標(biāo)題：多孔硅的自發(fā)光成像及其促進(jìn)皮膚傷口閉合與修復(fù)研究
英文標(biāo)題：Self-luminescence imaging of porous silicon and its promotion of skin wound closure and repair
作者：曾慶巖
指導(dǎo)教師：盧婷利教授
培養(yǎng)院系：生命學(xué)院
學(xué)科：生物醫(yī)學(xué)工程
讀博寄語：對未知充滿好奇，腳踏實(shí)地，行穩(wěn)致遠(yuǎn)。
主要研究內(nèi)容
多孔硅（Porous silicon，PSi）是一種硅納米晶體的集合體，具有多孔結(jié)構(gòu)、本征光致發(fā)光、生物相容性好，尤其是可生物降解等特性，常作為藥物載體用于皮膚修復(fù)。納米組織粘合劑是一種通過無機(jī)納米顆粒溶液實(shí)現(xiàn)傷口閉合的新型醫(yī)用粘合劑，基于“納米橋聯(lián)”效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對傷口的快速粘合。目前已報(bào)道的二氧化硅、氧化鐵及氧化鈦等納米組織粘合劑，雖能快速閉合傷口，但不可生物降解、生物活性不佳，且促進(jìn)傷口愈合效果有限。
基于此，本項(xiàng)目依托于空間生物實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在西北工業(yè)大學(xué)博士論文創(chuàng)新基金資助下，面向臨床傷口快速閉合與修復(fù)需求，以多孔硅為研究對象，分析了氧化對其光致發(fā)光和降解性能的影響，發(fā)現(xiàn)了多孔硅的自發(fā)光特性，并探索自發(fā)光機(jī)制及活體成像應(yīng)用，進(jìn)而研究多孔硅作為組織粘合劑促進(jìn)傷口閉合與修復(fù)作用以及監(jiān)測傷口愈合過程的可行性。主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下：
1. 多孔硅的制備及性能研究
采用傳統(tǒng)多孔硅制備方法-直流法，通過破碎篩分后發(fā)現(xiàn)，此工藝可進(jìn)行多孔硅微米顆粒的穩(wěn)定制備，但存在納米顆粒產(chǎn)量低且形貌不易控制的問題，為了優(yōu)化制備工藝，通過3D打印技術(shù)制作陽極氧化裝置，并采用雙脈沖電流法制備出形貌均一可控的多孔硅納米顆粒；研究了氧化處理對多孔硅的光致發(fā)光和降解過程的影響，基于兩者之間的關(guān)系有助于通過發(fā)光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對降解過程的監(jiān)測。
圖1 多孔硅顆粒的制備及光致發(fā)光和降解性能
2. 多孔硅的自發(fā)光特性、發(fā)光機(jī)制及活體成像研究
在生物活體成像中，熒光成像是一種常用的光學(xué)成像方法。熒光成像通常是指需要外源光激發(fā)的光致發(fā)光成像，具有靈敏度高、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，但由于激發(fā)光容易導(dǎo)致組織自發(fā)熒光，影響組織穿透深度，阻礙了熒光成像在臨床中的應(yīng)用。以多孔硅的光致發(fā)光為例，其較短的激發(fā)波長（300~450 nm）在生物體內(nèi)成像時(shí)會(huì)導(dǎo)致周圍組織自發(fā)熒光，干擾熒光成像信號(hào)，影響組織穿透深度。針對這一問題，基于多孔硅的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特性，研究人員開發(fā)了時(shí)間門控成像（基于多孔硅的長壽命PL發(fā)射）和雙光子成像（基于多孔硅較高的雙光子吸收截面）技術(shù)，克服組織自發(fā)熒光的干擾問題。但是，由于激發(fā)光在穿透組織時(shí)的能量衰減，影響多孔硅在組織中的成像深度，而且較短的激發(fā)波長對生物體也存在一定危害。因此，具有較深組織穿透深度的發(fā)光材料（如自發(fā)光材料或長波激發(fā)且近紅外光發(fā)射的材料）受到持續(xù)關(guān)注。
本項(xiàng)目在采用小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)研究多孔硅的光致發(fā)光成像時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了多孔硅與弱氧化劑之間反應(yīng)產(chǎn)生的長波長（490~680 nm）自發(fā)光成像現(xiàn)象；通過分析影響多孔硅自發(fā)光的因素，闡明了PSi自發(fā)光機(jī)制；與多孔硅的本征光致發(fā)光成像相比，自發(fā)光不受周圍組織自發(fā)熒光的干擾，可以實(shí)現(xiàn)12.5 mm以上的組織穿透深度；基于多孔硅的自發(fā)光特性，在裸鼠和帶毛鼠的體內(nèi)均可檢測到清晰的、不受組織及毛發(fā)干擾的自發(fā)光信號(hào)，證明PSi在活體動(dòng)物體內(nèi)自發(fā)光成像的可行性。
圖2 多孔硅的自發(fā)光波段、組織穿透深度及活體成像應(yīng)用優(yōu)勢（與光致發(fā)光成像相比）
圖3 多孔硅的自發(fā)光機(jī)制
3. 多孔硅組織粘合劑及促進(jìn)傷口閉合與修復(fù)機(jī)制研究
以氧化多孔硅（LPSi）顆粒為基礎(chǔ)制備納米組織粘合劑，實(shí)現(xiàn)了對動(dòng)物肝臟體外粘合、動(dòng)物皮膚在體切口粘合，其傷口粘合機(jī)制主要是顆粒的氧化物表面及納米橋聯(lián)效應(yīng)；由于具有生物降解性能，LPSi在含血清的培養(yǎng)基中緩慢降解，且降解產(chǎn)物可以促進(jìn)血管生成及上皮化過程，加速傷口愈合；通過對傷口部位的LPSi進(jìn)行自發(fā)光成像，追蹤LPSi在體內(nèi)的氧化降解過程，并建立自發(fā)光強(qiáng)度與傷口愈合速率間的非線性關(guān)系，為通過自發(fā)光強(qiáng)度監(jiān)測傷口的愈合過程提供新思路。
圖4 多孔硅組織粘合劑的促傷口愈合、促血管形成及成像監(jiān)測
圖5 多孔硅組織粘合劑快速傷口閉合、促進(jìn)傷口愈合及自發(fā)光成像示意圖
主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
（1）首次發(fā)現(xiàn)了多孔硅的自發(fā)光特性，通過相關(guān)影響因素研究發(fā)現(xiàn)其發(fā)光機(jī)制與自身氧化反應(yīng)有關(guān)；
（2）研究了多孔硅的自發(fā)光成像應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了深層組織和帶毛小鼠活體的清晰成像；
（3）制備的多孔硅組織粘合劑能夠快速閉合傷口，并加速皮膚傷口愈合。
代表性創(chuàng)新成果
一、學(xué)術(shù)論文
[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區(qū)，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區(qū)，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屆世界生物材料大會(huì)（WBC2020）。
二、知識(shí)產(chǎn)權(quán)
[1] 盧婷利，曾慶巖，王坤，陳強(qiáng)，武祥龍，汪焰恩. 一種納米片組裝的花狀磷酸鈦微球及其制備方法. CN201810143744.7, 2021（發(fā)明專利）
三、科技獎(jiǎng)勵(lì)
[1] 2020.04：第一屆陜西省大學(xué)生天然藥物微視頻大賽二等獎(jiǎng)；
[2] 2020.07：“創(chuàng)客中國”陜西省中小企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽暨第二屆“創(chuàng)客陜西”中小企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽創(chuàng)客組三等獎(jiǎng)。
