黑磷生物医学新应用:黑磷纳米薄片实现肿瘤的光热治疗、化疗和生物响应的三重协同治疗

二维材料的研究热潮始于2004年石墨烯的首次剥离,该项开创性工作在短短几年之内也为其发明者带来了2010年的诺贝尔奖物理学奖。在过去的十年之中,包括过渡金属硫族化合物(TMDs)、六方氮化硼(h-BN)、层状双氢氧化物(LDHs)、黑磷(BP)等在内的越来越多的二维材料被成功制备和表征,并在光电、电子、能源储存与转换和生物医学领域显示出了巨大的应用潜能。而黑磷作为二维材料家族中的后起之秀,备受广大研究者的瞩目。黑磷具备独特的光学属性,已有相关报道证明了黑磷二维材料可以作为高效的光热制剂,而磷又是生物体内必需的元素,使其在生物医学领域的应用具备了无可比拟的优势。仅管目前这些极少数的原创和开拓性的工作,但目前黑磷在生物医学应用领域的研究报道仍然不多。

考虑到二维材料结构的相似性,其他二维纳米材料(例如,石墨烯和二硫化钼等)在生物医学领域的成功应用能够很大程度地鼓励黑磷在这方面的开拓性工作。在黑磷二维材料的生物医学应用研究过程中,由清华大学的梅林副教授、深圳大学的张晗教授以及哈佛大学的施进军教授带领的联合课题组发现,黑磷纳米薄片(Nanosheets)具备优异的光学及光热转化性质、良好的生物相容性、表面易于功能化和较大的比表面积。二维黑磷纳米薄片较大的比表面积能够为化疗药物分子的大量吸附奠定基础,同时在808 nm激光照射下能够产生局部高热,一方面可以用于肿瘤的光热治疗,另一方面也能够驱动药物的释放。

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该项目研究采用优化的液态剥离法,首次将黑磷二维纳米薄片应用于诊断治疗制剂载体的制备以及功能化修饰,研发了一种负载临床化疗药物阿霉素(DOX)的黑磷纳米片载体系统,为黑磷二维材料在生物医学领域的应用提供了新思路,揭开了黑磷材料作为载药系统研究的新篇章。结果显示黑磷纳米薄片对于DOX的负载量显著高于传统的聚合物纳米粒子载体(Polymeric Nanoparticles)。同时,该项报道首次筛选并验证了黑磷纳米薄片被肿瘤细胞摄取后主要通过“大胞饮(Macropinocytosis)→晚期胞内体(Late Endosomes)→溶酶体(Lysosomes)”和“胞膜窖介导的摄取通路(Caveolae-dependent Endocytosis)”进行细胞内活动,从而为其他兴起的二维纳米材料相关细胞机制的研究提供了研究参考。该项研究还对黑磷载药纳米薄片在生物体内的安全性和抑瘤效果也进行了初步的报道,验证了黑磷载药纳米薄片具备很好的生物相容性,并且研究中采用的生物响应调节的化疗-光热治疗联合治疗(三重响应协同疗法)在免疫缺陷的裸鼠身上取得了强化的抑瘤效果。

本项目的研究为黑磷在生物医学中的应用提供了新的思路,同时也为今后更为系统的动物体内研究奠定了一定的基础。相关工作近期以封面文章的形式发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201603276)上,第一作者为哈佛大学研究员陶伟博士。