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【博创基金微展示】第12期 曾庆岩:多孔硅的自发光成像及其促进皮肤伤口闭合与修复研究
2022-07-18 10:30 曾庆岩  审核人:   (点击: )


标题:多孔硅的自发光成像及其促进皮肤伤口闭合与修复研究

英文标题:Self-luminescence imaging of porous silicon and its promotion of skin wound closure and repair

作者:曾庆岩

指导教师:卢婷利教授

培养院系:生命学院

学科:生物医学工程

读博寄语:对未知充满好奇,脚踏实地,行稳致远。




主要研究内容

多孔硅(Porous silicon,PSi)是一种硅纳米晶体的集合体,具有多孔结构、本征光致发光、生物相容性好,尤其是可生物降解等特性,常作为药物载体用于皮肤修复。纳米组织粘合剂是一种通过无机纳米颗粒溶液实现伤口闭合的新型医用粘合剂,基于“纳米桥联”效应可实现对伤口的快速粘合。目前已报道的二氧化硅、氧化铁及氧化钛等纳米组织粘合剂,虽能快速闭合伤口,但不可生物降解、生物活性不佳,且促进伤口愈合效果有限。

基于此,本项目依托于空间生物实验模拟技术重点实验室,在4001.com百老汇博士论文创新基金资助下,面向临床伤口快速闭合与修复需求,以多孔硅为研究对象,分析了氧化对其光致发光和降解性能的影响,发现了多孔硅的自发光特性,并探索自发光机制及活体成像应用,进而研究多孔硅作为组织粘合剂促进伤口闭合与修复作用以及监测伤口愈合过程的可行性。主要研究内容与结果如下:

1. 多孔硅的制备及性能研究

采用传统多孔硅制备方法-直流法,通过破碎筛分后发现,此工艺可进行多孔硅微米颗粒的稳定制备,但存在纳米颗粒产量低且形貌不易控制的问题,为了优化制备工艺,通过3D打印技术制作阳极氧化装置,并采用双脉冲电流法制备出形貌均一可控的多孔硅纳米颗粒;研究了氧化处理对多孔硅的光致发光和降解过程的影响,基于两者之间的关系有助于通过发光强度实现对降解过程的监测。


图1 多孔硅颗粒的制备及光致发光和降解性能

2. 多孔硅的自发光特性、发光机制及活体成像研究

在生物活体成像中,荧光成像是一种常用的光学成像方法。荧光成像通常是指需要外源光激发的光致发光成像,具有灵敏度高、设备简单等优点,但由于激发光容易导致组织自发荧光,影响组织穿透深度,阻碍了荧光成像在临床中的应用。以多孔硅的光致发光为例,其较短的激发波长(300~450 nm)在生物体内成像时会导致周围组织自发荧光,干扰荧光成像信号,影响组织穿透深度。针对这一问题,基于多孔硅的半导体结构特性,研究人员开发了时间门控成像(基于多孔硅的长寿命PL发射)和双光子成像(基于多孔硅较高的双光子吸收截面)技术,克服组织自发荧光的干扰问题。但是,由于激发光在穿透组织时的能量衰减,影响多孔硅在组织中的成像深度,而且较短的激发波长对生物体也存在一定危害。因此,具有较深组织穿透深度的发光材料(如自发光材料或长波激发且近红外光发射的材料)受到持续关注。

本项目在采用小动物活体成像系统研究多孔硅的光致发光成像时,首次发现了多孔硅与弱氧化剂之间反应产生的长波长(490~680 nm)自发光成像现象;通过分析影响多孔硅自发光的因素,阐明了PSi自发光机制;与多孔硅的本征光致发光成像相比,自发光不受周围组织自发荧光的干扰,可以实现12.5 mm以上的组织穿透深度;基于多孔硅的自发光特性,在裸鼠和带毛鼠的体内均可检测到清晰的、不受组织及毛发干扰的自发光信号,证明PSi在活体动物体内自发光成像的可行性。

图2 多孔硅的自发光波段、组织穿透深度及活体成像应用优势(与光致发光成像相比)

图3 多孔硅的自发光机制

3. 多孔硅组织粘合剂及促进伤口闭合与修复机制研究

以氧化多孔硅(LPSi)颗粒为基础制备纳米组织粘合剂,实现了对动物肝脏体外粘合、动物皮肤在体切口粘合,其伤口粘合机制主要是颗粒的氧化物表面及纳米桥联效应;由于具有生物降解性能,LPSi在含血清的培养基中缓慢降解,且降解产物可以促进血管生成及上皮化过程,加速伤口愈合;通过对伤口部位的LPSi进行自发光成像,追踪LPSi在体内的氧化降解过程,并建立自发光强度与伤口愈合速率间的非线性关系,为通过自发光强度监测伤口的愈合过程提供新思路。

图4 多孔硅组织粘合剂的促伤口愈合、促血管形成及成像监测

图5 多孔硅组织粘合剂快速伤口闭合、促进伤口愈合及自发光成像示意图


主要创新点


(1)首次发现了多孔硅的自发光特性,通过相关影响因素研究发现其发光机制与自身氧化反应有关;

(2)研究了多孔硅的自发光成像应用,实现了深层组织和带毛小鼠活体的清晰成像;

(3)制备的多孔硅组织粘合剂能够快速闭合伤口,并加速皮肤伤口愈合。


代表性创新成果

一、学术论文

[1] Qingyan Zeng, Kai Han, Caiyun Zheng, Que Bai, Wendong Wu, Chenhao Zhu, Yanni Zhang, Ning Cui, Tingli Lu*. Degradable and self-luminescence porous silicon particles as tissue adhesive for wound closure, monitoring and accelerating wound healing. Journal of Colloid and Interface Science, 2022, 607: 1239-1252. (中科院1区,IF:9.965);

[2] Qingyan Zeng, Caiyun Zheng, Kai Han, Wendong Wu, Hongfei Qi, Kun Wang, Pimpi Sahu, Rongxin Dong, Tingli Lu*. A biomimic superhydrophobic and anti-blood adhesion coating[J]. Progress in Organic Coatings, 2020, 140: 105498. (中科院1区,IF:6.206);

[3] Qingyan Zeng, Ning Cui, Kai Han, Tingli Lu*. Biodegradable luminescent porous silicon nanoparticles as an imaging tissue adhesive for rapid closure and multifunctional repair of minimally invasive wound,2020第11届世界生物材料大会(WBC2020)。

二、知识产权

[1] 卢婷利,曾庆岩,王坤,陈强,武祥龙,汪焰恩. 一种纳米片组装的花状磷酸钛微球及其制备方法. CN201810143744.7, 2021(发明专利)

三、科技奖励

[1] 2020.04:第一届陕西省大学生天然药物微视频大赛二等奖;

[2] 2020.07:“创客中国”陕西省中小企业创新创业大赛暨第二届“创客陕西”中小企业创新创业大赛创客组三等奖。



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