上海硅酸鹽所在二維MXene生物醫學應用領域取得系列重要進展
近期，中國科學院上海硅酸鹽研究所陳雨研究員和施劍林研究員帶領的研究團隊（介孔與低維納米材料課題組）開展了二維MXene的多種類可控合成以及針對腫瘤診療的生物醫學應用的系統研究工作，這些工作涉及MXene本身的酶催化降解、MXene的體內外細胞吞噬行為、對多區近紅外光的響應、高效的光熱腫瘤治療、診斷性成像以及系統的生物安全性評價。相關研究成果分別發表在J. Am. Chem. Soc., Nano Lett.和Adv. Mater.上，論文第一作者為在讀博士生林翰。
研究背景與意義
二維MXene是備受關注的一種新型二維晶體材料，它包括數量龐大的過渡金屬碳化物和氮化物，具有良好的導電性、親水性以及機械性能。二維MXene相納米片層結構主要通過液相剝離的方法合成得到，主要的原理是利用其前驅體MAX材料中不同原子層間作用力的差異，通過條件可控的刻蝕過程來實現A層原子的抽出，進而實現MX層（即MXene）的剝離。MXene一般以三種形式存在：M2X, M3X2和M4X3。MXene因其本身豐富的理化性能被用於能源儲存和轉換、水體凈化、化學感測、光或電催化和靜電屏蔽等領域，並被期待在納米生物醫學領域有所突破。一方面，超薄原子層厚度的二維MXene表現出豐富的理化性能（包括光熱轉化性能、電子穿透性、X射線衰減和表面等離子共振等）和特殊的生物學效應（酶響應降解、細胞內吞、體內分布和代謝動力學等）。另一方面，MXene元素組分和片層內結構單元的精確可控制備，也為MXene的多功能化探索提供了更加廣泛、靈活的材料科學基礎。
相關研究工作
研究團隊首次實現了小尺寸二維MXene材料（Ti3C2 MXene）的近單層結構剝離和獲取，並系統地研究了MXene納米片的體外光熱轉換性能、體內生物安全性評價和體內光熱治療效果（Nano Lett., 2017, 17, 384.）。該工作系統地闡述了MAX相塊狀材料通過兩步液相刻蝕和剝離過程轉變為具有超薄二維結構的納米片，該二維納米材料具有在近紅外（NIR）區域的良好線性消光係數（25.2 Lg?1 cm?1）和優良光熱轉換效率（30.6%）。在表面改性後，Ti3C2-SP MXene表現出了良好的體外細胞相容性和體內生物安全性，在體內尾靜脈注射治療模式中實現了腫瘤光熱消融的顯著效果，同時，在體內Ti3C2/PLGA植入體這一治療模式中也實現了徹底消融裸鼠異體移植瘤的效果。
MAX相陶瓷塊狀材料通過兩步液相刻蝕和剝離過程轉變為具有超薄二維結構的Ti3C2 MXene納米片
隨後，該研究團隊進一步發表了基於二維Ta4C3 MXene納米片構建的體內雙模式PA/CT成像與體內光熱治療整合的診療一體化納米平台（Adv. Mater., 2018, 30, 1703284），利用Ta4C3 MXene納米片的超薄層狀結構和Ta元素具有的CT信號增強理化性能，在可控外場（近紅外光，X射線）刺激下，實現高效的體內光熱轉換和體內PA/CT雙模式成像，達到熱消融腫瘤細胞而不對正常組織產生毒副作用的目的，同時還兼具成像造影增強的功能。該診療一體化平台具備良好的臨床轉化前景，有望推動新型二維納米材料在腫瘤診療和重大疾病中的廣泛探索和應用。
二維Ta4C3 MXene納米片的體內雙模式PA/CT成像與體內光熱治療整合的診療一體化納米平台
在此基礎上，該研究團隊進一步開發了用於近紅外NIR-I和NIR-II雙區響應的Nb2C MXene體內高效光熱診療劑（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 16235. DOI: 10.1021/jacs.7b07818），該工作首次涉及MXene酶催化降解、MXene的體內外細胞吞噬行為、對多區近紅外光的響應、高效的光熱腫瘤治療、診斷性成像以及系統的生物性評價。體內動物實驗結果顯示，Nb2C MXene納米光熱劑對健康的小鼠在1個月的評價周期內沒有不良影響，表明其具有良好的體內生物安全性。在荷瘤鼠的體內治療研究中發現，通過尾靜脈注射和瘤內注射兩種方式在15天的治療周期內都實現了異體移植瘤的消除，並發現在1個月內沒有複發，表明了該納米光熱診療劑具有良好的生物安全性和高效的光熱腫瘤消融能力。
二維Nb2C MXene納米片的血液循環半衰期、體內分布、光熱治療效果評估以及動物實驗治療效果評估
此外，研究團隊還在二維生物醫用材料利用方面開展了一系列創新研究工作，包括開發了二維MnO2基納米診療劑（Adv. Mater., 2014, 26, 7019-7026），並於近期將二維黑磷納米片與3D列印支架結合，不僅利用黑磷的光熱轉化能力殺死腫瘤細胞，並可以藉助黑磷的有效化學組成促進骨組織的修復（Adv. Mater., 2018, DOI: DOI:10.1002/adma.201705611）。基於上述研究基礎，研究團隊受邀在Chem. Soc. Rev. (2015), Nano Today (2016), Chem (2018)上發表三篇綜述論文，分別闡述了二維類石墨烯烯基納米生物材料、二維光熱轉換生物材料、二維納米生物材料中的材料化學的研究現狀和未來發展前景，推動了二維納米生物材料的進一步臨床轉化應用。
以上研究工作得到了國家自然科學基金重點項目、面上項目、優秀青年科學基金項目、國家重點研發計劃青年科目學家專項等項的資助和支持。
論文網址：
(1)https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b04339;(2) https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b07818;
(3)http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201703284/full.
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