs特定的性能。聚合物側(cè)鏈通常可以使用原子力顯微鏡(AFM)和動(dòng)態(tài)光散射(DLS)檢測。通過比較粒度來確認(rèn)側(cè)鏈的存在。最近，通過將CDs的結(jié)構(gòu)參數(shù)與模型擬合的相應(yīng)小角X 射線散射(SAXS) 模式進(jìn)行比較，進(jìn)一步證實(shí)了核殼結(jié)構(gòu)的存在。對于CDs的形態(tài)和大小，盡管大多數(shù)CDs呈現(xiàn)點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，但研究人員通過前體選擇和反應(yīng)工藝設(shè)計(jì)，開發(fā)了具有不同尺寸和形態(tài)（三角形、帶狀、棒狀等）的 CDs。同時(shí)，在CDs的制備過程中，根據(jù)前驅(qū)體的不同，可以在CDs表面引入-OH、-COOH、-CHO、-NH2和-SH等多種官能團(tuán)。官能團(tuán)的數(shù)量會(huì)影響它們的性質(zhì)，可以通過滴定法對表面官能團(tuán)進(jìn)行評估。氨基數(shù)的測定通常采用茚三酮比色法。羧基含量可以通過 Boehm滴定法測定。此外，也可以按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行堿滴定，測出羥基和羧酸的總量，然后進(jìn)行電導(dǎo)滴定，了解羥基和羧酸的相對含量，最后計(jì)算出它們各自的含量。

CDs的制備

迄今為止，已開發(fā)出多種合成路線來尋求簡單、經(jīng)濟(jì)高效、尺寸可控或可擴(kuò)展的方法來制作高質(zhì)量的CDs。合成方法通常分為兩大類：自上而下和自下而上法。?自上而下的方法基于較大碳結(jié)構(gòu)的碎裂，包括電弧放電、激光燒蝕、氧化開裂和電化學(xué)氧化等。主要優(yōu)點(diǎn)是原材料豐富，可以大規(guī)模生產(chǎn)高結(jié)晶性的CDs。然而，自上而下的方法制備的CDs通常具有不均勻的形態(tài)、廣泛的尺寸分布，并且可能含有可淬滅熒光的雜質(zhì)。自下而上的方法涉及從簡單的碳前體通過脫水反應(yīng)和進(jìn)一步的碳化過程構(gòu)建CDs。前體通常具有 -OH、-COOH和 -NH2等基團(tuán)，有利于在高溫下通過脫水和碳化過程。由于其簡單的操作和明確的碳前體，自下而上的技術(shù)現(xiàn)在被廣泛用于生產(chǎn)具有均勻形態(tài)、窄尺寸分布和穩(wěn)定性能的CDs。常見的自下而上方法包括微波合成和溶劑熱/水熱過程。在CDs制備后，對其進(jìn)行進(jìn)一步修飾，可賦予CDs特定的屬性。例如，雜原子摻雜可以賦予CDs調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)缺陷，這些新的表面狀態(tài)可能會(huì)促進(jìn)輻射復(fù)合，導(dǎo)致更高的QY和具有與激發(fā)無關(guān)的發(fā)射。除了通過元素?fù)诫s實(shí)現(xiàn)的固有特性控制外，還可以使用涉及非共價(jià)和共價(jià)偶聯(lián)策略的合成后修飾來進(jìn)一步調(diào)整CDs的功能特性。

圖1. CDs的制備及其表面修飾。

CDs的屬性

納米材料的應(yīng)用與其性質(zhì)密切相關(guān)，因此要在生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中有效利用CDs，需要深入了解其性質(zhì)和結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系。在CDs的眾多特性中，它們的光學(xué)特性和毒性可以說是對其生物應(yīng)用最重要的。

光學(xué)性質(zhì)

CDs的光學(xué)特性是目前非常熱門的研究課題。諸如高QY熒光、紅光/NIR 發(fā)射、上轉(zhuǎn)換光致發(fā)光 (UCPL)、NIR 驅(qū)動(dòng)的光熱和手性發(fā)光等特性都被用于CDs 在生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。

圖2. CDs的光學(xué)性質(zhì)。

毒性

隨著CDs可能的工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的探索，其生物安全問題逐漸浮出水面。評估CDs性的主要方法有兩種。一種是體外評估，該測試通常涉及通過某些測定法(例如 MTT、CCK-8、WST-1等)進(jìn)行的細(xì)胞活力實(shí)驗(yàn)。第二種是體內(nèi)評估，其中CDs溶液通過尾巴或靜脈直接注射到活體或小鼠和斑馬魚中。關(guān)于CDs的毒性研究，大多數(shù)報(bào)告顯示CDs的毒性非常低或無毒。然而，CDs的毒性與多種因素密切相關(guān)，包括單個(gè)CDs的理化性質(zhì)對表面電荷、光解、濃度等外部條件的影響。每種CDs都有其獨(dú)特的性質(zhì)，這反過來又決定了它的毒性。

圖3. CDs的毒性評估。

生物催化平臺(tái)

除了優(yōu)異的光學(xué)性能和低毒性外，催化也成為了化學(xué)家們感興趣的領(lǐng)域。目前，CDs已經(jīng)成為一種成熟的工具，被廣泛用于設(shè)計(jì)和開發(fā)新的催化過程，包括有機(jī)轉(zhuǎn)化、人工光合作用、生物催化等。其中，酶輔助生物催化轉(zhuǎn)化在人類生命活動(dòng)和醫(yī)療干預(yù)中發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)控機(jī)制，越來越受到重視。通過監(jiān)測不同酶和物質(zhì)之間的生物催化轉(zhuǎn)化，有利于預(yù)防、識(shí)別和治療疾病。鑒于其獨(dú)特的特性，CDs被認(rèn)為能夠通過檢測相關(guān)代謝物的表達(dá)水平來敏感地驅(qū)動(dòng)酶輔助生物催化轉(zhuǎn)化。

CDs的應(yīng)用

在本節(jié)中，主要討論CDs和基于CDs的復(fù)合材料在生物和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一些重要應(yīng)用，包括生物成像、傳感、藥物遞送、抗菌劑、抗癌劑（光熱療法、光動(dòng)力療法和協(xié)同療法），以及抗病毒藥物。重點(diǎn)關(guān)注CDs及其復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用之間的關(guān)系，對具有特定功能的CDs的定制開發(fā)有更廣闊的視野。

生物成像

生物成像能夠了解細(xì)胞和生物體的結(jié)構(gòu)和生理功能。因此，它在醫(yī)療保健領(lǐng)域嚴(yán)重依賴于診斷人類疾病的工具。在各種生物成像方法中，基于CDs的光學(xué)生物成像越來越受到關(guān)注。該技術(shù)利用成像區(qū)域與周圍背景之間的光學(xué)對比度，允許在細(xì)胞甚至單分子水平上成像，同時(shí)還可以進(jìn)行早期檢測，癌癥等危及生命的疾病的篩查、診斷和影像引導(dǎo)治療。CDs的成像功能源于其獨(dú)特的光學(xué)特征或結(jié)合在其核心或表面的功能性試劑。

圖4. CDs的生物成像應(yīng)用。

生物傳感生物傳感是分析傳感的一個(gè)子領(lǐng)域，特別關(guān)注在檢測過程中結(jié)合分子生物識(shí)別實(shí)體。CDs的優(yōu)異光物理特性，如光致發(fā)光和良好的電導(dǎo)率使其成為有價(jià)值的生物傳感材料。通常，CDs的傳感原理是基于表面官能團(tuán)或靶向部分與分析物之間的特定相互作用，導(dǎo)致 CDs 的光發(fā)射特性發(fā)生變化。理論上，任何光學(xué)變化，包括熒光強(qiáng)度、比色波長或壽命都可以作為可測量的信號來實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)分析物的識(shí)別。在此基礎(chǔ)上，基于CDs的生物傳感器可分為三類?類別：開-關(guān)、關(guān)-開和熒光偏移。

圖5. CDs的生物傳感應(yīng)用。

藥物遞送

基于納米材料的藥物遞送涉及通過封裝、吸附或結(jié)合將藥物摻入納米顆粒載體中，從而允許在體內(nèi)安全穩(wěn)定地給藥。CDs由于易于修飾，是靶向遞送抗癌藥物（例如阿霉素、順鉑、紫杉醇等）用于癌癥治療。大多數(shù) CDs@drug復(fù)合物具有可裂解的化學(xué)鍵，可以在腫瘤部位的酸性環(huán)境下或響應(yīng)其他刺激而靶向釋放藥物。除了增強(qiáng)靶位點(diǎn)的遞送和控釋外，CDs還可以幫助克服癌細(xì)胞或其他病變細(xì)胞的耐藥性。

圖6. CDs的藥物遞送應(yīng)用。

抗菌

由于細(xì)菌對常規(guī)抗菌劑的耐藥性不斷增強(qiáng)，因此發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異性能和特異性的新型抗菌劑變得至關(guān)重要。作為抗生素的替代品，抗菌納米材料由于其自身特性近年來受到廣泛關(guān)注。CDs顯示出作為抗菌劑的巨大潛力，因?yàn)樗鼈円子诒豢咕倌軋F(tuán)或可控表面電荷官能化。通過控制表面電荷和功能特性，CDs的親和力、特異性和抗菌特性可以被精確控制。

圖7. CDs的抗菌應(yīng)用。

光動(dòng)力療法(PDT)

PDT依賴于光敏分子產(chǎn)生的1O2或ROS的生成來殺死癌細(xì)胞。PDT涉及三個(gè)關(guān)鍵要素：光敏劑 (PS)、光和氧?；贑Ds的PDT通常有兩種過程，對于I型過程，PS直接與有機(jī)分子或細(xì)胞膜等底物反應(yīng)，傳遞質(zhì)子或電子形成自由基；對于II 型過程，激發(fā)態(tài)的能量可以轉(zhuǎn)移到O2上，形成1O2。在CDs的PDT中，CDs可以直接作為光敏劑在光照射下產(chǎn)生活性氧，然而在大多數(shù)情況下，單個(gè)CDs很難產(chǎn)生足夠的ROS來進(jìn)行有效的治療。因此，將CDs與傳統(tǒng)光敏劑結(jié)合是提高PDT效率的有效策略。此外，CDs提供的水溶性，可以是光敏劑和CDs復(fù)合后更好的用于生物應(yīng)用中。

圖8. CDs的光動(dòng)力療法。

光熱療法(PTT)PTT是一種不依賴氧氣的光療法，它依賴于燒蝕劑（例如具有光熱效應(yīng)的納米材料）將光轉(zhuǎn)化為熱，升高的溫度可以殺死癌細(xì)胞，同時(shí)最大限度地減少對正常細(xì)胞的明顯副作用。這種方法利用了正常細(xì)胞比癌細(xì)胞具有更高耐熱性的事實(shí)。理想情況下，光熱劑應(yīng)滿足所有以下標(biāo)準(zhǔn)：1) 在近紅外區(qū)域具有強(qiáng)吸收，具有低熒光QY和單線態(tài)氧產(chǎn)生率，從而最大限度地將吸收的光子轉(zhuǎn)化為熱量；2) 無光照射無毒，但在紅光或近紅外照射下選擇性殺死癌細(xì)胞；3) 易于制備和修飾。CDs 有可能滿足所有這些要求，因此被認(rèn)為是非常有前途的PTT試劑。

圖9. CDs的光熱療法。

協(xié)同治療

為了實(shí)現(xiàn)更有效的癌癥治療，包括影像引導(dǎo)給藥、光療和PDT-PTT聯(lián)合治療在內(nèi)的協(xié)作治療正變得越來越有吸引力。影像引導(dǎo)治療方法可以克服傳統(tǒng)癌癥治療中藥物濃度不足、全身毒性高、副作用嚴(yán)重、缺乏監(jiān)測等問題。作為一種非侵入性策略，先進(jìn)的圖像分析技術(shù)可用于癌癥的早期診斷，并為個(gè)性化治療提供可靠依據(jù)。圖像分析可以直接觀察治療性納米顆粒在代謝途徑中的行為，并控制對外部刺激的反應(yīng)。除了影像誘導(dǎo)給藥、PTT 和 PDT 外，PDT-PTT 的聯(lián)合治療已成為近年來光療的一個(gè)關(guān)鍵方向。與需要兩種不同光源的傳統(tǒng) PTT/PDT 集成平臺(tái)相比，基于CDs 的平臺(tái)僅使用單個(gè)光源即可提供多模式治療，從而同時(shí)產(chǎn)生 ROS和熱量，從而更有效地殺死癌細(xì)胞。在PTT劑上負(fù)載少量光敏劑也可以克服對有效PTT的高功率激光照射的需要。

圖10. CDs的協(xié)同治療法。

抗病毒

新病毒的出現(xiàn)及其對人類的潛在威脅是一個(gè)全球性問題。最近爆發(fā)的SARS-CoV-2和COVID-19是需要開發(fā)有效抗病毒療法的極好例子。有待開發(fā)的有效抗病毒策略，而不僅僅是依賴于傳統(tǒng)的疫苗接種方法。通常，病毒具有納米級的尺寸，這為構(gòu)建相同規(guī)模的碳基納米材料（例如 CDs）提供了線索，以賦予抗病毒作用。雖然對CDs的抗病毒活性的研究正處于萌芽階段，它們很可能在未來的抗病毒應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

總結(jié)與展望

當(dāng)前，與CDs生物學(xué)有關(guān)的學(xué)科正在蓬勃發(fā)展。同時(shí)，具有新結(jié)構(gòu)的CDs合成的進(jìn)步創(chuàng)造了功能。為了最大限度地發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值，需要對CDs中的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系有更深入的了解。在這里，我們提供了一些令人振奮的方向，供以后進(jìn)行研究。

（1）盡管制備CDs的方法多種多樣，但按公斤級生產(chǎn)CDs依然困難；

（2）為了最大限度地減少光散射和組織損傷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更深的光穿透組織，需要具有深紅色到NIR光激發(fā)的CDs用于成像、成像引導(dǎo)治療和光療；

（3）由于CDs難以進(jìn)入細(xì)胞核，因此關(guān)于CDs的細(xì)胞毒性研究大多集中在細(xì)胞質(zhì)水平。對于體內(nèi)毒性，常用的動(dòng)物模型可能無法準(zhǔn)確模擬人體環(huán)境的復(fù)雜性。有必要對非人靈長類動(dòng)物進(jìn)行毒性研究，探索其潛在的臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值；

（4）雖然CDs的表面修飾和功能化可以提高靶向選擇性，但CDs表面的官能團(tuán)也可能與生物環(huán)境中的某些物質(zhì)相互作用，導(dǎo)致信號錯(cuò)誤。因此，需要針對特定的應(yīng)用仔細(xì)選擇CDs 表面的官能團(tuán)類型；

（5）目前，對CDs藥物體內(nèi)行為的了解非常有限，迫切需要臨床試驗(yàn)；

（6） CDs的納米醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，很少有關(guān)于使用CDs進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的治療報(bào)告，這種評估患者健康狀況的有效且省時(shí)的方法，值得在未來進(jìn)一步關(guān)注；

（7）以CDs為基礎(chǔ)的抗病毒藥物的研究仍處于起步階段，有必要適應(yīng)病毒的變異并定制 CDs以對抗出現(xiàn)的每種新病毒株；

（8）基于CDs的單原子納米藥物的生物應(yīng)用研究才剛剛起步，如何提高單個(gè)金屬原子的負(fù)載效率，增強(qiáng)配合物的選擇性，闡明生物應(yīng)用的確切機(jī)制至關(guān)重要。

文獻(xiàn)鏈接：

https://doi.org/10.1002/smsc.202200012.?

來源：碳點(diǎn)之光

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