该研究由上海大学环境与化学工程学院的Jiaxin Wang、Chenjie Yao等学者联合纳米科学与技术研究中心及材料科学与工程学院团队共同完成，成果发表于Theranostics期刊2019年第9卷第2期（DOI: 10.7150/thno.27952），标题为《Upconversion-Magnetic Carbon Sphere for Near Infrared Light-Triggered Bioimaging and Photothermal Therapy》。
学术背景
癌症是全球致死率最高的疾病之一，每年导致超800万人死亡。传统治疗手段面临肿瘤靶向性差、副作用大等挑战，而纳米诊疗一体化（theranostics）技术通过整合成像与治疗功能，成为研究热点。然而，现有纳米平台构建受限于组分表面化学基团、尺寸和形貌的兼容性问题。本研究旨在开发一种基于中空碳球（hollow carbon sphere）的多功能纳米平台（FeCUPS），集成上转换发光（upconversion luminescence, UCL）成像、磁共振成像（MRI）和光热治疗（photothermal therapy, PTT）功能，实现肿瘤精准诊疗。
研究流程与方法
纳米诊疗剂合成与尺寸调控
- Fe3O4纳米颗粒制备：通过热解Fe(oleate)3前驱体合成6 nm超顺磁性Fe3O4（透射电镜验证）。
- 上转换纳米颗粒（UCNPs）合成：采用溶剂热法合成核壳结构NaGdF4:Yb3+/Tm3+@NaGdF4（UCNPs-Tm）和NaGdF4:Yb3+/Er3+@NaGdF4（UCNPs-Er），通过980 nm近红外光激发产生800 nm发射（避免组织自发荧光干扰）。
- 中空碳球载体构建：以油酸钠（NaOA）为模板，2,4-二羟基苯甲酸（DA）和六亚甲基四胺（HMT）为聚合物前驱体，经160°C聚合和500°C碳化形成中空碳球（FeC），其机械强度显著提升（裂纹减少）。
- 多功能组装：通过溶剂挥发法将UCNPs负载于碳球外表面，Fe3O4封装于空腔内（FeCU），最后用聚乙二醇（PEG）修饰增强水溶性（FeCUPS）。尺寸优化后，FeCUPS直径约216 nm，空腔111 nm（透射电镜及EDS线扫描验证元素分布）。
功能验证
- 磁学性能：FeCUPS的饱和磁化强度为1.7 emu/g（振动样品磁强计测试），T2弛豫率达845.13 mM⁻¹s⁻¹（3T MRI验证），优于文献报道值。
- 光学性能：UCL强度随浓度线性增加（2.8倍，100-400 μg/mL），光热转换效率达47.4%（808 nm激光，1.5 W/cm²），高于多数碳基材料。
- 生物相容性：CCK-8实验显示，FeCUPS对Hela细胞和正常胃上皮细胞（GES-1）的24小时存活率>95%。
体内多模态成像与治疗
- MRI/UCL双模态成像：荷瘤小鼠（Hela皮下瘤）注射FeCUPS后，磁场引导下肿瘤区域信号衰减率提升至54%（无磁场组11.5%），UCL成像显示3小时内肿瘤特异性富集。
- 光热治疗：808 nm激光照射（800 mW/cm²，10分钟）联合磁场组（+NIR+MF）在16天内完全消融肿瘤，且14天恢复期无复发；组织学分析显示显著坏死，血液生化指标（ALT、AST、CREA等）均正常，证实低毒性。
主要结果与逻辑关联
- 合成机制突破：首次实现UCNPs在三维碳材料上的稳定均匀负载，并通过溶剂挥发法克服了组分间尺寸/形貌限制。
- 磁靶向增强：Fe3O4的磁响应性使肿瘤部位纳米颗粒富集量提高2倍（ICP-AES检测Fe元素含量），显著提升PTT疗效。
- 协同效应：碳球的光热转换与UCNPs的深层组织成像（NIR-NIR发射）结合，实现治疗全程可视化。
结论与价值
该研究构建的FeCUPS纳米平台具有以下创新价值：
1. 科学意义：提出中空碳球作为多功能载体新策略，解决了纳米组分兼容性问题，为诊疗一体化设计提供普适性方法。
2. 应用潜力：磁场引导的PTT联合多模态成像可实现精准肿瘤消融，且碳材料成本低廉，易于临床转化。
3. 拓展性：碳球空腔可负载其他纳米材料，未来或应用于能源转换、催化等领域。
研究亮点
- 方法创新：首创溶剂挥发法实现UCNPs在碳球表面的稳定负载，突破传统化学偶联限制。
- 性能优势：47.4%的光热转换效率为同类碳材料最高，且兼具MRI/UCL双模态成像功能。
- 治疗突破：磁场增强的PTT实现肿瘤完全消除且无复发，为临床联合治疗提供新思路。
其他价值
- 安全性验证：通过血液生化与组织切片证实FeCUPS的系统毒性可忽略，优于金纳米颗粒等传统光热剂。
- 长期稳定性：FeCUPS在盐水中储存两周后仍保持UCL强度，预示良好的临床储存潜力。
（注：文中所有实验数据均以均值±标准差表示，统计显著性通过ANOVA检验，*p<0.01。）