Advanced Materials:Z型纳米异质结构用于氧气时空同步自我供给的光动力治疗

肿瘤细胞的快速增殖和血管发育的不完全不均匀常常导致肿瘤内氧气(O2)的供应不足,形成乏氧微环境,极大地限制了光动力治疗(PDT)过程中光敏剂的活性氧物种(ROS)生成效率,也就极大地降低了乏氧肿瘤的治疗效率。当前,各种O2的运载或生成策略已经被用于补偿光敏剂对氧气的消耗,然而O2在肿瘤组织内有限的饱和度及慢的迁移特性使得这些策略在时间和空间上依然不能很好地满足光敏剂对氧气的需求。

中国科学院长春应用化学研究所张海元研究员团队针对这一问题设计了设计了硫化铋(Bi2S3)-铋(Bi)Z型异质结构,能够在近红外光照射下在单纳米颗粒水平实现时空同步的ROS生成和O2的自我供给,为深层组织乏氧肿瘤的高效PDT治疗提供了新策略。研究表明,当纳米材料价带空穴的氧化电势大于水氧化电势(1.23 V,相对于标准氢电极)时,空穴会与水反应而产生O2;而纳米材料导带电子的还原电势小于超氧阴离子(O2)的生成电势(-0.13 V)时,电子可与O2反应生成O2,并进一步生成羟基自由基(OH•);当纳米材料的禁带宽度小于1.53 eV时,有可能被近红外光(808 nm)激发而产生电子和空穴。因此,同时满足导带位置低于-0.13 V,价带位置高于1.23 V,并且禁带宽度小于1.53 eV的纳米材料有可能实现近红外光激发下的O2 和ROS的时空同步生成。Bi2S3和Bi各自独特的能带特性使得它们能够构成Z型异质结构,从而同时满足以上三个条件。由于Bi的费米能级高于Bi2S3,电子会从Bi流向Bi2S3,平衡时在界面处产生内建电场,方向由Bi到Bi2S3。在808 nm近红外光的激发下,Bi2S3导带上的光生电子会在内建电场驱动下由Bi2S3转移至Bi表面,并与其价带上的光生空穴复合,从而使Bi2S3价带空穴和Bi导带电子发生分离,并具有较强的氧化还原能力。事实上,当生物相容性修饰后的Bi2S3-Bi纳米异质结构经尾静脉注射富集于荷瘤小鼠的肿瘤组织后,近红外光的照射能够很好地削弱肿瘤微环境的乏氧条件并对肿瘤组织产生强的氧化性损伤,展现出良好的针对乏氧肿瘤的PDT治疗效果。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201908109)上。