癌症是威胁人类健康的重大疾病,每年会夺走近千万人的生命,更让人担忧的是发病率仍然在不断增长;面对严峻的形式,癌症诊疗的临床进展却显得相对缓慢。最近20多年来纳米技术的发展为癌症诊断和治疗提供了一种新的解决办法,通过将纳米技术与之前已经建立的癌症研究成果相结合,一大批纳米材料被用于癌症的诊断与治疗并有效克服了传统方法的局限性,如肿瘤处不足的给药剂量,较大的副作用等。这其中一种纳米级多孔材料——纳米金属有机框架结构(Nano-MOFs)在最近十年的研究中引起了越来越多人的关注。随着材料尺寸被缩小到纳米尺度,结合了 MOFs的内在特性和纳米结构优势的纳米MOFs开始逐渐被应用于生物医学领域。纳米MOFs有效的集合了纳米结构优势以及MOFs的内在特性,因而展现了诸多优点:(1)纳米级的尺寸可以让粒子通过高渗透长滞留(EPR)效应在肿瘤处实现更多的富集,而如果修饰了主动靶向剂,主动靶向作用更是会让更多纳米MOFs特异性的进入肿瘤部位,这些都能有效的增强肿瘤处的治疗或成像试剂的剂量;(2)作为多孔材料具备很高的比表面积和大孔径,可以大量地对药物或者其他生物分子进行装载或者包封,从而实现药物运输的功能;具有均一可调的孔径、规则的孔道,可以对孔径大小进行调节以适应各种生物分子;(2)通过选择具备成像能力的构建模块可以引入成像能力,例如一些荧光配体作为构建单元可以赋予纳米MOFs荧光成像的能力,一些特定金属离子的引入使得MOFs可以作为磁共振造影剂;(3)易于修饰的特性可以将材料表面或者孔径中连接上各种功能生物分子以实现多功能,例如可以表面修饰靶向分子来实现主动靶向性;(4)许多MOFs具备生物可降解性,因而可以经过人体的代谢系统排出体外,另外组分的可调节性可以让研究者们选择低毒性的成分来构建材料,这两点都可以降低潜在的系统毒性。因此,金属-有机框架材料具有巨大的潜力以应用于癌症诊断与治疗。正是由于纳米MOFs的诸多优点,驱使我们基于实验室目前的工作,合成了几种新型的MOFs,探究了他们作为光热剂,磁共振造影剂,双光子荧光探针等癌症诊断与治疗试剂的潜力,具体内容如下:(1)我们利用生物相容性很好的材料鞣花酸(EA),聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和铁元素作为构建模块,首次成功地制备了具有菱形多面体形状的纳米Fe-EA框架结构,正如预期的那样,体外的细胞毒性测试以及活体的血液指标以及生化指标测试都证实了这种新型纳米试剂具有良好的生物相容性,并且该纳米粒子对于pH以及H202都有一定的响应性,因而具有潜在的生物可降解性。Fe-EA纳米粒子展现了较强的近红外光吸收,不错的光热转换效率(17.6%),优良的光热稳定性,因而可被用来作为光热剂实现有效的肿瘤消融;另一方面,它也表现出源自铁离子的pH响应的T2磁共振成像能力,在微酸性环境下其横向弛豫率r2约为61 mM-1s-1,展现了与商用T2磁共振对比剂相当的水平。我们的工作展现了Fe-EA框架结构在磁共振成像引导下的光热治疗的潜力。(2)近年来,ZIF-8作为一种智能MOFs由于其对微酸性环境的响应性而被广泛用作癌症治疗的药物载体。然而,缺乏自身成像能力限制了它更为广泛的应用。为了解决这一问题,我们利用预合成交换法(PSE)将顺磁性锰(II)离子引入到ZIF-8框架中,由此成功制备了锰锌双金属沸石咪唑酯框架材料(Mn-Zn-ZIF),并显示出具有pH响应性的T1加权磁共振对比效果。值得注意的是,我们还发现了其源自于2-甲基咪唑的自身荧光性质,据我们所知,这是首次报道ZIFs系列的自身双光子荧光成像。Mn-Zn-ZIF仍然保持ZIF-8作为药物载体的优异性质:具有高的比表面积,微孔性和酸敏感性,因而仍然具备作为药物载体的潜质。Mn-Zn-ZIF进一步聚乙二醇化后,纳米粒子无明显毒性,MRI对比效果也有所提高。我们的工作展现了改性的沸石咪唑酯骨架材料作为癌症诊疗平台的前景。(3)我们制备了纳米尺度的Gd掺杂的类普鲁士蓝中空配位聚合物,同时展现了很好的T1与T2双模式磁共振成像能力,在经过二氧化硅修饰后其纵向弛豫率(r1)为13.57mM-1s-1,横向弛豫率(r2)为304.8 mM-1s-1,高于许多已经报道的单组分双模式磁共振探针。同时在各种波长的激光照射下,纳米粒子由于氰基的π-π*跃迁而发出多种颜色的荧光;这种多模式成像可以互为补充,弥补单一成像模式自身的缺陷。另一方面,中空薄壳纳米颗粒对化疗药物阿霉素具备很高的负载量(1166毫克/克),显示作为药物输送系统的潜力,体外细胞毒性试验揭示所获得的掺杂纳米粒子具有良好的生物相容性。这种单一组分的中空结构材料展现了将多模态成像对比剂和药物载体整合起来作为诊疗一体化平台的前景。