碳量子点在口腔医学领域的应用前景展望*

袁一方顾斌

·综述·

碳量子点在口腔医学领域的应用前景展望*

袁一方顾斌

碳量子点是由碳原子通过排列组合形成的一类粒径小于10nm，自带荧光的纳米材料，可透过细胞膜进入细胞。碳量子点表面有诸多功能基团及化学键，赋予其良好的理化性能和生物相容性；其具备低毒性甚至无毒性，不会对细胞产生明显杀伤作用。利用碳量子点此类优越性能，可用于细胞生物成像。碳量子点与某些离子、分子之间可形成化学键或静电吸附，结合外源物质后其荧光强度发生变化，从而起到荧光探针的作用，用以检测外源物质的含量。碳量子点还可与各种药物结合，作为药物载体进入细胞释放药物，达到治疗疾病的目的。结合碳量子点的这些特点，可应用于口腔医学领域的研究，探索其对口腔组织各种细胞增殖、分化、凋亡、迁移等的影响；对牙科材料、药物成分进行检测；与化疗药物结合形成载药复合体，应用于口腔癌的治疗。本文将就碳量子点在口腔医学领域的潜在应用作以综述。

碳量子点；荧光性；生物成像；荧光探针；载药

近年来，纳米材料在生物医学领域的应用得到广泛关注，像石墨烯、量子点、纳米管、树状大分子、脂质体、纳米颗粒等材料，是粒径小于100nm，由原子或分子通过排列组合创造出的具有特殊性能的新物质，自从成功应用于微电子、半导体光物理领域后，现在被广泛应用于生物医学研究领域[1-3]。

2004年，美国科学家通过纯化电弧放电制备单纯碳纳米管时，发现了一种新型荧光纳米材料——碳量子点[4]。10多年来，研究人员对碳量子点的合成工艺、性能及应用进行了大量的探索研究，发现这是一类其粒径小于10nm，自带荧光，具有良好理化性能的纳米材料。

碳量子点的传统合成方法主要有电弧放电法，激光消融法，电化学法[5]。这类合成方法存在工艺复杂，成本高，原料不易获取，不绿色环保等缺点。所以探索碳量子点新型合成方法成为研究者们关注的焦点，微波消解法和水热法得到普遍认可。这两种合成方法具备合成工艺简单，成本低，原料无毒无害、廉价易得、绿色环保的优点[6]。所用的原料涉及牛奶、橘汁、芦荟、柚子皮、鸡蛋膜[7-11]等生活中常见的可食用物质或葡萄糖、组氨酸、维生素C、叶酸、乙酸[12-16]等容易获得、无毒无害的化学物质，将其水溶液加热或微波消解一定时间即可制得荧光碳量子点。

碳量子点具备良好的理化性能：体积小；通过功能化修饰，表面带有羧基、羟基等化学基团，具备很好的亲水性和生物相容性；自带荧光，并具有荧光稳定性；细胞毒性检测发现碳量子点具备低毒性甚至无毒性，随着近年来对其合成工艺的改进，更加提高了其生物安全性[17]。目前对碳量子点的研究主要集中在以下几个方面：生物成像，荧光探针，生物医学传送系统[18]。而其在口腔医学领域的应用鲜有报道，本文将结合碳量子点在生物医学方面的应用，对其在口腔医学领域的应用价值进行展望。

1.生物成像

很多量子点材料都具有荧光性，因而被用于生物体内或生物体外成像，如CdSe/ZnS量子点以及相关的芯壳纳米粒[19,20]。然而由于这类纳米材料中含有重金属元素，作为潜在的生物危害，使其生物安全性受到质疑。碳量子点，因其化学成分简单、具有良好的荧光性、生物相容性和低毒性，引起了人们对其在生物成像方面应用的重视。Yaping Sun等[21]首先报道了碳量子点在生物成像上的作用，随后，越来越多的研究证实了这一点。有研究报道，以橙汁为原料，用水热法合成荧光碳量子点，用于人骨肉瘤细胞。碳量子点进入肿瘤细胞，且对细胞无杀伤作用，紫外激发下可以观察到绿色的荧光[8]。He Huang等[13]通过微波消解组氨酸的方法制备荧光碳量子点，与人的胚胎肾脏细胞共同孵育，发现在细胞质和细胞核中均可观察到荧光。将葡萄糖与甘氨酸混合后的水溶液加热，制备荧光碳量子点，用于观察A549，Sh-y5y和MTEC1细胞，在共聚焦显微镜下可以清晰的看到带有荧光的细胞形态[12]。Jie Zhou等[22]通过水热海藻酸钠制备碳量子点，与3T6细胞共同孵育，可以很好的观察细胞对材料的摄取过程，相比于有机染料，避免了对组织细胞的损伤，可用于活细胞成像。以牛奶为原料水热法合成荧光碳量子点，使用人类U87细胞，细胞毒性检测证明碳量子点无毒性，材料进入细胞后，细胞带有荧光，显微镜下可清晰地观察到细胞形态，为研究细胞的增殖、分化、迁移提供了良好的基础[7]。Thomas等[14]微波消解维生素C，制得的碳量子点与MDCK和HeLa细胞共同孵育，两种细胞均表现出很好的荧光影像。使用柠檬酸和谷胱甘肽为原料，采用微波消解的方法得到碳量子点，用以来观察MCF-7细胞，此制备方法荧光产率高，材料表现出良好的水溶性和生物相容性[23]。Weiwei Guan等[15]微波消解叶酸，与神经胶质瘤细胞共同孵育，共聚焦显微镜下观察到带有荧光的细胞，证明了碳量子点在生物成像方面的作用。

2.元素及化学物质的检测

碳量子点表面有较多元素、功能基团和化学键，可以与化学物质发生物理或化学性键合，结合碳量子点的荧光性能，可用于生物体内或生物体外某些元素或化学物质的检测。Ali Barati等以酸橙汁为原料，通过水热法合成氮化碳量子点，探索其在Hg+检测上的应用。实验发现，碳量子点与Hg+结合后荧光强度发生变化，且随着溶液中Hg+浓度的增加，荧光强度逐渐减弱，同样的浓度下，Hg+溶液中荧光强度变化比率明显高于其他金属离子溶液，证实氮化后的碳量子点对Hg+有很高的敏感性和选择性，可用于监测湖水样本中Hg+的含量[24]。Chun Sun等使用大蒜为原材料，将其微波24小时后的粉末溶于水中，水热法制备得到氮硫化的碳量子点，用于Fe3+的监测。研究发现碳量子点与Fe3+结合后荧光发生变化，且与Fe3+的浓度有关。碳量子点的亲水基团与Fe3+结合，赋予了材料对Fe3+良好的敏感性，可检测到极低浓度的Fe3+，从而应用于监测溶液中的Fe3+[25]。用柠檬酸和磷酸氢二钾混合液微波消解制备碳量子点，根据碳量子点荧光强度的变化可以分析牛奶中四环素的含量[26]；以淀粉为原料，水热法合成碳量子点，可以检测溶液中的H2O2含量[6]；Hua Xu等将芦荟捣碎制成水溶液，加热后制得荧光碳量子点，用于监测食品中柠檬黄的含量[9]。Qi Wang等将鸡蛋膜微波后的粉末溶于水中加热得到碳量子点，研究发现碳量子点与Cu2+结合后荧光明显减弱，加入含有谷氨酸的溶液中，Cu2+与谷氨酸结合，从碳量子点上脱落，由于碳量子点具备荧光稳定性，可重新发出荧光，利用此能量转化过程来监测溶液中的谷氨酸含量[11]。

3.头颈部肿瘤疾病的抗肿瘤药物载体

化疗药物是治疗肿瘤疾病的重要方法之一，然而静脉给药在杀伤肿瘤细胞的同时也会杀伤正常细胞，使得化疗药物存在很严重的毒副作用[27]。因此研制出能够靶向攻击肿瘤细胞并缓释药物的载体成为肿瘤疾病治疗的研究热点。新型载药材料复合体应具备示踪、载药、靶向、控释的特点[28-31]。碳量子点因其良好的荧光性能，可用于载药释放过程的研究，其表面存在的化学基团使其能够与药物和肿瘤细胞的靶向因子通过静电吸附相结合，从而达到载药和靶向性的目的；进入细胞后利用pH值的改变破坏药物与材料之间的静电结合，使药物从材料表面脱落，从而达到释放药物的目的[32]。

碳量子点对乳腺癌细胞有识别作用，可以促进肿瘤细胞的内吞摄取过程，Beibei Wang等[33]以柠檬酸和苯二胺为原料合成碳量子点，并通过物理吸附在碳量子点上负载阿霉素，利用碳量子点荧光强度的改变观察其进入Hela细胞和L929细胞的过程，并通过细胞毒性检测发现负载阿霉素的碳量子点对Hela细胞有更强的杀伤作用。碳量子点不仅具备细胞成像和输送药物的功能，同时可以直观地观察整个给药和释放过程。具有良好荧光性和生物相容性的碳量子点所构成的给药系统，通过可见的药物负载和释放，有望在肿瘤疾病的化疗过程中达到最大药效和最小副作用的目的。Qing Wang等将碳量子点作为siRNA的载体，用于胃癌细胞的研究，证实碳量子点可以作为siRNA的载体，携带siRNA进入肿瘤细胞，并起到成像作用[34]。Songeun Beack等人以甘油、聚乙二醇、柠檬酸为原料合成了碳量子点，在其上负载抗黑色素瘤药物Ce6，同时用透明质酸做靶向因子，合成Cdot-Ce6-HA复合体，体外实验及动物实验证实小鼠黑色素瘤细胞对载药复合体的摄入量明显多于单纯药物组，载药复合体对黑色素瘤细胞产生了杀伤作用，荧光检测及组织病理切片均表明靶向载药复合体具备很好的抗肿瘤效应[35]。

4.碳量子点在口腔医学领域的应用前景展望

关于纳米材料在口腔医学领域应用的报道，多集中在义齿基托、复合树脂、人工骨材料方面[36,37]，关于碳量子点的研究鲜有报道。相比于其他纳米材料，碳量子点合成工艺简单，易于获取；生物安全性高，适宜浓度下不会对组织细胞产生毒害作用；荧光性能稳定，不易发生淬灭，易于存放，有望取代有机染料；生物相容性好，易进入细胞。

上述研究结果表明，碳量子点在生物成像方面的作用已经得到认可，利用其稳定的荧光性，可作为生物探针进入细胞观察细胞形态，追踪细胞的迁移。然而文献鲜有报道其这一作用在口腔医学领域的应用。目前，口腔组织缺损修复是口腔疾病研究的重要课题之一，能否诱导干细胞重新分化为功能性细胞是研究的热门[38,39]。利用碳量子点的荧光性能，与口腔相关细胞，如牙髓、牙龈、牙周间充质干细胞等共同通孵育，进而研究细胞的增值、分化、凋亡、迁移等过程，在口腔组织再生领域有很好的应用价值。

材料作为医学的辅助手段，一直以来都为推动医学进步作出巨大贡献，口腔医学更是与材料密不可分。可利用碳量子点的相关特性，监测漱口水、牙膏、生物凝胶、树脂、粘接剂等牙科试剂或材料中特殊物质的含量，以提高试剂或材料的安全性和有效性。

目前关于碳量子点载药治疗肿瘤的研究最为热门，尤其在乳腺癌治疗方面。已有报道证实，碳量子点可以结合抗肿瘤药物杀伤Hela细胞，因而可以推测，碳量子点在口腔医学领域，对口腔组织来源的肿瘤细胞也有很好的研究价值。口腔颌面部肿瘤的治疗方法主要有手术疗法、化学疗法、放射疗法等，化疗药物存在诸多缺点，例如对肿瘤组织不敏感，针对性差，机体毒副反应严重等[40]。碳量子点良好的荧光性可以使药物的作用途径变的可见，有利于研究药物的作用机制；其与不同的化疗药物、肿瘤细胞靶向因子可通过静电吸附结合，达到靶向作用，提高对口腔颌面部肿瘤的针对性；进入细胞后静电吸附可因肿瘤细胞内酸性环境而发生断裂，达到释放药物的目的；同时由于碳量子点体积的优越性，可能携带药物直接攻击细胞核[41,42]，从而提高化疗药物对口腔颌面部肿瘤的治疗效率。

因此，结合碳量子点的体积优越性、自带荧光、生物相容性好、生物安全性高等特点，将碳量子点应用于口腔医学领域，用于细胞成像、化学物质成分检测、抗肿瘤药物载体，是一个具有创新性和实用性的研究方向，值得深入研究和探索。

[1]Koo O M,Rubinstein I,Onyuksel H.Role of nanotechnology in targeted drug delivery and imaging:a concise review[J]. Nanomedicine Nanotechnology Biology&Medicine,2005,1 (3):193-212

[2]Mehra N K,Mishra V,Jain N K.Receptor-based targeting of therapeutics[J].Therapeutic Delivery,2013,4(3):369-394

[3]Baker S.Luminescent Carbon Nanodots:Emergent Nanolights[J].Angewandte Chemie International Edition,2010, 49(38):6726-6744

[4]Xu X,Ray R,Gu Y.Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments [J].Journal of the American Chemical Society,2004,126(40): 12736-12737

[5]Wang Y,Hu A.Carbon quantum dots:synthesis,properties and applications[J].Journal of Materials Chemistry C,2014, 2(34):6921-6939

[6]Jahanbakhshi M,Habibi B.A novel and facile synthesis of carbon quantum dots via salep hydrothermal treatment as the silver nanoparticles support:Application to electroanalytical determination of H2O2in fetal bovine serum[J].Biosensors& Bioelectronics,2016,81:143-150

[7]Wang L,Zhou H S.Green synthesis of luminescent nitrogen-doped carbon dots from milk and its imaging application [J].Analytical Chemistry,2014,86(18):8902-8905

[8]Sahu S,Behera B,Maiti T K.Simple one-step synthesis of highly luminescent carbon dots from orange juice:application as excellent bio-imaging agents[J].Chemical Communications,2012,48(70):8835-8837

[9]Hua X,Yang X,Gu L.Green Synthesisof Fluorescent Carbon Dots for Selective Detection of Tartrazine in Food Samples[J]. Journal of Agricultural&Food Chemistry,2015,63(30): 6707

[10]Lu W,Qin X,Liu S.Economical,Green Synthesis of Fluorescent Carbon Nanoparticles and Their Use as Probes for Sensitive and Selective Detection of Mercury(II)Ions[J].Analytical Chemistry,2012,84(12):5351-5357

[11]Wang Q,Liu X,Zhang L.Microwave-assisted synthesis of carbon nanodots through an eggshell membrane and their fluorescent application.Analyst[J].2012,137(22):5392-5397

[12]Du F,Li J,Hua Y,et al.Multicolor Nitrogen-Doped Carbon Dots for Live Cell Imaging[J].Journal of Biomedical Nanotechnology,2015,11(5):780-788

[13]Huang H,Li C,Zhu S.Histidine-derived nontoxic nitrogen-doped carbon dots for sensing and bioimaging applications[J].Langmuir the Acs Journal of Surfaces and Colloids, 2014,30(45):13542-13548

[14]Edison T N,Atchudan R,Sethuraman M G.Microwave assisted green synthesis of fluorescent N-doped carbon dots: Cytotoxicity and bio-imaging applications[J].Journal of Photochemistry and Photobiology B:Biology,2016,161:154

[15]Guan W,Wei G,Ling Y.Microwave-assisted polyol synthesis of carbon nitride dots from folic acid for cell imaging [J].International Journal of Nanomedicine,2014,9(Issue 1): 5071-5078

[16]Hou J,Wang L,Zhang P.Facile synthesis of carbon dots in an immiscible system with excitation-independent emission and thermally activated delayed fluorescence[J].Chemical Communications,2015,51(100):17768-17771

[17]Xu Z Q,Lan J Y,Jin J C.Mechanistic studies on the reversible photophysical properties of carbon nanodots at different pH[J].Colloids and Surfaces B:Biointerfaces,2015, 130:207-214

[18]Li H,Kang Z,Liu Y.Carbon nanodots:synthesis,properties and applications[J].Journal of Materials Chemistry, 2012,22(46):24230-24253

[19]Zhang Y,Qin W,Tang H.Efficient assembly of multiwalled carbon nanotube-CdSe/ZnS quantum dot hybrids with high biocompatibility and fluorescence property[J]. Colloids and Surfaces B:Biointerfaces,2011,87(2):346-352 [20]Reiss P,Protière M,Li L.Core/Shell semiconductor nanocrystals.Small[J],2009,5(2):154-221

[21]Sun Y P,Zhou B,Lin Y.Quantum-Sized Carbon Dots for Bright and Colorful Photoluminescence[J].Journal of the American Chemical Society,2006,128(24):7756-7767

[22]Zhou J,Deng W,Wang Y.Cationic carbon quantum dots derived from alginate for gene delivery:One-step synthesis and cellular uptake[J].Acta Biomaterialia,2016,42:209-217

[23]Wang Y,Zhuang Q,Ni Y.Facile Microwave-Assisted Solid-Phase Synthesis of Highly Fluorescent Nitrogen-Sulfur-Codoped Carbon Quantum Dots for Cellular Imaging Applications[J],Chemistry.2015,21(37):13004-13011

[24]Barati A,Shamsipur M,Arkan E.Synthesis of biocompatible and highly photoluminescent nitrogen doped carbon dots from lime:Analytical applications and optimization using response surface methodology[J].Materials Science and Engineering C Materials for Biological Applications,2015,47 (47):325-332

[25]Sun C,Zhang Y,Wang P.Synthesis of Nitrogen and Sulfur Co-doped Carbon Dots from Garlic for Selective Detection of Fe3+[J].Nanoscale Research Letters,2016,11(1):110-118

[26]Hou J,Li H,Wang L,et al.Rapid microwave-assisted synthesis of molecularly imprinted polymers on carbon quantum dots for fluorescent sensing of tetracycline in milk[J].Talanta, 2016,146:34-40

[27]Cho H S,Dong Z,Pauletti G M.Fluorescent,Superparamagnetic Nanospheres forDrug Storage,Targeting,and Imaging:A Multifunctional Nanocarrier System for Cancer Diagnosis and Treatment[J].ACS Nano,2010,4(9):5398-5404

[28]Kruse V,Rottey S,Backer O D.Future Cancer Therapy with Molecularly Targeted Therapeutics:Challenges and Strategies [J].Biomolecules&Therapeutics,2011,19(4):371-389

[29]Zong A,Cao H,Wang F.Anticancer polysaccharides from natural resources:A review of recent research[J].Carbohydrate Polymers,2012,90(4):1395-1410

[30]Mora-Huertas C E,Fessi H,Elaissari A.Polymer-based nanocapsules for drug delivery[J].International Journal of Pharmaceutics,2010,385(1-2):113-142

[31]Spyratou E,Makropoulou M,Mourelatou E A.Biophotonic techniques for manipulation and characterization of drug delivery nanosystemsin cancer therapy[J].Cancer Letters,2012, 327(1-2):111-122

[32]Liu Z,Zhang N.pH-Sensitive polymeric micelles for programmable drug and gene delivery[J].Current Pharmaceutical Design,2012,18(23):3442-3451

[33]Wang B,Wang S,Wang Y.Highly fluorescent carbon dots for visible sensing of doxorubicin release based on efficient nanosurface energy transfer[J].Biotechnology Letters,2016, 38(1):191-201

[34]Wang Q,Zhang C,Shen G.Fluorescent carbon dots as an efficient siRNA nanocarrier for its interference therapy in gastric cancer cells[J].Journal of Nanobiotechnology,2014, 12(1):58

[35]Beack S,Kong W H,Jung H S,et al.Photodynamic therapy of melanoma skin cancer using carbon dot-chlorin e6-hyaluronate conjugate[J].Acta Biomaterialia,2015,26:295-305

[36]赵明哲,汲平.纳米技术在口腔修复领域的应用前景及进展[J].口腔颌面修复学杂志,2008,9(1):76-78

[37]张雅丽,张少峰,杨彦伟,等.纳米二氧化硅对氟硅云母玻璃陶瓷强度的影响[J].中华老年口腔医学杂志,2011,9(4):196-200

[38]刘娜,张博,李芳菲,等.大鼠脂肪间充质干细胞膜片的生物学特点研究[J].中华老年口腔医学杂志,2013,11(2):54-69

[39]鲁莉英,霍娜,刘洪臣.牙龈间充质干细胞的研究进展[J].口腔颌面修复学杂志,2016(4):249-252

[40]Raj R,Mongia P,Kumar S S,et al.Nanocarriers Based Anticancer Drugs:Current Scenario and Future Perceptions[J]. Current Drug Targets,2016,17(2):206-228

[41]Mora-Huertas C E,Fessi H,Elaissari A.Polymer-based nanocapsules for drug delivery[J].International Journal of Pharmaceutics,2010,385(1-2):113-142

[42]Talevi A,Gantner M E,Ruiz M E.Applications of nanosystems to anticancer drug therapy(Part I.Nanogels,nanospheres,nanocapsules)[J].Recent Pat Anticancer Drug Discov, 2014,9(1):83-98

The application prospect of carbon dots in the field of stomotology

YUAN Yi-fang,GU Bin(Institution:Institution of Stomatology,The General Hospital of China PLA,Beijing 100853,China)

Carbon quantum dots(QDs)are formed by the arrangement of carbon atoms,with a particle diameter of less than 10 nm.CDs display dependent photoluminescence(PL)behavior and can be taken into cells through cytomembrane. There are multiple functional groups and bands on the surface of CDs,which make CDs obtain the excellent physicochemical properties and biocompatibility.CDs show low cytotoxicity and even nontoxicity,exhibiting superior biosecurity.The remarkable characteristics of CDs can be applied in bioimaging.The molecule,ion and other elements can be conjugated to CDs through electrostatic interaction due to the multiple functional groups on the surface of CDs,which would change the PL of CDs.Utilizing this changing progress,CDs show as a probe to detect the content of these substances.What’s more, CDs combine with drugs as a drug delivery system for disease therapy.According to the properties of CDs,researchers can study the impact of this nanomaterial to cell proliferation,differentiation,apoptosis,and migration in oral tissues;detect the component of dental materials and agents;combine chemotherapeutics as drug delivery complexes for oral carcinoma therapy.In this paper,we will discuss the potential application of CDs in the field of stomotology on review.

carbon dots(CDs);photoluminescence(PL);bioimaging;fluorescence probe;drug loading

R782

A

1672-2973(2017)04-0248-05

2017-03-28)

国家自然科学基金(项目编号：31670998；51473175)北京市科技新星计划(Z141107001814101)

袁一方解放军总医院口腔科硕士生北京100853

顾斌通讯作者解放军总医院口腔科副主任医师副教授北京100853