单分散无机超粒子在生物成像分析中的应用

田阳

华东师范大学化学与分子工程学院，上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室，上海 200241

单分散超粒子的结构设计及生物成像分析应用。

超粒子(Supraparticles，SPs)是指相同或不同无机纳米晶通过自组装形成具有特定形貌和分级结构的纳米粒子聚集体。超粒子不仅具有新颖可调的集合性质和协同效应1–4，其多级次形貌和可设计的空间拓扑结构为其与各种生物系统相互作用提供了多尺度、多维度契合可能，因此有望成为一种新的纳米分析工具。近期，安徽师范大学夏云生教授课题组围绕超粒子结构设计、性质调控及其在生物应用领域开展了系列研究工作。

在细胞分析方面，因单一的二维纳米材料与细胞相互作用时，缺乏有效的信号输出，极大地限制了相关方面的研究5,6。夏云生课题组巧妙设计一种可变形的各向异性、二维飞碟状(UFO)AuNP@MnO2核@壳结构超粒子，并在单颗粒水平研究了其与细胞的相互作用。由于该超粒子的二氧化锰薄片柔软易变形，在囊泡化过程中，二氧化锰薄片弯曲、折叠，进一步包裹金核，使其周围折射率增大而发生局域表面等离子共振(LSPR)红移。基于这一设计，实现了纳米材料囊泡化过程的动态、实时监测。实验中，观察到两种不同的囊泡化过程，速率相差约一个数量级。而且，该超粒子进入细胞后，与胞内的还原性分子(如谷胱甘肽，GSH)发生反应(二氧化锰薄片被刻蚀)，LSPR蓝移。这一现象为在单细胞水平上探索胞内局部环境的氧化还原状态提供了可能。该研究成果以热点文章(Hot Paper)形式发表于Angewandte Chemie International Edition上7。

在磁共振成像方面，为解决小尺寸T1氧化铁造影剂易于聚集的问题，夏云生课题组采用水相一步法制备出具有分级结构、尺寸为15 nm、稳定的单分散Fe2O3超粒子，并在活体水平实现了“off-on”模式T1磁共振成像。因Fe2O3超粒子的比表面积体积比明显减小，具有小的r1弛豫率(0.19 mM−1∙s−1)，即以“off”状态进入体内；而在肿瘤微环境(含有GSH + H+)下Fe2O3超粒子解组装，其r1值增大了6倍，同时r2/r1比值降低了20倍，具有高信噪比的T1磁共振成像能力，即进入“on”模式。同时，Fe2O3SPs具有高的生物相容性及良好的肿瘤靶向能力，所以能够对5 mm3的小肿瘤实现体内磁共振T1成像。此外，由于分级和准无定型的结构设计，该Fe2O3SPs可在体内解组装甚至发生分解，进而及时通过肾脏代谢清除，大大提高生物安全性。该研究成果在线发表于近期ACS Nano上8。