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长余辉纳米诊疗剂的设计策略与应用研究进展

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1 引言

长余辉发光是一种独特的光学现象,不同于短寿命的光致发光，长余辉发光能够在停止激发后仍然维持长达数秒、数小时甚至数天的持久发光[1-4]。长余辉发光的独特性质主要取决于发光离子和有效陷阱[5-7]。其过程是发光中心在高能光激发下，电子从基态跃迁到激发态，而激发态部分电子跃迁到基质导带成为自由电子时，部分电子被陷阱所捕获；被捕获的电子在热激活或者其他物理作用下逃离陷阱，当其重新跃迁回发光中心基态时，形成了长余辉发光。这种特殊的激发/发射分离现象，避免了光学成像中自体荧光和激发光在生物组织体内光散射的干扰。因此，长余辉纳米材料具备其他荧光标记物所不具有的高分辨率、大成像面积和更便捷的操作模式等优势[8-14]。近几年，长余辉纳米材料在生物活体成像应用领域逐渐成为了研究热点。

目前，生物医学诊疗一体化需求激增，长余辉纳米诊疗剂具有高分辨的成像诊断、良好的生物相容性与可控的药物负载释放治疗等优势，在临床应用上日益突显出良好的应用前景。然而，现有无机长余辉材料的单一功能限制了其在生物医学诊疗方面的应用前景，同时由于其无机属性使得钝化表面难以改性或负载药物[15-21]。

近年来，针对生物医学诊疗集成一体化需求，科研工作者提出了多种长余辉纳米材料的设计策略，为发展集成化长余辉纳米诊疗剂开辟了新道路与方向[22-23]。为解决上述问题，长余辉纳米材料的开发应遵循以下策略：(1)具有稳定的余辉性能(初始余辉强度较强且余辉持续时间长)；(2)颗粒尺寸大小应适用于生物体内(<200 nm)；(3)具备示踪、载药-释放等功能。因此，如何设计长余辉纳米诊疗剂是一项具有挑战性的研究课题。

目前，已发表的长余辉纳米材料综述文章都聚焦于长余辉纳米材料的合成方法和生物应用方面。例如，Wang等总结了长余辉纳米材料在生物传感、生物成像和癌症治疗方面的最新成果[3]。Sun等论述了长余辉纳米材料在生物成像-诊断应用领域的研究成果[10]。Liang等总结了近红外长余辉纳米材料的合成和应用，讨论了近红外长余辉材料的发光机理[24]。然而，缺乏对长余辉纳米诊疗剂设计策略的综述。

本综述论述了多种长余辉纳米诊疗剂的设计策略，对如何解决关键问题进行分析与讨论，归纳了长余辉纳米诊疗剂在生物成像和医学诊疗方面的进展，总结了长余辉纳米诊疗剂的优越性、在未来面临的挑战和应用前景。

2 长余辉纳米诊疗剂的设计策略

根据长余辉纳米诊疗剂的强余辉、小尺寸、多功能的设计标准，综合近几年来不同的设计策略，我们归纳了以下几种结构的长余辉纳米诊疗剂。表1给出了不同设计策略对长余辉纳米诊疗剂余辉特性和形态影响的比较。

表1 在颗粒大小、形貌控制、分散性、热处理温度和余辉时间方面，长余辉纳米诊疗剂的设计策略比较Tab.1 Comparison of design strategies of persistent luminescence nanotheranostics in terms of particle size, morphology control, dispersion, heat treatment temperature and afterglow time设计策略颗粒大小形貌控制分散性热处理温度/℃余辉时间长余辉材料组分合成方法大空腔结构<500 nm可控可调空心球形一般800 >1 600 sZnGa2O4∶Cr3+模板法、高温煅烧嵌入模板结构50 nm介孔球形良好950 >10 000 sGd3Ga5O12∶Cr3+,Nd3+ZnGa2O4∶Cr3+模板法、热处理多层结构<200 nm可控可调多层球形良好600～950 >24 hZnGa2O4: Cr3+ZnGa2O4∶Cr3+,Bi3+模板法、水热法纳米团簇结构100 nm 团簇良好200～330 >5 ∶Cr3+水热法MOF杂化结构<200 nm核壳结构良好<600 >30 ∶Cr3+水热法

2.1 大空腔结构设计

负载药物的纳米载体要求具备较大的表面积与体积比，而长余辉纳米材料在传统的设计策略下不易达到该条件，且本身无机表面的钝化作用进一步加大了负载药物的难度。下面介绍的长余辉纳米诊疗剂的设计策略利用了长余辉材料构建异型结构从而增大其表面积(图1)[25]，与普通的规则球体纳米材料相比，该结构具有大空腔和介孔结构，可实现化学药物或光敏剂高效率的负载[25-27]。

这种设计策略用碳球作为模板，通过水热法将长余辉材料覆盖在碳球的表面形成壳层，在高温下煅烧，碳球受热变成二氧化碳排出，留下了长余辉材料壳层，形成一个表面带有气孔的空腔(图1(a))。这种设计策略的巧妙之处在于：(1)在碳球受热排出过程中可以形成空腔和气孔，增加了长余辉纳米材料的表面积，从而有利于有机物的吸附或嫁接；(2)由于温度升高，碳球气化排出，壳层产生了一定程度收缩，使得该方法不仅有利于形成有效陷阱，而且避免了纳米晶体团聚现象[28]；(3)通过调整碳球模板的尺寸大小实现长余辉纳米材料的尺寸可控可调(图1(b)～(d))。与调整升温速度、煅烧温度、反应时间等传统方法相比，该策略突破了传统方法的束缚，过程简便，易于合成尺寸可控、大比表面积、高性能的长余辉纳米材料，为实现多功能纳米诊疗剂提供了可能。

文章来源：《临床药物治疗杂志》网址: http://www.lcywzlzz.cn/qikandaodu/2021/0306/619.html