本文是化工工程论文，碳纳米材料具有优异的生物安全性，并易于修饰，在生物医学应用中具有广阔的前景。我们制备了一系列的富含特定含氧官能团的碳纳米材料，并将其应用于抗细菌感染和抗氧化治疗。此外，我们还开发了新型的响应型磁共振成像纳米探针，用于在活体中监测ros水平。1.我们制备了一系列富含含氧官能团的氧化碳纳米管（o-CNts），作为高效的过氧化物酶模拟物。机理研究表明，氧化碳纳米管表面的羰基是仿酶催化反应的活性位点，而其表面的羧基和羟基则会作为竞争位点，抑制催化活性。2.受天然酚类抗氧化剂结构的启发，我们设计并制备了具有高抗氧化活性和肾累积能力的富含类酚基团的石墨烯量子点（H-GQDs），用于急性肾损伤的抗氧化治疗。这些官能团还提供了与其他功能性分子进一步结合的位点，以改善碳纳米材料的生物相容性，并赋予其某些特定的功能。空气或臭氧净化后的纳米金刚石的表面本身具有羧基，可以进行进一步的表面修饰以赋予其不同的功能。用不同的气体/化学物质处理竣基化的纳米金刚石是对其进行表面疏水性修饰以及功能化的有效方法。
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第1章绪论
对于应用于生物医学的纳米材料，都需要具有极高的水溶性和生物相容性。不同的碳纳米材料需要不同的表面修饰策略，以增加其水溶性和生物相容性。富勒烯通常通过直接与其碳原子发生化学反应进行共价修饰，并且目前己经开发了用于富勒烯化学的标准化学反应数据库。碳纳米管和石墨烯都具有连续的石墨蜂窝状结构，可根据特定的生物医学应用的需要，对其进行共价或非共价修饰以增加其水溶性和生物相容性。碳点的表面本身富含大量的含氧官能团，易于与水分子形成氢键，从而使得碳点在水性环境中具有良好的溶解性。然而，在通常情况下，仍然需要用聚乙二醇或其他官能团对碳点进行进一步的修饰以增加其生物相容性。另外，纳米金刚石与碳纳米管/石墨烯类似，可以通过非共价/共价修饰增加其水溶性和生物相容性。接下来我们将介绍各种碳纳米材料的不同表面修饰策略，着重对碳纳米材料的共价表面修饰进行介绍。在需要保持碳纳米材料的特性时，常常需要对其进行非共价修饰来增加其水溶性和分散性。碳纳米管和石墨烯可以被表面活性剂，聚合物，DNA，蛋白质，甚至病毒所包裹，以实现非共价表面修饰。共价表面修饰大多数碳纳米材料是不溶于水的，因为其表面是由sp2碳原子构成的。例如，在氢气中加热纳米金刚石，可以将所有的羧基还原为氢，从而形成疏水性的纳米金刚石［189］。对于大多数生物医学应用来说，材料的表面需要具有极高的亲水性和生物相容性。
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第2章阐明氧化碳纳米管的仿酶活性机制及其在防治细菌感染中的应用
2.1引言
更重要的是，氧化碳纳米管表面的羧基比羟基表现出更强的对生物催化反应的抑制作用，这是因为羧基和反应底物具有更强的氢键相互作用和静电相互作用。考虑到纳米酶中“竞争抑制”效应的存在，我们通过屏蔽氧化碳纳米管表面上存在的羧基，进一步制备了2-溴-1-苯基乙酮修饰的氧化碳纳米管（o-CNts-BrpE）。通过削弱“竞争抑制”作用，在所有的氧化碳纳米管中，由于o-CNts-BrpE的表面具有大量的羰基和被屏蔽的羧基，其表现出了最高的过氧化物酶活性和生物催化效率（图2.1）。此外，纳米酶介导的体外的细菌清除实验和活体层面的防治细菌感染实验都清楚的证明，氧化碳纳米管可以作为性能稳定的过氧化物酶的模拟物，在生理条件下增强活性氧（ros）的生成，可以有效地保护组织免受由于细菌感染导致的水肿的炎症。我们希望本研究将为进一步阐明各种纳米材料的仿酶活性的相关机制奠定基础，并为开发新型安全有效的用于治疗各种程度的细菌感染的纳米制剂提供有价值的见解。非共价表面修饰非共价表面修饰通过原始碳纳米材料与修饰分子/聚合物之间的超分子相互作用而结合，这种修饰方式最大化地降低了对碳纳米材料结构的破坏和对固有性质的干扰。用于非共价表面修饰的超分子相互作用包括7t-7t堆积和疏水相互作用。
2.2实验部分
总而言之，我们通过简便而且绿色的方法，制备了数种富含含氧官能团的功能化CNts，并将它们作为高效的过氧化物酶模拟物，用于纳米酶介导的皮肤伤口感染的处置。我们通过探索o-CNts表面的各种含氧官能团对生物催化反应过程的具体作用，对o-CNts的仿酶活性的催化机制进行了详细的阐明。具体来说，我们不仅确认了C＝O是o-CNts的仿酶活性的催化中心，而且还提出了纳米酶表面的“竞争抑制”作用。通过减弱纳米酶表面的“竞争抑制”作用，我们对o-CNts表面的竞争位点（CooH基团）进行了有效的屏蔽，从而进一步制备了具有极高生物催化活性的o-CNts-BrpE，并将其用于纳米酶介导的细菌感染的处置。活体层面的实验结果进一步证明，在小鼠伤口感染模型中，基于纳米酶的抗菌平台可以有效减轻由于细菌感染引发的伤口水肿以及化脓性炎症，并且不会产生任何显著的毒副作用。我们认为，本项研究不仅提出了可以通过合理调节纳米酶表面的“竞争抑制”作用来构建高效的新型纳米酶，还扩展了基于CNts的纳米材料的生物医学应用。
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第3章构建富含类酚基团的石墨烯量子点用于治疗急性肾损伤..............45
3.1引言.............45
3.2实验部分.............46
3.3结果与讨论.............51
3.4本章小结.............64
第4章活性氧响应型磁共振成像纳米探针用于脓毒症的早期诊断.............71
4.1引言.............71
4.2实验部分.............73
4.2实验部分.............73
4.3结果与讨论.............77
4.4本章小结.............89
第5章总结与展望.................91
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第4章活性氧响应型磁共振成像纳米探针用于脓毒症的早期诊断
4.1引言
由于脓毒症的急性特征，患者通常需要接受快速的诊断和治疗，以有效地降低其发病率和死亡率，并改善其相关的治疗效果［278］。不幸的是，脓毒症在症状学特征以及病理学特征上，都表现出了极大的异质性，使其快速而准确的诊断变得十分具有挑战性。迄今为止，还没有开发出标准化的方案用于在临床上检测脓毒症的发作［279］。目前，临床上基于生命体征和评分的诊断方式通常缺乏所需的速度或精度［281］。尽管血液标志物检测法己经被证明可以用于脓毒症的诊断，其灵敏性与可靠性仍然不足,为了解决以上问题，微生物检测法被提出以协助诊断脓毒症。但是，微生物培养通常需要较长的时间（数天），才能使细菌进行有效的生长并提供阳性的结果，而且，只有30％-40％的病例才能通过微生物培养的方法被成功的诊断。换而言之，很难通过微生物检测法来快速而准确地确诊脓毒症［283-284］。因此，迫切需要开发新型的用于早期诊断脓毒症的有效方法。总之，我们构建了可以监测体内ros水平的新型MrI纳米探针，并将其用于脓毒症的诊断。
4.2实验部分
我们设计的纳米探针由临床批准的spIoN，GD-DtpA和HA组成。这些rosCAs对脓毒症期间全身性过量产生的各种ros的敏感性极高。细胞层面以及活体层面的实验结果均表明，rosCAs不仅可以打破组织穿透性的限制，对全身性的ros进行成像，以进行早期脓毒症的诊断，还可以精确地评估全身性的ros水平以判断脓毒症的严重程度。我们相信本研究不仅为脓毒症的早期诊断和风险评估提供了新的策略，而且有助于幵展脓毒症以及和ros相关的生物学研究。最后，我们探索了rosCAs通过静脉给药的长期毒性。血液生化和血液学分析用来对rosCAs的长期毒性进行定量评估。如图4.19所示，测试组和对照组之间的血液生化和血液学分析结果没有显著差异，所有指标都在正常水平范围内。此外，基染色图像，通过静脉注射rosCAs的小鼠的主要器官没有发生任何损伤，并具有与健康小鼠相似的病理结构（图4.20）。最后，我们对通过静脉注射rosCAs后的小鼠进行了体重测量和行为观察，以研究其潜在的毒性。与对照组相比，实验组的小鼠在整个实验周期内的体重，进食，饮水，以及行为活动都没有出现任何异常（图4.21）。所有这些结果表明，由三种临床批准的试剂所制备的rosCAs是十分安全的。
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第5章总结与展望
更有趣的是，H-GQDs的超高的抗氧化活性不仅来源于其表面大量的类酚基团，还来源于相邻类酿基团之间的协同作用以及移除对抗氧化活性不利的幾基。在患有急性肾损伤的小鼠中，H-GQDs可以有效地保护肾脏免受损伤，并且没有明显的生物毒性。3.我们开发了新型的响应型纳米探针（rosCAs）作为磁共振成像造影剂，用于脓毒症的早期诊断与监测。这些纳米探针是由临床批准的超顺磁性氧化铁纳米粒子（spIoN），透明质酸（HA），和二乙烯三胺五醋酸钆（GD-DtpA）构成的。rosCAs针对ros的敏感性极高，能够对患有早期脓毒症的小鼠进行全身性的ros成像。更重要的是，我们可以通过使用rosCAs来监测全身性的ros水平，以快速对脓毒症的严重程度进行有效评估。碳纳米材料往往只具有单向调节ros的能力。未来有望构建新型的碳纳米材料，同时具备清除和产生ros的能力，并且可以在不同的生理/病理环境下发挥不同的作用，维持生物体内的氧化还原平衡，实现真正意义上的ros水平的调控。将碳纳米材料应用于调节ros水平时，研究人员应对其化学反应的底物专一性与选择性进行关注。
参考文献（略）
参考文献（略）
