论文总字数：23341字

摘 要

癌症作为一个日趋严重的全球公共卫生问题，如今受到了越来越多的大众与研究人员的关注。传统的三大癌症疗法（化疗，放疗，手术切除）不仅治愈效率低，而且会对人体造成不可逆的损伤，光介导光热疗法（PTT）作为一种新兴的癌症治疗方法在近几年逐渐走进大众视野，并已被开发成可代替传统癌症疗法的癌症治疗手段。目前人们对于PTT的研究主要集中于光热转换剂（PTA）上，如果可以研制出一种无毒或低毒，光热转换率高的PTA，那么利用PTT来治疗将会事半功倍。贵金属纳米材料由于其独特的纳米尺寸效应，光学效应及其衍生出的光电、光热及光磁效应，被广泛应用于传感、催化、能量存储以及医学诊断及治疗等领域，其在有关PTA的研究中也展现出了强大的潜力。本文的实验目的在于通过改变金纳米粒子的尺寸、形状以及表面修饰分子来探寻一种光热转换效率高且适于癌症治疗的金纳米粒子。本实验预测结果为，金纳米棒和金纳米双锥相比金纳米球与金纳米星，在一定长径比下的LSPR吸收峰更容易接近或者进入近红外区；在表面修饰物中，经聚多巴胺（PDA）修饰的粒子的LSPR峰红移量较大于经聚吡咯（Ppy）和聚乙二醇（PEG）修饰后的粒子。由此可见经PDA修饰的长径比为4左右的金纳米棒为很好的PTA材料。

关键词：光介导光热疗法，光热转换剂，金纳米粒子，高分子材料，表面修饰

Preparation and photothermal effect of gold nanoparticles for photothermal therapy

Abstract

As an increasingly serious global public health problem, cancer has been threatening human life. Traditional Cancer Therapies such as chemotherapy, radiotherapy and resection have serious limitations, such as side effects for patients and low efficacy, light-mediated photothermotherapy (PTT) , as a new cancer treatment method, has gradually come into the public field in recent years, and has been developed to replace the traditional cancer therapy. At present, the research on PTT is focused on the research and development of light-heat transfer agent (PTA) . The key to the success of photothermal therapy is to produce strong light absorption and high light-heat transfer efficiency on cancer cells, and the pursuit of light-heat transfer efficiency, directly related to the study of PTA. Noble Metal nanomaterials are widely used in the fields of sensing, catalysis, energy storage, medical diagnosis and treatment because of their unique nano-size effect, optical effect and the derived photoelectric, photo-magnetic and photo-thermal effects, it also showed a strong potential in PTA research. The aim of this study is to find a new kind of gold nanoparticles with high photothermal conversion efficiency and suitable for cancer treatment by changing the size, shape and surface-modified molecule of gold nanoparticles. The experimental results show that the LSPR absorption peaks of gold nanorods and gold nanorods are closer to or enter the near infrared region than gold nanorods and gold nanorods, the redshift of LSPR peak of PDA-modified particles was larger than that of polypyrrole (Ppy) and Polyethylene glycol-modified particles. Therefore, the gold nanorods modified by PDA with aspect ratio of about 4 are good PTA materials.

Keywords：light-mediated photothermotherapy，light-heat transfer agent，gold nanoparticles，polymer material，surface modification

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 光热疗法在癌症治疗中的应用 1

1.1.1 传统癌症疗法的弊端 1

1.1.2 与金纳米粒子结合的新型光热疗法 1

1.2 金纳米粒子研究现状 2

1.3 金纳米粒子制备方法概述 3

1.3.1 还原法制备金纳米粒子 3

1.3.2 晶种生长法制备金纳米粒子 4

1.4 影响金纳米粒子粒径与形状的因素 4

1.4.1 还原法制备金纳米球 5

1.4.2 还原法制备金纳米星 5

1.4.3 晶种生长法制备金纳米棒 5

1.4.4 晶种生长法制备金纳米三角棱柱 6

1.4.5 晶种生长法制备金纳米双锥 6

1.5 研究内容与预期目标 6

第二章 实验方案设计 7

2.1 实验设计 7

2.1.1 形状及尺寸 7

2.1.2 表面改性 9

2.1.3 表征方法 11

第三章 预测结果与讨论 13

3.1 Ppy修饰金纳米球 13

3.1.1 未经修饰的金纳米球 13

3.1.2 经Ppy修饰的金纳米球 13

3.2 PDA修饰金纳米棒 14

3.2.1 未经修饰的金纳米棒 14

3.2.2 经PDA修饰的金纳米棒 15

3.3 PEG修饰金纳米星 16

3.3.1 未经修饰的金纳米星 16

3.3.2 经PEG修饰的金纳米星 16

3.4 PDA修饰金纳米双锥 16

3.4.1 未被修饰的金纳米双锥 16

3.4.2 经PDA修饰的金纳米双锥 17

第四章 结论 18

参考文献 19

致谢 23

第一章 绪论

1.1 光热疗法在癌症治疗中的应用

1.1.1 传统癌症疗法的弊端

癌症作为一种全球性的公共健康问题，在现代社会中患癌人群比例越来越高，同时年轻人的患癌比例也逐年增大，因此人们一直对癌症的存在也愈加关注。一直以来，近代医学领域研究的难点与重点是对癌症的精准诊断和高效治疗[1]，近几十年的主流癌症疗法包括手术直接切除、化学药物疗法（化疗）与放射疗法（放疗），但是三者皆有很明显的缺点，手术切除治疗只能切除癌症初期存在的实体瘤，一旦肿瘤细胞转移，切除则变得毫无意义；化疗需要患者服用大量药性和毒性很强的药物，虽然这些药物在抑制肿瘤细胞增长的同时可以加速肿瘤细胞凋亡，但是这些药物同样会对人体造成不可逆转的伤害，且长期服用药物很有可能使患者体内的癌细胞产生抗药性，非常不利于接下来的治疗；放疗同化疗，放疗的高能电离辐射对人体正常组织同样有严重的危害。综上所述三种传统的肿瘤治疗方案在促使肿瘤细胞凋亡的同时也对人体本身造成了不小的伤害。由此科学家们研究出了诸如基因治疗、免疫治疗等新型治疗方法，但都由于治疗成本过高，价格昂贵而只能作为辅助治疗手段应用于临床治疗[2]。

1.1.2 与金纳米粒子结合的新型光热疗法

过去几十年随着纳米技术的迅速发展，科学家们开始尝试将各种传统或者新兴的疗法与纳米材料结合在一起，其中贵金属纳米粒子与光热治疗的结合引起了医学界的广泛关注，光热治疗作为一种新兴的肿瘤治疗方法，非常好的利发挥了热疗在肿瘤治疗中的优势，且几乎避开了所有传统疗法存在的弊端[3]。

光热疗法与传统癌症疗法相比具有非常明显的优点：低毒、廉价、高效、易操作且具有非常良好的非侵入性与特异性，在不入侵其他正常细胞与组织的情况下可以针对性地杀死肿瘤细胞[4]。其工作原理是将一定波长的光直接照射在肿瘤细胞存在的部位，通过在小范围且指定的部位产生的高温直接杀死肿瘤细胞。相较其他疗法，该疗法的难点在于光热治疗剂的选择与注入，光热治疗剂要求无毒或低毒、在人体内不发生过敏与排斥反应以及光热转换效率高等，注入后激光照射在治疗剂存在的部位，即可产生高温诱导细胞凋亡。经过研究和临床实验，贵金属纳米粒子渐渐成为了光热治疗剂的首选，理想的贵金属纳米粒子光热治疗转换剂应具备以下条件：（1）粒子的尺寸以及形状因不同情况而异；（2）在水溶液中具有良好的分散性；（3）对650-950 nm范围的近红外光作出反应，以防止损害周围的健康组织，提供足够的光热效率，并能够有足够的穿透深度；（4）具有足够的光稳定性，以确保在失去光敏感性之前有足够的扩散时间到达肿瘤（5）在生物系统中表现出低或无细胞毒性[5]。综合以上条件，金纳米粒子目前被认为是最适合作为光热转换剂的贵金属颗粒，首先金纳米粒子的生物相容性良好，其表面易于被各种生物大分子、高分子修饰，因此可以轻松的富集于指定肿瘤部位；其次金纳米粒子光热转换效率高，只需要修饰适当的分子（如转铁蛋白分子）即可达到非常高的光热转换效率[6]；最后与其他贵金属颗粒相比，金纳米粒子可同时完成诊断与治疗。综上所述，金纳米粒子表现出了非侵入性肿瘤治疗的潜力。

1.2 金纳米粒子研究现状

金是几千年以前被发现的最早的几类金属之一，在标准条件下，纯固体金是一种呈黄色，柔软，致密并具有韧性的金属，由于金的开采量较少，导致固体金非常稀有，由于金易于被提炼重铸制造，且性质稳定，不易发生化学反应，早在公元前2900年，金就已经成为一种备受欢迎的金属，公元前800年左右更是作为货币流通各地[7]。公元前558-486年，炼金术师开始探寻金在化学领域的各种特性与作用，并常常把金作为治疗各种疾病的特效药，在中世纪的欧洲，金甚至被作为长生不老药[8]，这也是金用于疾病治疗的雏形，关于金在医疗领域的应用，近千年从未停止过。贵金属纳米粒子及其应用是现代科学的产物，因为纳米技术是近十几年才开始飞速发展的，但是金属纳米粒子的合成则可以追溯到2000年前。在生物学研究中金纳米粒子又被称作胶体金。当特定的波长的光遇到金表面的电子时，胶体金表现出独特的局部表面等离子共振，LSPR是一种光学现象，在这种现象中，入射光与导带中的表面电子发生相互作用[9]。光引起传导带电子的集体相干振荡，导致随后的光猝灭。光的散射和吸收不仅取决于金纳米粒子的物理尺寸，还有胶体金的介质[4]。小胶体金吸收了可见光光谱中红部分的可见光和可见光的蓝绿色部分，然而，在大的胶体金中，LSPR导致沿着VLS的红色部分吸收较长波长的光，从而导致其在光谱中的蓝光部分中反射光。 对不同胶体金的LSPR光谱的研究也表明其向红光光谱偏移，亦称红移[10]。Taylor和Faulk在1971年第一次把胶体金作为一种标记物引入到免疫学的研究中[8]。在那之后的几十年里，更多的研究证明了胶体金可以迅速并稳定地吸附蛋白质，更重要的是蛋白质的生物活性不会发生明显改变。如今随着金纳米粒子在生物研究领域的不断发展，金纳米粒子在医疗领域中的潜力也在不断地被发掘出来，尤其是在癌症治疗中，金纳米粒子为规避传统癌症疗法的弊端带来了希望。目前针对金纳米粒子在医疗领域中的应用的研究主要集中在以下几点：（1）金纳米粒子如何在分子水平上与细胞相互作用；（2）其表面和给药途径如何影响其生物分布和药代动力学；（3）其解毒以及清除机制；（4）在适当疾病模型中的治疗效果[7]。

1.3 金纳米粒子制备方法概述

1857年，迈克尔.法拉第（Michael Faraday）在水介质中用磷还原氯化金，成功合成了金纳米材料并为此撰写了第一份有关金纳米材料生产的科学报告（《On the Relations of Gold and other Metals to Light》），为后人尝试各种化学方法合成金纳米粒子提供了珍贵参考。Turkevitch等人在1951年发现了柠檬酸盐还原法，该法至今仍为一种非常重要且易行的金纳米粒子合成方法。1973年，为了生产预先选择的尺寸的AuNPs，弗伦斯提出了修改四氯金酸盐和柠檬酸钠之间的比例的方法，这种方法现在仍被广泛使用，通过简单地改变某些反应条件如比率、溶剂和溶液pH就可以很好地控制金纳米粒子的尺寸，这也是目前最简单最优质的合成金纳米粒子的方法[7]。综上可知，优化纳米颗粒的合成是一个研究领域，控制尺寸、形状和分布是一个漫长且艰巨的过程。这些反应由许多变量控制，如反应物浓度、溶解度、反应速率、还原电位、温度和时间等。所有这些参数本质上都是相互交织的，所以该领域有极其广大的研究空间，如今大多数人主要使用生物、物理和化学法来合成金纳米粒子，其中化学法作为主流的合成方法，被广泛应用于实验室研究与生产制造，化学法主要包括模板法，晶种生长法及还原法等，本次实验主要应用的是还原法和晶种生长法[11]。

1.3.1 还原法制备金纳米粒子

（1）金纳米球：在制备正式开始前，所有的实验仪器均必须用配制好的王水浸泡不少于30分钟，然后用去离子水彻底冲洗干净，以防止仪器内壁存在任何离子杂质。首先将一定量的HAuCl₄水溶液置于圆底三口烧瓶中搅拌10分钟左右，一边搅拌一边使用加热套将瓶中的HAuCl₄水溶液加热至沸腾。沸腾后迅速加入一定浓度的柠檬酸钠（SC）溶液还原HAuCl₄，继续反应30分钟。加热过程需使用冷凝回流装置回收沸腾流失的水分，保证溶液的浓度。最终得到的溶液需在转速9500 rpm的离心机中离心约10分钟，吸去上层清液后将下层沉淀分散在相同体积的溶液中，即为制备完毕[13]。

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