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华南师范大学Adv. Funct. Mater. :硼掺杂石墨烯量子点的二次谐波效应应用于干细胞成像和伤口愈合超精确跟踪

研究者合成一种具有二次谐波效应(SHG)的硼掺杂石墨烯量子点(B-GQDs)材料应用于干细胞成像,并且可以实现伤口愈合的超精确跟踪。

【引言】

二次谐波产生效应(SHG)是近年来出现的一种新技术,它具有无漂白、无闪烁、无信号饱和、信噪比高于荧光等优点。现有的SHG探针技术以重金属或有机染料分子为基础,存在毒性大、体积大或光不稳定等缺点。因此,开发新型的无毒、稳定的具有SHG效应的材料对于发展SHG探针技术非常重要。

【成果简介】

近日,华南师范大学邓小元教授和Ying Jin教授(共同通讯作者)在Adv. Funct. Mater. 上发表了一篇题为“New Opportunities: Second Harmonic Generation of Boron-Doped Graphene Quantum Dots for Stem Cells

Imaging and Ultraprecise Tracking in Wound Healing”是文章。研究者合成一种具有二次谐波效应(SHG)的硼掺杂石墨烯量子点(B-GQDs)材料应用于干细胞成像,并且可以实现伤口愈合的超精确跟踪。

【图文简介】

1 B-GQDs表征

华南师范大学Adv. Funct. Mater. :硼掺杂石墨烯量子点的二次谐波效应应用于干细胞成像和伤口愈合超精确跟踪

a) B-GQD合成示意图;

b-e) TEM,HRTEM,AFM图;

f) 高度分布;

g-h) XRD和拉曼谱。

2 B-GQDsSHG信号特性和图像

华南师范大学Adv. Funct. Mater. :硼掺杂石墨烯量子点的二次谐波效应应用于干细胞成像和伤口愈合超精确跟踪

a) 随着功率的增加,在830nm激发下的SHG信号频谱;

b) SHG强度与激光功率的关系;c) 多通道模式用于在830 nm激发波长下检测410-420 nm范围内的B-GQDS发射信号,以实现成像;

d-f) 证明B-GQDs成像具有优异的信噪比;

g) Lambda模式下的高精准图像。

3 B-GQDs对小鼠干细胞的成骨分化的影响以及B-GQDs的细胞毒性评价

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a-b) 定量分析不同浓度(80、40和20μg ml−1)或仅在第3天和第5天以培养基作为对照的b-gqds处理的MMSCs的特定成骨基因(runx-2,alp)的mRNA表达;

c) B-GQDs体外细胞毒性分析:用B-GQDs孵育3天后,评估EMT6和MMSC细胞的存活率;

d) B-GQDs的体内细胞毒性分析:将浓度为1 mg ml−1的B-GQDs注射到小鼠体内,然后对注射和未注射(对照)动物的心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏的H&E染色组织进行分析

用于体外细胞追踪和成像的B-GQDS

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a) 使用带B-GQDs的EMT6细胞的SHG图像。红点为B-GQDS的SHG;

b)使用带B-GQDs的MMSCS的SHG图像;

c)体外BGQDs的MMSCs的延时图像;

d)激光照射下SHG和GFP强度随时间的变化。

在小鼠皮肤组织中,b-gqds显示出优于背景的信号,并且可以通过增加成像深度进行检测

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a) 将b-gqds内化为MMSCs的三维扫描图像接种于ADM体外;

b)B-GQDS与胶原体内SHG成像敏感性比较;亮点:B-GQDS产生的SHG;红色:胶原蛋白产生的SHG;

c)相同激光功率(30 mW)下,B-GQDS与胶原的SHG强度比较;

d)创面再生皮肤组织三维扫描图像(0.21mm×0.21mm×0.24mm);

e)3D图像中约200和130微米深度处的横截面图显示存在B-GQD。亮点:b-gqds产生的shg;红色:胶原蛋白产生的shg;绿色:MMSCs的gfp产生的荧光。比例尺为20微米。

随着时间的推移,用B-GQDS在体外和在体内对MMSCs进行成像和跟踪

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a) 7天、14天、21天、28天和35天后,用b-gqds对mmsc进行体外跟踪。亮点:b-gqds产生的shg;绿色:MMSCs的gfp产生的荧光;

b)在7天、14天、21天、28天和35天之后,将mmsc–adm植入100–200μm深度的小鼠皮肤伤口后的体内跟踪。红色:胶原蛋白形成的SHG;亮点:B-GQD形成的SHG;绿色:MMSCs的GFP产生的荧光。比例尺为20微米。

【小结】

研究者通过掺杂硼原子(≈11纳米和单碳原子厚度)制备了一种新的石墨烯量子点,它产生了一种强SHG非线性光信号。无探头用于SHG成像和跟踪。并且进一步证明了B-GQDS在体外和体内对干细胞无毒性。B-GQDs表现出良好的生物相容性和长期的光稳定性,可以在伤口愈合模型中成功跟踪皮肤组织35天以上。研究者认为这种具有高生物相容性和量子点尺寸的新材料可以作为一种有前途的用于成像和长期跟踪的SHG纳米探针。

文献链接 New Opportunities: Second Harmonic Generation of Boron-Doped Graphene Quantum Dots for Stem Cells  Imaging and Ultraprecise Tracking in Wound Healing, 2019, Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201902235

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