二氧化钛-金团簇-石墨烯异质结构用于增强黑色素瘤无痛光动力学治疗

黑色素瘤,又称恶性黑色素瘤,是皮肤肿瘤中恶性程度最高的瘤种,容易出现远处转移,因此,对其早期诊断和治疗尤为重要。光动力学治疗(PDT)已被证实对黑色素瘤有极好的治疗效果。在光动力学治疗中,光源和光敏剂是影响PDT治疗效果的两大重要因素。传统PDT治疗所用的激发光源会在治疗过程中给病人带来难以忍受的疼痛,而利用温和的模拟太阳光作为光源能够有效地减轻减轻这一疼痛。然而,太阳光是一种广谱性光源,往往不能够有效的激发光敏剂而产生活性氧物种(ROS),因此,需要设计全新的光敏剂来有效的在模拟太阳光照射下产生PDT治疗效果。二氧化钛(TiO2),因其良好的生物兼容性和稳定性而被作为光敏剂用于PDT治疗,但由于其本身为宽紧带半导体材料,只能被波长小于385 nm的光激发,模拟太阳光中仅有4%的能量能够用于激发TiO2产生电子和空穴,光利用率很低。同时,产生的电子与空穴容易发生复合,又进一步降低了产生ROS的效率。因此,提高TiO2纳米光敏剂对太阳光的利用率以及有效抑制其光生电子的复合成为提高PDT治疗效果的关键环节。

Smll-zhanghaiyuan

中国科学院长春应用化学研究所张海元领导的研究团队设计并合成了一种二氧化钛-金团簇-石墨烯纳米复合材料,可作为光敏剂用于模拟太阳光照射下的皮肤黑色素瘤的PDT治疗。一方面,该纳米复合材料中的金团簇的能隙仅为2.01 eV,可以利用36.8%的太阳光能量;石墨烯作为电子转移材料,可以有效地导引并分散TiO2产生的电子,抑制电子和空穴复合。另一方面,该复合材料中TiO2纳米粒子、金团簇及石墨烯之间能够形成合理的错位能级,在模拟太阳光辐照下,金团簇中最高占据轨道(HOMO)上的电子被激发至最低未占据轨道(LUMO)后,经TiO2的导带传递至具有较低费米能级位置的石墨烯,留下空穴在金团簇的LUMO位置。这样,最终处于石墨烯上的电子和金团簇上的空穴能够分别与O2和H2O分子反应生成超氧阴离子(O2)和羟基自由基(HO•),用于PDT治疗。一系列细胞和动物实验证实,这一复合材料能够引起黑色素瘤细胞内血红素氧合酶升高、谷胱甘肽水平的显著降低、线粒体机能障碍,最终引发细胞凋亡,而且,这一材料经尾静脉注射后能够有效地聚集于肿瘤区域,本身生物兼容性好,光照后能够有效地抑制黑色素瘤的生长。该项研究为黑色素瘤的无痛PDT高效治疗提供了全新的策略。相关论文发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201603935)上。

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