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近年来，随着医学影像技术的革新，磁共振影像(MRI)的发展面临以下几大趋势:(1)由结构影像向功能影像发展，如将MRI与PET、CT、荧光等影像技术相结合，发展基于MRI的多模态影像技术;或开发MRI新的功能成像序列，如磁共振波谱成像(MRS)，化学饱和位移成像(CEST)等;这些结构/功能影像可以赋予病灶区更为丰富的影像信息，为疾病的治疗及预后提供重要参考信息。(2) MRI的场强由低场(1.5T)向高场(3.0T)甚至超高场（7.0T及以上）发展是未来的趋势，随着场强的提高，MRI信噪比和影像质量显著提升;然而，传统MRI造影剂无法满足MRI发展趋势的要求，超高场MRI造影剂鲜有报道。(3)诊疗一体化技术，将MRI与肿瘤治疗（如化疗、光热疗、放疗等）相结合，实现影像介导下的肿瘤精准治疗。因此，发展新一代多功能MRI造影剂（探针）具有重要的学术意义和临床价值，是当前国际生物医用材料领域的研究热点和前沿。 基于以上分析，本课题设计并发展了多种基于MRI多模态影像的稀土纳米探针，成功实现了针对恶性肿瘤（如脑胶质瘤）的多模态影像精确诊断，主要包括以下几方面工作: 1.稀土纳米探针用于磁共振(MR)/上转换发光(UCL)双模态影像研究:针对当前跨越血脑屏障(BBB)技术的侵害性、效率低、靶向性差以及脑胶质瘤成像模态单一等缺点，我们设计合成了一种双靶向配体Angiopep-2修饰的NaYF4∶Yb3+/Tm3+/Gd3+@NaGdF4核壳结构影像探针。该新型影像探针集T1-MRI和UCL双模态影像为一体，弥补了单模态影像的不足，有利于脑胶质瘤的术前T1-MRI诊断和术中UCL荧光介导切除。实验结果表明，我们设计的双模态影像探针可以通过受体介导机制高效跨越BBB，主动靶向至荷瘤小鼠的原位脑胶质瘤病灶区，在脑胶质瘤的术前MRI诊断和术中荧光成像性能上，均分别优于临床常用的Gd-DTPA和5-ALA荧光染料，为临床脑胶质瘤的精准影像诊断、定位和手术荧光介导切除提供了重要借鉴。 2.稀土纳米探针用于MR/UCL/CT三模态影像研究:将不同影像模态融为一起，发挥各自优势，获得既具有较高组织分辨率同时又具有高灵敏度的影像信息，已成为临床影像技术发展的趋势;为实现这一目的，目前常规的研究思路是将不同影像功能的纳米颗粒机械的组装到一起，存在合成工艺复杂、不同模态影像性能互相影响等缺陷。为解决这一难题，我们设计合成了基于单一纳米颗粒实现T2-MR/UCL/CT三模态影像的新型稀土纳米探针(NaYF4∶Ho)，制备工艺简便易行，探针结构简单，并首次系统研究了该稀土探针中Yb/Ho的T2-MRI造影性能，在肿瘤细胞、活体实验鼠水平上实现了T2-MR/UCL/CT三模态协同增强成像，进一步选取实验鼠原位脑胶质瘤模型，成功用于脑胶质瘤的T2-MRI诊断，有望作为新型纳米影像探针用于肿瘤的多模态影像精准诊断。 3.稀土纳米探针用于MRI的结构影像与功能影像同机融合的研究:目前，传统钆剂在单一磁共振仪器上仍无法实现结构影像与功能影像的同机融合，极大阻碍了疾病的精准影像诊断。为解决这一难题，我们将聚赖氨酸(PLL)组装到超小NaGdF4纳米颗粒表面，这种简便的核@壳结构探针可以将磁共振T1-MRI和CEST成像高效融为一体。其中，内核NaGdF4可以实现结构成像T1-MRI，用于肿瘤病灶区的精准影像定位;外层PLL可以实现功能成像CEST，用于实时监控肿瘤病灶区pH变化。进一步选取实验鼠原位脑胶质瘤模型，在单一磁共振仪器上实现了脑胶质瘤病灶区结构影像与功能影像的同机融合。这类新型的双模态影像探针赋予病灶区精细的解剖结构和高敏感功能性信息的独特优势，有望真正做到脑胶质瘤的精准影像诊断和病理变化(pH)的实时监控，极具临床应用潜力。 4.稀土纳米探针用于超高场MR影像的研究:相比于低场(1.5 T)和高场(3.0T) MRI，超高场MRI（7.0T及以上）的信噪比和影像质量均显著提升，为进一步提高肿瘤的影像质量及诊断效率，超高场强MRI已成为发展趋势，因此亟需研发在超高场下具有优异造影性能的新型超高场MRI造影剂。基于此，我们设计、制备了不同尺寸的NaHoF4超高场MRI影像探针，系统研究了MRI造影性能与场强、颗粒尺寸之间的内在关系，初步探索了NaHoF4探针的超高场MRI影像机理，该部分研究将为未来临床超高场造影剂的设计、制备和应用提供指导意义。 5.稀土纳米探针用于MRI诊断和光热治疗研究:为了实现肿瘤的精准诊断与高效可控治疗，我们设计、合成了一种新型的Gd3+掺杂钨青铜(NaxGdWO3)纳米诊疗剂，其中，探针中的Gd3+可用于肿瘤的MRI诊断;氧空位诱导极化子赋予其高效的近红外光热转换率，可用于近红外光热治疗，高效杀死肿瘤细胞。值得一提的是，我们首次发现氧空位对水分子弛豫时间的影响机理，借助于该机理可以显著提升诊疗剂的MR影像性能，获得极高的弛豫率（r1=32 mM-1s-1，约是临床造影剂的8倍）。该类新型诊疗剂兼具MR影像诊断和高效近红外光热疗的优势，有望为重大恶性疾病的精准医疗提供借鉴性研究思路。