近日，兰州大学材料与能源学院王育华教授课题组在纳米长余辉材料与生物应用领域取得了新进展。相关研究成果以“Sn4+-Mediated Trap Engineering in Cr3+-Activated Titanate Nanophosphors Enables Self-Sustained Multimodal Imaging and Combinatorial Oncotherapy”为题于2025年9月4日发表在国际知名期刊《Advanced Materials》。
该团队通过陷阱工程调控材料带隙及陷阱特性，成功开发了新型纳米近红外长余辉发光材料Na0.5Gd0.5TiO3（NGTO）: Cr3+, Sn4+，并详细研究了离子固溶(Sn4+取代Ti4+)对结构和发光性能的影响，建立了合理的发光机理模型。
多模态成像可提供全面而精确的工具，大大提高临床决策的效率和准确性。将卓越的多模态成像功能与刺激响应型药物释放功能集成在一个纳米平台中能为科学探索和临床转化带来重要希望，但在推进精准医疗的过程中这仍是一项艰巨的挑战。多数材料仅支持单一模态成像，缺乏诊疗一体化功能。因此，迫切需要开发一种尺寸小、亮度高、余辉长且具有多模态发光特性的纳米近红外长余辉材料，并对材料表面进行修饰载药，搭建出多功能的诊疗一体化平台，提升实验室到临床转化的可能。
为解决上述关键科学问题，王育华教授课题组通过缺陷工程有效调控材料的晶体结构、带隙大小和陷阱类型。研究发现，在NGTO结构中的Cr3+可实现单光子充能，这使得材料可以在蓝光和红光充能下也实现高效的余辉发射，但材料的余辉性能还不足以满足生物应用的需要。根据DFT计算结果预测，课题组采取了Sn4+取代Ti4+的策略，以增加材料带隙并引入新陷阱，增强材料的载流子捕获能力。基于以上结果，团队成功制备了Na0.5Gd0.5Ti1-x-yO3: xCr3+, ySn4+粉末样品。通过离子固溶，不仅实现了光致发光性能的3倍提升，还实现了超过16h的余辉发光。Na0.5Gd0.5Ti0.9772O3: 0.0008Cr3+, 0.022Sn4+粉末样品在365nm、405nm和650nm下均可实现高效充能，实现近红外余辉发射，材料还具有Gd3+带来的顺磁性，具有磁共振成像能力。并在980nm激光下产生光激励发光。图1中展示了纳米诊疗一体化平台的合成过程和诊治效果。通过共沉淀法制备纳米Na0.5Gd0.5Ti0.9772O3: 0.0008Cr3+, 0.022Sn4+（LPLNPs-NGTOCS）粉末材料，在80nm的尺寸下材料依旧可实现小鼠体内2.5h以上的余辉发射。通过SiO2包覆可进一步降低纳米材料表面缺陷导致的非辐射跃迁。在SiO2上进行抗菌抗肿瘤药物搭载，可实现在保持成像性能的基础上，赋予材料刺激响应药物释放能力，并实现50%以上的抗菌/抗肿瘤疗效。
为了验证LPLNPs-NGTOCS材料的临床转化可行性，如图2所示，通过三维肿瘤球体模型验证了其卓越的抗肿瘤杀伤效力，表明LPLNPs-NGTOCS@SiO₂@DOX具有强大的抗肿瘤杀伤能力。
综上所述，该系统通过协同整合靶向治疗作用与内在诊断能力，有望在生物医学应用中实现诊断与治疗一体化。
兰州大学材料与能源学院博士研究生张泓喆为本论文第一作者，兰州大学材料与能源学院王育华教授和兰州大学口腔医学院周平教授为本文通讯作者。该项工作得到甘肃省重点研发计划项目的支持。
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