黑磷,一种在生物光子学领域具有潜力的新型纳米平台
发布时间:2020-04-26 15:57:54 编辑:麓帮主 阅读次数:557

 

导读

本文对黑磷在生物医学领域的最新研究进展进行了综述,具体从黑磷的生物相容性,医学诊断,医学治疗这三个方面介绍了相关研究成果。相关成果以“Black Phosphorus: a novel nanoplatform with potential in the field of bio-photonic nanomedicine”发表在期刊 Journal of Innovative Optical Health Sciences 上。

PI简介

张晗,深圳大学光电工程学院/教育部二维材料光电科技教育部国际联合实验室 ,特聘教授、博士生导师。中组部青年千人计划获得者、教育部新世纪优秀人才获得者、深圳市黑磷光电技术工程实验室主任、深圳市孔雀创新团队负责人,获得了包括国家自然科学基金优青、重点、面上项目等项目资助。首届国家“优青”、基金委重点项目负责人(2015年)、深圳市创新团队负责人(2015年)、深圳市青年科技奖获得者(2017年)、全球高被引科学家(2018年)等。兼任民盟中央委员、广东省政协委员、深圳市政协委员、 Photonics Research 等多个SCI期刊副主编/专题主编、中国激光青年编委会秘书长等职务。主要从事二维材料光学特性与生物光学特性研究,2016年入选深圳市海外高层次人才孔雀团队(1500万无偿资助)。已累计发表SCI论文200余篇包括Advanced Materials 10篇(影响因子21.950)、Chemical Society Reviews 3篇(影响因子40.182)、PNAS、Nature Materials(影响因子39.235)、Physic Reports等,以第一作者或通讯作者发表SCI一区论文80篇,封面论文30篇,两篇论文入选中国百篇最具影响国际学术论文,40篇论文引用过百次,ESI高被引论文60篇。2018年新型抗癌药物新载体——智能黑磷水凝胶科技成果发表在PNAS上,入选2018年中国光学十大进展-应用研究类。论文总引用超过28000次,H-index≥86。

 

 

综述背景

 

 

自2014年被首次报道以来,二维黑磷凭借着自身独特的性质吸引着众多科研人员的目光。近年来,研究人员发现,二维黑磷在生物医学上也有很广阔的应用前景。黑磷的带隙从0.3 eV到2.0 eV宽带可调,因此在可见光和近红外区域有很好的光响应特性,是光热和光动力疗法的明星材料。而电子迁移率和开关比的高平衡则意味着黑磷在生物传感与成像领域很有潜力。
此外,有文献报道,黑磷的独特褶皱结构能够明显提高药物的负载量,在药物递送领域有明显优势。更有趣的是,黑磷在生物体内可以完全降解成磷酸根等无毒产物,副作用与长期毒性可以得到有效控制。兼具众多优异性质,黑磷自然收到众多科研人员的关注,在短短几年内就有大量相关的优秀研究成果被发表。 

 

综述内容

 

 

1
黑磷的生物相容性

 

黑磷的毒性与材料尺寸,浓度,孵育时间以及细胞系等多种因素有关。幸运的是,实验中最常用的200 nm尺寸的黑磷恰好毒性最低。黑磷的毒性主要来源于两个方面:(1)黑磷产生的活性氧杀死了细胞。(2)黑磷破坏了细胞膜的完整性。动物实验则表明,黑磷具有短期毒性,但是没有明显的长期毒性,可以应用于生物医学领域。

图1.细胞存活率与黑磷片的大小,浓度,孵育时间和细胞系的依赖关系。细胞系:NIH 3T3(a–c),HCoEpiC(d–f),和293T细胞(g-i)。暴露时间:12小时(a,d,g),24小时(b,e,h)和48小时(c,f,i)

 
2
黑磷与医学诊断

 

研究人员利用黑磷优异的电学性质,制成免疫球蛋白等生物分子的检测装置,实现了较高的灵敏度。而另一些工作则发现黑磷具有明显的荧光特性和较高的量子产率,可以应用于生物荧光探针。
除了生物分子的检测以外,黑磷在肿瘤成像方面也有不俗的表现。黑磷在肿瘤部位成像,主要是利用了黑磷的4个特性:(1)黑磷具有良好的光热性能,从而实现光热成像。(2)纳米颗粒的EPR效应,特定尺寸的黑磷会在肿瘤部位被动富集。(3)黑磷的大比表面积与褶皱结构,非常适合负载各类成像分子。(4)黑磷自身的光声特性。

图2.(a)在静脉注射黑磷24小时后,在近红外激光照射(808 nm,1 W/cm2)下裸鼠的红外热图像。(b)静脉注射黑磷(200 mL,2 mg/mL)后,雌性BALB/c小鼠肝脏,肾脏和肿瘤随时间变化的光声图像,以及不同浓度的黑磷的光声图像(第一列)。

 

3
黑磷与医学治疗

 

黑磷实现治疗效果,主要通过两种方式:(1)利用黑磷实现光热/光动力治疗。其中光热治疗是利用黑磷在近红外激光照射下的热效应杀死癌症细胞,而光动力则是由黑磷经过光照发生电子转移进而产生的活性氧发挥作用。(2)利用黑磷作为载药平台进行光控的化疗和基因治疗。相比于传统的疗法,利用黑磷实现光控药物治疗副作用会明显降低,而且更加的智能化。

图3.细胞存活率与黑磷量子点浓度和细胞系的依赖关系。激光的功率密度为1.0 W/cm2,波长为808 nm,照射时间为10分钟。(a)在808 nm激光照射后用黑磷量子点孵育的癌细胞的荧光图像。(b)用不同浓度的黑磷量子点处理后的C6细胞存活率。(c)用不同浓度的黑磷量子点处理后MCF7细胞存活率。

 

结论与展望

 

 

文章综述了黑磷在生物医学方面的相关研究,涉及到黑磷的毒性,生物成像,检测与治疗等多个方面。黑磷在生物领域应用广泛,潜力巨大,但是想要实现临床应用还需要克服几个关键问题。首先,考虑到尺寸效应对黑磷毒性与疗效的巨大影响,寻找一种新颖的制备方法来大批量地获得尺寸均匀的二维黑磷非常重要。其次,可以利用黑磷对外部刺激的灵敏响应调控化疗,免疫疗法等,实现协同治疗。最后,应该针对特定疾病,设计黑磷的相关参数并且通过功能化赋予靶向性。这些工作需要多学科的研究人员通力合作,早日将黑磷这一科研新秀变成患者救星。

 

 

 

论文链接:

 

https://www.worldscientific.com/doi/full/10.1142/S1793545818300033

 

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