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研究背景

碳点(CDs)是一种充满朝气的荧光碳纳米材料集合，具有小的高度碳化内核和聚合物表面基团。由于其独特的结构，赋予CDs出色的光学和电子特性。其中，由于CDs具有尺寸小、易于功能化和生物相容性的特点，使得其在生物和生物医学方面的应用激增。小尺寸允许它们穿越各种体内的天然生物屏障包括离子通道、血脑屏障 (BBB)和肾小球屏障。同时，CDs的可调节的功能特性使其成为理想的纳米胶囊和纳米载体，可将药物和基因装载和递送至体内特定目标。此外，一些CDs的光学特性为生物医学应用创造了机会。例如，许多CDs在近红外区域吸收强烈，为光声成像和光热治疗提供原位光热效应。CDs也被用作深部组织荧光成像的荧光造影剂。

研究出发点

迄今为止，关于CDs的合成、化学和物理性质及其生物学应用已经有许多优秀的综述。然而，大多数关注单一方面(合成、性质或生物应用)，而不是提供所有这些领域的全面概述。此外，CDs这一领域正在迅速发展，特别是在生物和生物医学中。过去5年发表关于CDs的所有论文中，约有40%与CDs或其复合材料的生物应用有关。因此，定期总结CDs在生物/生物医学领域应用的最新进展对于这一领域的未来发展至关重要。

全文速览

鉴于此，郑州大学卢思宇教授受邀综述了CDs在生物成像、生物传感和治疗学中的最新进展，并对CDs及其复合物的未来的生物应用发展提出了建议和讨论。在该综述中，作者首先通过总结目前用于生物学应用CDs的制备方法；并全面回顾了CDs的光学性质，毒性和生物催化的特性；然后，对已报道的应用进行分类，讨论了CDs在生物成像、生物传感、药物递送、抗菌、抗癌（光热疗法、光动力疗法和协同疗法）和抗病毒等领域的最新研究；最后，对CDs在生物医学和生物技术领域的前景和挑战进行了展望。相关成果以Carbon Dots in Bioimaging, Biosensing and Therapeutics: A Comprehensive Review为题发表在Small Science。

图文解析

CDs的结构

CDs的结构 决定了它们的应用潜力。大量研究表明，CDs是核壳结构，通常在碳核和聚合物壳之间没有明确的边界。核通常可以包含多晶纳米域，其中包含被无定形域包围的微小碳簇。作为碳核中的子域的碳簇可以具有共轭π结构或类金刚石结构，这可以通过在透射电子显微镜(TEM)中观察到的晶格来判断。聚合物表面的存在赋予了CDs特定的性能。聚合物侧链通常可以使用原子力显微镜(AFM)和动态光散射(DLS)检测。通过比较粒度来确认侧链的存在。最近，通过将CDs的结构参数与模型拟合的相应小角X 射线散射(SAXS) 模式进行比较，进一步证实了核壳结构的存在。对于CDs的形态和大小，尽管大多数CDs呈现点状结构，但研究人员通过前体选择和反应工艺设计，开发了具有不同尺寸和形态（三角形、带状、棒状等）的 CDs。同时，在CDs的制备过程中，根据前驱体的不同，可以在CDs表面引入-OH、-COOH、-CHO、-NH2和-SH等多种官能团。官能团的数量会影响它们的性质，可以通过滴定法对表面官能团进行评估。氨基数的测定通常采用茚三酮比色法。羧基含量可以通过 Boehm滴定法测定。此外，也可以按照标准方法进行碱滴定，测出羟基和羧酸的总量，然后进行电导滴定，了解羟基和羧酸的相对含量，最后计算出它们各自的含量。

CDs的制备

迄今为止，已开发出多种合成路线来寻求简单、经济高效、尺寸可控或可扩展的方法来制作高质量的CDs。合成方法通常分为两大类：自上而下和自下而上法。 自上而下的方法基于较大碳结构的碎裂，包括电弧放电、激光烧蚀、氧化开裂和电化学氧化等。主要优点是原材料丰富，可以大规模生产高结晶性的CDs。然而，自上而下的方法制备的CDs通常具有不均匀的形态、广泛的尺寸分布，并且可能含有可淬灭荧光的杂质。自下而上的方法涉及从简单的碳前体通过脱水反应和进一步的碳化过程构建CDs。前体通常具有 -OH、-COOH和 -NH2等基团，有利于在高温下通过脱水和碳化过程。由于其简单的操作和明确的碳前体，自下而上的技术现在被广泛用于生产具有均匀形态、窄尺寸分布和稳定性能的CDs。常见的自下而上方法包括微波合成和溶剂热/水热过程。在CDs制备后，对其进行进一步修饰，可赋予CDs特定的属性。例如，杂原子掺杂可以赋予CDs调节的结构缺陷，这些新的表面状态可能会促进辐射复合，导致更高的QY和具有与激发无关的发射。除了通过元素掺杂实现的固有特性控制外，还可以使用涉及非共价和共价偶联策略的合成后修饰来进一步调整CDs的功能特性。

图1. CDs的制备及其表面修饰。

CDs的属性

纳米材料的应用与其性质密切相关，因此要在生物学和生物医学中有效利用CDs，需要深入了解其性质和结构-性质关系。在CDs的众多特性中，它们的光学特性和毒性可以说是对其生物应用最重要的。

光学性质

CDs的光学特性是目前非常热门的研究课题。诸如高QY荧光、红光/NIR 发射、上转换光致发光 (UCPL)、NIR 驱动的光热和手性发光等特性都被用于CDs 在生物学和生物医学中的应用。

图2. CDs的光学性质。

毒性

随着CDs可能的工业和生物医学应用的探索，其生物安全问题逐渐浮出水面。评估CDs性的主要方法有两种。一种是体外评估，该测试通常涉及通过某些测定法(例如 MTT、CCK-8、WST-1等)进行的细胞活力实验。第二种是体内评估，其中CDs溶液通过尾巴或静脉直接注射到活体或小鼠和斑马鱼中。关于CDs的毒性研究，大多数报告显示CDs的毒性非常低或无毒。然而，CDs的毒性与多种因素密切相关，包括单个CDs的理化性质对表面电荷、光解、浓度等外部条件的影响。每种CDs都有其独特的性质，这反过来又决定了它的毒性。

图3. CDs的毒性评估。

生物催化平台

除了优异的光学性能和低毒性外，催化也成为了化学家们感兴趣的领域。目前，CDs已经成为一种成熟的工具，被广泛用于设计和开发新的催化过程，包括有机转化、人工光合作用、生物催化等。其中，酶辅助生物催化转化在人类生命活动和医疗干预中发挥着关键的调控机制，越来越受到重视。通过监测不同酶和物质之间的生物催化转化，有利于预防、识别和治疗疾病。鉴于其独特的特性，CDs被认为能够通过检测相关代谢物的表达水平来敏感地驱动酶辅助生物催化转化。

CDs的应用

在本节中，主要讨论CDs和基于CDs的复合材料在生物和生物医学领域的一些重要应用，包括生物成像、传感、药物递送、抗菌剂、抗癌剂（光热疗法、光动力疗法和协同疗法），以及抗病毒药物。重点关注CDs及其复合材料的结构、性能和应用之间的关系，对具有特定功能的CDs的定制开发有更广阔的视野。

生物成像

生物成像能够了解细胞和生物体的结构和生理功能。因此，它在医疗保健领域严重依赖于诊断人类疾病的工具。在各种生物成像方法中，基于CDs的光学生物成像越来越受到关注。该技术利用成像区域与周围背景之间的光学对比度，允许在细胞甚至单分子水平上成像，同时还可以进行早期检测，癌症等危及生命的疾病的筛查、诊断和影像引导治疗。CDs的成像功能源于其独特的光学特征或结合在其核心或表面的功能性试剂。

图4. CDs的生物成像应用。

生物传感

生物传感是分析传感的一个子领域，特别关注在检测过程中结合分子生物识别实体。CDs的优异光物理特性，如光致发光和良好的电导率使其成为有价值的生物传感材料。通常，CDs的传感原理是基于表面官能团或靶向部分与分析物之间的特定相互作用，导致 CDs 的光发射特性发生变化。理论上，任何光学变化，包括荧光强度、比色波长或寿命都可以作为可测量的信号来实现对相应分析物的识别。在此基础上，基于CDs的生物传感器可分为三类 类别：开-关、关-开和荧光偏移。

图5. CDs的生物传感应用。

药物递送

基于纳米材料的药物递送涉及通过封装、吸附或结合将药物掺入纳米颗粒载体中，从而允许在体内安全稳定地给药。CDs由于易于修饰，是靶向递送抗癌药物（例如阿霉素、顺铂、紫杉醇等）用于癌症治疗。大多数 CDs@drug复合物具有可裂解的化学键，可以在肿瘤部位的酸性环境下或响应其他刺激而靶向释放药物。除了增强靶位点的递送和控释外，CDs还可以帮助克服癌细胞或其他病变细胞的耐药性。

图6. CDs的药物递送应用。

抗菌

由于细菌对常规抗菌剂的耐药性不断增强，因此发现具有优异性能和特异性的新型抗菌剂变得至关重要。作为抗生素的替代品，抗菌纳米材料由于其自身特性近年来受到广泛关注。CDs显示出作为抗菌剂的巨大潜力，因为它们易于被抗菌官能团或可控表面电荷官能化。通过控制表面电荷和功能特性，CDs的亲和力、特异性和抗菌特性可以被精确控制。

图7. CDs的抗菌应用。

光动力疗法(PDT)

PDT依赖于光敏分子产生的1O2或ROS的生成来杀死癌细胞。PDT涉及三个关键要素：光敏剂 (PS)、光和氧。基于CDs的PDT通常有两种过程，对于I型过程，PS直接与有机分子或细胞膜等底物反应，传递质子或电子形成自由基；对于II 型过程，激发态的能量可以转移到O2上，形成1O2。在CDs的PDT中，CDs可以直接作为光敏剂在光照射下产生活性氧，然而在大多数情况下，单个CDs很难产生足够的ROS来进行有效的治疗。因此，将CDs与传统光敏剂结合是提高PDT效率的有效策略。此外，CDs提供的水溶性，可以是光敏剂和CDs复合后更好的用于生物应用中。

图8. CDs的光动力疗法。

光热疗法(PTT)

PTT是一种不依赖氧气的光疗法，它依赖于烧蚀剂（例如具有光热效应的纳米材料）将光转化为热，升高的温度可以杀死癌细胞，同时最大限度地减少对正常细胞的明显副作用。这种方法利用了正常细胞比癌细胞具有更高耐热性的事实。理想情况下，光热剂应满足所有以下标准：1) 在近红外区域具有强吸收，具有低荧光QY和单线态氧产生率，从而最大限度地将吸收的光子转化为热量；2) 无光照射无毒，但在红光或近红外照射下选择性杀死癌细胞；3) 易于制备和修饰。CDs 有可能满足所有这些要求，因此被认为是非常有前途的PTT试剂。

图9. CDs的光热疗法。

协同治疗

为了实现更有效的癌症治疗，包括影像引导给药、光疗和PDT-PTT联合治疗在内的协作治疗正变得越来越有吸引力。影像引导治疗方法可以克服传统癌症治疗中药物浓度不足、全身毒性高、副作用严重、缺乏监测等问题。作为一种非侵入性策略，先进的图像分析技术可用于癌症的早期诊断，并为个性化治疗提供可靠依据。图像分析可以直接观察治疗性纳米颗粒在代谢途径中的行为，并控制对外部刺激的反应。除了影像诱导给药、PTT 和 PDT 外，PDT-PTT 的联合治疗已成为近年来光疗的一个关键方向。与需要两种不同光源的传统 PTT/PDT 集成平台相比，基于CDs 的平台仅使用单个光源即可提供多模式治疗，从而同时产生 ROS和热量，从而更有效地杀死癌细胞。在PTT剂上负载少量光敏剂也可以克服对有效PTT的高功率激光照射的需要。

图10. CDs的协同治疗法。

抗病毒

新病毒的出现及其对人类的潜在威胁是一个全球性问题。最近爆发的SARS-CoV-2和COVID-19是需要开发有效抗病毒疗法的极好例子。有待开发的有效抗病毒策略，而不仅仅是依赖于传统的疫苗接种方法。通常，病毒具有纳米级的尺寸，这为构建相同规模的碳基纳米材料（例如 CDs）提供了线索，以赋予抗病毒作用。虽然对CDs的抗病毒活性的研究正处于萌芽阶段，它们很可能在未来的抗病毒应用中发挥重要作用。

总结与展望

当前，与CDs生物学有关的学科正在蓬勃发展。同时，具有新结构的CDs合成的进步创造了功能。为了最大限度地发挥其应用价值，需要对CDs中的结构-功能关系有更深入的了解。在这里，我们提供了一些令人振奋的方向，供以后进行研究。

（1）尽管制备CDs的方法多种多样，但按公斤级生产CDs依然困难；

（2）为了最大限度地减少光散射和组织损伤，同时实现更深的光穿透组织，需要具有深红色到NIR光激发的CDs用于成像、成像引导治疗和光疗；

（3）由于CDs难以进入细胞核，因此关于CDs的细胞毒性研究大多集中在细胞质水平。对于体内毒性，常用的动物模型可能无法准确模拟人体环境的复杂性。有必要对非人灵长类动物进行毒性研究，探索其潜在的临床转化价值；

（4）虽然CDs的表面修饰和功能化可以提高靶向选择性，但CDs表面的官能团也可能与生物环境中的某些物质相互作用，导致信号错误。因此，需要针对特定的应用仔细选择CDs 表面的官能团类型；

（5）目前，对CDs药物体内行为的了解非常有限，迫切需要临床试验；

（6） CDs的纳米医学应用领域，很少有关于使用CDs进行实时监测的治疗报告，这种评估患者健康状况的有效且省时的方法，值得在未来进一步关注；

（7）以CDs为基础的抗病毒药物的研究仍处于起步阶段，有必要适应病毒的变异并定制 CDs以对抗出现的每种新病毒株；

（8）基于CDs的单原子纳米药物的生物应用研究才刚刚起步，如何提高单个金属原子的负载效率，增强配合物的选择性，阐明生物应用的确切机制至关重要。

文献链接：https://doi.org/10.1002/smsc.202200012.

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