黑磷納米材料的制備以及在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究進(jìn)展

韓哲 朱建強(qiáng)

1天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院口腔科300200；2天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院泌尿外科300200

0 引 言

黑磷（black phosphorus,BP）是一種結(jié)構(gòu)類似于石墨烯的晶體，是磷元素的同素異形體，可穩(wěn)定存在于自然界中。黑磷納米片作為一種新型二維納米材料，因其具有較大的比表面積、良好的生物相容性、優(yōu)異的光熱性能等特點(diǎn)，在疾病治療、藥物載體、臨床檢測(cè)等生物醫(yī)藥領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。目前研究發(fā)現(xiàn)黑磷納米級(jí)材料分為零維的黑磷量子點(diǎn)和二維的黑磷納米片。黑磷原子層間由范德華力相互作用層狀材料，每個(gè)磷原子間通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合，形成褶皺的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。與石墨烯相比，黑磷具有更多的褶皺，因此具有更大的比表面積，使其在生物載藥等方面具有更大的優(yōu)勢(shì)[1]。同時(shí)，黑磷作為二維半導(dǎo)體材料，具有較寬的可調(diào)節(jié)帶隙，帶隙可由層數(shù)調(diào)控（0.3～2.0 eV）[2]，使其在紫外、紅外和可見(jiàn)光光譜中具有廣泛的光吸收性能，這種獨(dú)特的光學(xué)特性使黑磷在光動(dòng)力學(xué)治療、光熱治療、光聲成像等領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。此外，黑磷納米片易降解成無(wú)毒的磷酸鹽等，表現(xiàn)出良好的生物安全性能，使其成為未來(lái)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的理想選擇。

黑磷是磷元素中最穩(wěn)定的一種原子，在一般條件下，其他變體不易轉(zhuǎn)變?yōu)楹诹住?914年，美國(guó)科學(xué)家 Bridgman 等[3]首次經(jīng)高溫高壓（200 ℃，1.2 GPa）成功開(kāi)發(fā)出由白磷制得塊狀黑磷。隨后，科學(xué)家們不斷改進(jìn)制備方法，致力研究出簡(jiǎn)單高效的制備方法，但目前制備黑磷的技術(shù)尚不能達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的要求，此外，黑磷納米材料在空氣中易氧化也限制了其在臨床科學(xué)中的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

黑磷是一種層狀材料，層內(nèi)通過(guò)化學(xué)鍵相連，層間是微弱的范德華力相互作用，因此可通過(guò)不同的方法對(duì)塊狀黑磷進(jìn)行剝離得到二維黑磷納米片以及零維的黑磷量子點(diǎn)兩種形式的新材料。2004年，科學(xué)家首次利用機(jī)械剝離的方法成功制備了二維黑磷納米片；2015年，零維黑磷量子首次被發(fā)現(xiàn)并制備[4]。黑磷量子點(diǎn)與二維黑磷納米片層由于尺寸和厚度不同，其性質(zhì)上也存在一些不同。本文主要綜述了二維黑磷片層的制備方法及在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 黑磷納米片層的制備方法

1.1 機(jī)械剝離

二維材料層間通過(guò)范德華力的相互作用進(jìn)行連接，層間作用力相對(duì)較弱，因此普遍可以通過(guò)機(jī)械剝離的方法通過(guò)施加機(jī)械力于塊體材料，借助剪切力獲得單層或多層的黑磷納米材料。采用機(jī)械剝離法，Liu 等[5]利用膠帶對(duì)塊體黑磷進(jìn)行反復(fù)黏貼，得到了0.8 nm 厚的單層黑磷片。Li 等[6]成功制備了低至幾納米的薄層黑磷納米片。Lu 等[7]通過(guò)機(jī)械剝離法制備二維黑磷，并利用Ar+等離子體減薄法制備了穩(wěn)定的單層黑磷納米片。采用機(jī)械剝離法得到的黑磷納米片純度高、缺陷少；但其產(chǎn)量低，目前仍限于實(shí)驗(yàn)室制備，這也限制了其工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用。并且黑磷納米片在大氣環(huán)境下不能穩(wěn)定存在，需要在無(wú)水無(wú)氧的條件下制備，否則會(huì)立即消失。

1.2 超聲液相剝離

機(jī)械剝離法獲得的納米黑磷產(chǎn)量低，尚未達(dá)到人們的預(yù)期。液相剝離法是將層狀材料放置到特定的溶劑中，利用超聲提供相應(yīng)能量，從而制得薄層黑磷片[8]。目前液相超聲剝離的方法也已廣泛用于制備薄層黑磷納米片。在超聲波剝離制備中N-甲基吡咯烷酮（N-methyl pyrrolidone，NMP）被廣泛用于剝離溶劑。Brent 等[9]利用NMP 溶液通過(guò)超聲法獲得黑磷納米片層，隨剝離時(shí)間的增減，可獲得雙層甚至單層納米黑磷。Hanlon 等[10]應(yīng)用N-環(huán)己基-2-吡咯烷酮（CHP）溶劑，將塊狀黑磷經(jīng)超聲波作用得到少層的黑磷納米片，再通過(guò)離心分離出來(lái)不同尺寸的黑磷納米片。研究表明，高超聲功率和延長(zhǎng)超聲時(shí)間均可促進(jìn)其單分散性。而且通過(guò)離心等方式，可較好地調(diào)控獲得的片層濃度和大小。Guo 等[11]分別利用NMP 溶液和NAOH/NMP 混合溶液進(jìn)行剝離，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，利用堿性溶液剝離納米黑磷的方法,得到了薄層甚至單層的黑磷納米材料。該方法制備的二維黑磷具有良好的穩(wěn)定性；但超聲所需時(shí)間較長(zhǎng)，能耗較高，存在一定的局限性。

1.3 電化學(xué)剝離

電化學(xué)剝離即通過(guò)雙極電極剝離制備黑磷納米片層。電化學(xué)剝離法是一種簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、高效的制備方法。目前，利用電化學(xué)剝離法制備石墨烯、二硫化鉬等二維材料已經(jīng)形成一定規(guī)模。隨著研究的不斷深入，電化學(xué)剝離法也成功地制備出納米級(jí)黑磷材料。Erande 等[12]利用電化學(xué)剝離的方法并通過(guò)離心獲得了黑磷納米片。Ambrosi 等[13]采用電化學(xué)陽(yáng)極剝離的方法成功剝離出較薄的二維黑磷，但陽(yáng)極剝離得到的納米黑磷氧化程度較高。隨后，Xiao 等[14]提出采用電化學(xué)陰極剝離的方法制備巨塊黑磷中得到了氧化程度較小的納米級(jí)黑磷。

1.4 激光脈沖沉積法

Yang 等[15]用脈沖激光沉積的方法制備了黑磷。研究表明，在合適的溫度下，可制備出薄層二維黑磷。這種制備方法目前并不能得到質(zhì)量很高的薄層黑磷材料，但為黑磷的制備提供了一個(gè)全新的制備方向。納米材料的制備方法中較為成功和使用最多的就是液相剝離法和機(jī)械剝離法，但更多的仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，距離大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)及廣泛的臨床應(yīng)用還需投入更多的研究。

2 黑磷納米材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用

2.1 影像檢測(cè)

光聲成像（photoacoustic imaging,PAI）是一種新興的生物成像方式，可克服超聲成像（如斑點(diǎn)偽影）和光學(xué)成像（如有限的穿透深度）的缺點(diǎn)，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)的非侵入性生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，依靠生物組織對(duì)光的特異性吸收進(jìn)行成像，能夠獲得高對(duì)比度和高分辨率成像[16]。黑磷納米材料因其獨(dú)特的性能，具有近紅外吸收能力可作為光聲造影劑[17-18]，結(jié)合光聲成像與光熱治療用于抗腫瘤治療。有研究者應(yīng)用聚乙二醇修飾的黑磷納米粒，可有效地將紅外光轉(zhuǎn)換為熱量，并表現(xiàn)出出色的光穩(wěn)定性，將光聲成像聯(lián)合光熱治療對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)行光熱消融，達(dá)到癌癥治療的目的[19-20]。光聲成像與光熱療法相結(jié)合可為癌癥的準(zhǔn)確診斷和治療提供完美的解決方案[21]。Yan 等[22]研究發(fā)現(xiàn)黑磷納米材料具有淬滅熒光染料的熒光特性。黑磷納米片與熒光核酸適體的復(fù)合物可作為探針有效地檢測(cè)腫瘤細(xì)胞的存在。此外，黑鱗納米材料的體表面比大，可與蛋白質(zhì)或DNA 等其它生物分子結(jié)合，利用電化學(xué)或酶聯(lián)免疫等方法用于生物分子的檢測(cè)。因此，通過(guò)對(duì)黑磷納米材料的恰當(dāng)修飾可廣泛應(yīng)用于生物監(jiān)測(cè)，從而為癌癥治療提供新思路和新方法。

2.2 藥物遞送

納米藥物遞送（drug carrier）的藥物能通過(guò)某些特定的方式以達(dá)到靶向傳遞、控制釋放，提高藥物體內(nèi)循環(huán)時(shí)間和體內(nèi)分布，提高藥物的溶解度以及利用率，而且經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的納米藥物載體可擁有眾多的特殊功能，在很大程度上能彌補(bǔ)傳統(tǒng)載藥系統(tǒng)的不足[23-24]。二維黑磷具有二維波浪狀結(jié)構(gòu)，與石墨烯相比具有更多的褶皺結(jié)構(gòu)，這使得黑磷納米片具有更髙的比表面積，可用于藥物負(fù)載。黑磷納米片帶有負(fù)電荷的磷酸根結(jié)構(gòu)，通過(guò)靜電作用，可與帶正電的藥物分子結(jié)合[25]。Chen 等[26]研究發(fā)現(xiàn)將阿霉素通過(guò)靜電作用吸附于二維黑磷納米片上，其負(fù)載量可達(dá)9.5 倍左右的阿霉素。實(shí)驗(yàn)研究表明，負(fù)載藥物的二維黑磷通過(guò)光熱治療、光動(dòng)力治療以及化療的聯(lián)合治療對(duì)腫瘤細(xì)胞有非常明顯的殺傷效果。Wang 等[27]通過(guò)使用人血清白蛋白作為剝離劑和封端劑的一種仿生合成方法制備黑磷白蛋白復(fù)合體，再與紫杉醇結(jié)合，可用于熱療增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)藥物輸送和化學(xué)—光熱聯(lián)合治療，以有效加載紫杉醇作用，從而增加化學(xué)治療的加載、遞送、細(xì)胞攝取和化學(xué)—光熱聯(lián)合抗腫瘤作用。Zeng 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)聚多巴胺修飾的黑磷納米片層可有效將P-gp siRNA和阿霉素轉(zhuǎn)運(yùn)到腫瘤細(xì)胞中，并在一定程度上改善腫瘤細(xì)胞耐藥性，該藥物遞送系統(tǒng)可有效地用作耐藥癌癥的靶向化療。研究表明，改性后的黑磷納米材料能更高效地傳遞放、化療藥物，協(xié)同光熱/光動(dòng)力治療以更高效地治療癌癥并改善其耐藥性。

2.3 光熱/光動(dòng)力治療

2.3.1 光熱治療

光熱治療（photothermaltherapy，PTT）是通過(guò)應(yīng)用納米材料產(chǎn)生的特定波長(zhǎng)的近紅外激光照射，利用光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱能，引起局部高溫從而引起腫瘤細(xì)胞凋亡。近紅外光具有極強(qiáng)的組織穿透力，對(duì)正常組織的損傷較小。與傳統(tǒng)治療方法如放療、化療相比，光熱治療具有精確度高及對(duì)正常組織細(xì)胞損害小等優(yōu)勢(shì)，是一種高效、微創(chuàng)的腫瘤治療新方法[29]。黑磷納米片層可實(shí)現(xiàn)帶隙可調(diào)控性,使其能有效吸收800 nm 附近的近紅外光并產(chǎn)生光熱效應(yīng)，具有獨(dú)特的光熱轉(zhuǎn)換特性，一方面可用于腫瘤的光熱治療，另一方面也能驅(qū)動(dòng)藥物釋放；同時(shí)因?yàn)榱资巧矬w內(nèi)必須元素，使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)[30]。并且由于比表面積大、寬闊吸收帶以及光熱轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)使黑磷在抗腫瘤治療中有很廣泛的應(yīng)用前景[31]?？茖W(xué)家們提出通過(guò)修飾黑磷納米片來(lái)改善其穩(wěn)定性。Zeng 等[28]提出聚多巴胺修飾黑磷納米片層,用作耐藥癌癥的靶向化療、光熱療法的多功能協(xié)同系統(tǒng)。Yang 等[32]通過(guò)Fe3O4納米顆粒和金納米顆粒負(fù)載到黑磷納米片上形成一種新型復(fù)合材料，在抗腫瘤治療中表現(xiàn)出了良好的光熱和光動(dòng)力治療效果。中南大學(xué)Liu 團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)Guo 等合作，研究發(fā)現(xiàn)黑磷納米片可將阿霉素的化療與黑磷的光熱和光動(dòng)力活性有效結(jié)合，用于協(xié)同光熱治療、光動(dòng)力治療和化療，實(shí)現(xiàn)3 種治療模式的聯(lián)合，在抗腫瘤方面取得重要的進(jìn)展，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療癌癥[26]。

2.3.2 光動(dòng)力治療

光動(dòng)力治療（photodynamic therapy，PDT）是利用光敏劑吸收近紅外光光能，產(chǎn)生活性氧物質(zhì)（ROS），誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡或壞死[33]。光動(dòng)力治療不僅可應(yīng)用于體表腫瘤的治療，同樣也可應(yīng)用于通過(guò)內(nèi)鏡、光纖找到的部位（如顱內(nèi)、口腔、膀胱等腔道內(nèi)）腫瘤的治療。由于傳統(tǒng)光敏劑避光時(shí)間長(zhǎng)，生物相容性差，組織選擇性差，且易引起過(guò)敏反應(yīng)，因此限制了其在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。有研究發(fā)現(xiàn)，黑磷納米片是高效的光敏劑，在波長(zhǎng)660 nm 的近紅外光照下，可產(chǎn)生ROS，并對(duì)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生較強(qiáng)的毒性，此外，研究顯示該納米片可被降解，具有良好的生物安全性能[34]。Guo 等[35]利用聚乙二醇（PEG）修飾黑磷納米片層，觀察到在光照下可有效地產(chǎn)生ROS。同時(shí)體外和體內(nèi)試驗(yàn)均表明黑磷納米片通過(guò)光動(dòng)力效應(yīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的抗腫瘤效果。Zhang 等[36]將黑磷納米片作為光敏劑通過(guò)聚醚酰亞胺與金納米顆粒雜化，形成復(fù)合體，不僅充分利用金納米顆粒的局部裝載能力而且顯著增加了ROS 產(chǎn)量，同時(shí)增強(qiáng)黑磷納米片的光吸收促進(jìn)光動(dòng)力效應(yīng)。與傳統(tǒng)光敏劑相比，二維黑磷在生理?xiàng)l件下會(huì)氧化降解為安全無(wú)毒的磷酸根和亞磷酸根等[37]，因此具有較好的生物相容性。黑磷良好的理化性能使其能夠廣泛應(yīng)用于不同部位腫瘤的治療，從而提高腫瘤的治療效果。

2.4 骨組織修復(fù)

老齡化社會(huì)骨缺損的病患越來(lái)越多，除外因先天及外傷導(dǎo)致的骨缺損，退行性病變的患者也逐漸增多。骨組織再生及修復(fù)一直是科學(xué)家的研究熱點(diǎn)，但術(shù)后成骨性能及抗菌性能也受到廣泛關(guān)注。黑磷不僅有助于抑制癌癥進(jìn)展[38]，而且由于其能夠氧化成磷酸根陰離子而誘導(dǎo)新的骨組織形成，磷酸根粒子和鈣離子結(jié)合，可形成羥基磷灰石前體，從而發(fā)揮其對(duì)癌細(xì)胞的抗增殖作用，同時(shí)通過(guò)刺激前成骨細(xì)胞分化可促進(jìn)誘導(dǎo)新形成組織的發(fā)育[39]。Tang 等[40]研究發(fā)現(xiàn)采用離子霉素和黑磷處理可誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)鈣水平升高，并且通過(guò)黑磷納米片的修飾增加骨的形成，顯示出黑磷納米材料巨大的修復(fù)或再生能力。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究發(fā)現(xiàn)黑磷修飾的骨組織支架可有效殺傷細(xì)菌，達(dá)到良好的抗菌的效果，并表現(xiàn)出良好的成骨性能[41]。黑磷納米材料在骨缺損的修復(fù)及骨組織周圍炎癥方面具有良好的療效[42]，因此在骨組織修復(fù)及口腔種植相關(guān)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.5 聯(lián)合應(yīng)用

黑磷納米材料是一種良好的光聲造影劑，具有良好光熱治療及光動(dòng)力治療的能力，且可負(fù)載化療藥物，通過(guò)多模式協(xié)同用于腫瘤的檢測(cè)、診斷和治療。清華大學(xué)副教授梅林等研制出負(fù)載化療藥物阿霉素的“黑磷納米片載體系統(tǒng)”[30]，該系統(tǒng)負(fù)載化療藥物高，協(xié)同光熱治療能夠有效抑制腫瘤細(xì)胞。

3 結(jié) 語(yǔ)

黑磷納米材料作為新型二維納米材料，擁有蜂窩狀的褶皺片層結(jié)構(gòu)，具有更大的比表面積和良好的生物相容性，表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。目前黑磷納米材料的制備尚存在一定的局限性，從實(shí)驗(yàn)室階段轉(zhuǎn)向大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)還需不斷地發(fā)展研究。臨床醫(yī)藥研究大部分處于體外及小型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，但其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的良好前景有目共睹，尤其在抗腫瘤治療以及骨組織修復(fù)方面。隨著生物醫(yī)學(xué)工程及分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，黑磷應(yīng)用研究必將有實(shí)質(zhì)性突破性的進(jìn)展，在癌癥化療和骨組織修復(fù)中具有很大的臨床應(yīng)用潛力。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突