Advanced Functional Materials:一矢双穿,同心协力!Cu₂₋ₓS纳米同质结用于感染性伤口和癌症治疗

现如今,细菌感染和恶性肿瘤严重威胁着人类的健康。对此,传统治疗手段是手术切除结合术后药物治疗;然而,存活的细菌或残留的肿瘤细胞通常会导致感染或肿瘤的复发。抗生素和抗癌药物的长期滥用导致多药耐药病原体和肿瘤细胞的流行。最近,近红外光(NIR)激发纳米材料光治疗因其深层组织穿透、灵活的远程操作以及避免细菌和细胞的耐药性而引起研究者的极大兴趣,其中,同质结是在两个具有不同能级的相似半导体之间形成的,通过能带弯曲同时赋予纳米材料光热和光动力效应。由于同质结界面两侧组分的均匀性,其通常具有更快的载流子转移和更小的电荷复合率。然而,同质结纳米颗粒在疾病治疗中的生物医学应用仍有待探索。

针对以上问题,四川大学邓怡杨为中教授联合团队设计并制备了一种多功能纳米同质结,利用Cu2O纳米立方体作为前驱体和模板,通过牺牲模板法合成了中空Cu2-XS同质结,之后通过牢固的金属氢磺酰螯合(Cu-SH键)接枝叶酸改性的聚乙二醇(folic acid-PEG-SH)从而提高其分散性和生物相容性,最后,透明质酸(HA)的羧基与folic acid-PEG-SH的氨基反应使HA包裹多功能纳米同质结。

图1. 同质结纳米材料的制备及体内杀菌/抗癌示意图

Cu2-XS的光热和光动力效应机制如图1所示。一方面,NIR可以激发铜离子的d-d跃迁,另一方面,由于局域表面等离子体共振(LSPR),Cu2-XS纳米同质结在NIR区域表现出强烈的吸收,使Cu2-XS纳米HJs产生双重光热效应。至于光动力效应,Cu2-XS也可以看作是由CuS和Cu2S组成的同质结,在NIR照射下,电子从Cu2S的价带(VB)跃迁到导带(CB),并迅速转移到CuS的CB。而空穴停留在Cu2S的VB上,可以有效地延迟光生电子-空穴对复合,光生电子将被吸附氧捕获,产生1O2

在抗感染治疗中,该纳米同质结通过协同光热(PTT)/光动力(PDT)/Cu2+释放杀菌。首先,Cu2-XS纳米同质结由于NIR照射产生热量和活性氧(ROS)。可有效破坏细菌膜的磷脂双分子层,导致细菌内基质渗漏。然后,释放的Cu2+和ROS通过钻孔的膜迅速侵入细菌。破坏细菌的抗氧化防御系统。ROS还能引起对蛋白质和DNA的不可逆的氧化损伤。灭菌完成后,释放的铜离子和HA共同加速伤口愈合和皮肤再生(图2)。

图2. Cu2-xS同质结的光热光动力效应评价

在抗癌治疗中,Cu2-XS同质结的中空结构而具有作为药物纳米载体的巨大潜力,此外,由于Cu2-XS同质结带负电,可以有效负载带正电的抗癌药物阿霉素(DOX),因此具有PTT/PDT/化疗多模式抗癌效果。最外层的透明质酸(HA)层不仅与叶酸协同增强了肿瘤靶向性,还有效调控了DOX的释放(图3)。

图3.体外抗菌性能评价

这项工作为纳米同质结的生物医学应用提供了一个范例。此外,该纳米平台还可用于装载如抗炎药、免疫增强剂和血管生成因子等各种药物,从而有望治疗其他棘手的疾病。

本研究工作得到国家自然科学基金(81801848, 81961160736)、四川省科技厅重点研发计划(2021YJ0049, 2019YJ0141)、中科协青年人才托举工程项目、成都市国际合作项目(2020-GH03-00005-HZ, 2017-GH02-00025-HZ)、四川大学高分子材料工程国家重点实验室自主课题(Grant No.: sklpme2019-2-05)。

论文信息:

Engineering of a Hollow-Structured Cu2-XS Nano-Homojunction Platform for Near Infrared-Triggered Infected Wound Healing and Cancer Therapy

Xiangyu Gao, Mingtian Wei, Daichuan Ma, Xuyang Yang, Yang Zhang, Xiong Zhou, Limei Li, Yi Deng*, Weizhong Yang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202106700

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106700