氧化鎢納米材料制備及其光生物效應(yīng)中抗腫瘤作用的研究

馬定虎，侯 進(jìn)，宋?；?，李璐瑤

（西安醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部，陜西 西安 710021）

常見的鎢納米材料主要包括硫化鎢、硒化鎢、氧化鎢等，其中氧化鎢價(jià)格廉價(jià)、性質(zhì)穩(wěn)定、形態(tài)多樣且易于合成。通過改變實(shí)驗(yàn)條件、原料及比例可以制備不同形態(tài)的氧化鎢納米材料，如氧化鎢納米線、納米片、納米棒及中空的納米管等，這些納米材料具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，在氣體檢測、光催化、儲能等方面有良好的應(yīng)用前景。近年來研究表明氧化鎢納米材料具有良好的光熱效應(yīng)，可以誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡，促進(jìn)了其在生物領(lǐng)域的應(yīng)用。本文就氧化鎢納米材料的制備方法、光生物效應(yīng)作一綜述，以期為其臨床應(yīng)用提供參考。

1 氧化鎢納米材料的制備方法

氧化鎢包括化學(xué)計(jì)量比的氧化鎢和氧缺陷結(jié)構(gòu)的氧化鎢（混合價(jià)態(tài)氧化鎢），生物領(lǐng)域常用氧缺陷結(jié)構(gòu)的氧化鎢。WO3-x 納米材料的常用制備方法及優(yōu)缺點(diǎn)如下：①氣相法通過化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積的方法制備出呈放射式花狀結(jié)構(gòu)的納米線或納米帶，是目前制備氧化鎢納米材料最常用的方法之一，但一般制得的產(chǎn)物多為一維結(jié)構(gòu)[1]。②高溫固相還原法通過高溫固相還原法合成具有良好形態(tài)的氧化鎢納米顆粒，生產(chǎn)工藝單，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，存在的最大問題就是合成溫度高、能源消耗大、生產(chǎn)成本高[2]。③水熱合成法通過改變前驅(qū)體和還原劑的物料比、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度，能夠合成不同形態(tài)的混合價(jià)態(tài)氧化鎢納米材料，該方法晶體生長具有更高的生長速率以及均勻性，經(jīng)濟(jì)環(huán)保、操作簡便且產(chǎn)物粒徑小、純度高、操作簡單、對反應(yīng)儀器要求相對較低[3，4]，是當(dāng)前最常用的方法，已有研究已經(jīng)通過該方法合成不同大小的氧化鎢納米棒[5]。

2 氧化鎢納米材料的光生物效應(yīng)

當(dāng)前，癌癥已超過心血管疾病成為人類主要的致死疾病。有效預(yù)防和治療癌癥是人類面臨的重大挑戰(zhàn)和亟待解決的難題。傳統(tǒng)的癌癥治療方法包括手術(shù)切除、化療和放療，均不能徹底避免腫瘤復(fù)發(fā)[6，7]。質(zhì)子治療是最新出現(xiàn)的治療手段，可以靶向深部腫瘤，減少對正常組織的輻射暴露，然而這項(xiàng)技術(shù)需要的設(shè)備成本很高，限制了其使用[8]。

2.1 光生物療法概述 光生物療法通過將納米材料注射進(jìn)入生物體內(nèi)，然后利用靶向作用聚集在腫瘤組織附近，并在外部光源（一般為近紅外光）的照射下將光能轉(zhuǎn)化為熱能或產(chǎn)生自由基，通過局部高溫和大量氧自由基的方式殺死腫瘤細(xì)胞或者誘導(dǎo)其凋亡，能顯著減少患者疼痛、增強(qiáng)治療效果，并顯著降低對身體的毒副作用，成為近年來新興的一種腫瘤治療技術(shù)。光生物療法可分為光熱治療（PTT）和光動力治療（PDT）。PTT 利用納米材料作為光轉(zhuǎn)換劑分布于腫瘤區(qū)域，通過對NIR 輻射的吸收，升高腫瘤區(qū)域局部溫度，而PDT 在腫瘤局部產(chǎn)生活性氧（ROS）破壞腫瘤細(xì)胞[9,10]。納米顆粒通過增強(qiáng)滲透性和滯留性（EPR），向腫瘤部位選擇性積聚，可以降低組織毒性，且對正常組織的損傷較?。煌瑫r(shí)，光熱和光動力治療是微創(chuàng)技術(shù)，對設(shè)備的要求低、成本廉價(jià)、操作簡便且容易控制。由于生物體組織對紅外光的吸收和散射相對較弱，其對組織的穿透能力主要取決于入射光的強(qiáng)度和光熱治療劑的光熱轉(zhuǎn)換效率。

2.2 氧化鎢納米材料 隨著研究的深入，越來越多的光轉(zhuǎn)換劑用于腫瘤治療。具有超大共軛體系的有機(jī)分子化合物，如菁類染料、N-雜卟啉類染料等，具備優(yōu)異的近紅外光吸收性能，在腫瘤治療中得到廣泛應(yīng)用[11]，但這類化合物的穩(wěn)定性較差，在水溶液中或光誘導(dǎo)下易變性，使性能下降。

2.2.1 金屬基納米材料 金屬基納米材料包括金、鈀等貴金屬，可以通過調(diào)控金屬納米顆粒的粒徑大小和形貌，制備出所需的、具有特定吸收波長的納米金光轉(zhuǎn)換材料，但是這種材料在多次激光照射后會發(fā)生形貌變化，光穩(wěn)定性較差。碳材料包括一維結(jié)構(gòu)的碳納米管[13]以及二維結(jié)構(gòu)的石墨烯材料[14]，近紅外吸收較弱，光熱轉(zhuǎn)換效率并不高，但是這類材料的比表面積非常巨大，在藥物的運(yùn)載和功能復(fù)合材料制備等方面應(yīng)用潛力巨大。與上述3 類光熱轉(zhuǎn)換試劑不同，金屬氧族尤其是氧化鎢納米材料具有如下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：①可供選擇的材料類型較多，可以適應(yīng)多種治療所需要求；②制備較簡單，價(jià)格相對廉價(jià)；③一般都具有較好的光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；④具有很好的光熱轉(zhuǎn)換效率，可以與貴金屬材料媲美；⑤某些納米材料不但光熱性能優(yōu)異，而且還具有多種成像屬性，如良好的磁學(xué)性能、優(yōu)異的X 射線衰減能力、光學(xué)、聲學(xué)特性，可以作為MRI、CT、熒光成像、超聲成像等造影試劑在腫瘤診斷方面具有潛在應(yīng)用；⑥某些材料在激光照射下還可以在表面生成ROS，可以聯(lián)合PTT-PDT。

2.2.2 缺陷氧化物材料 鎢元素是（n-1）d5ns1構(gòu)型，具有正六、正五、正四、零價(jià)等多種價(jià)態(tài)，因此存在多種氧化物形式，其中較常見和穩(wěn)定的是氧化物（帶隙2.7eV）。一般高價(jià)氧化物不具有強(qiáng)的近紅外光吸收響應(yīng)，但是氧化鎢中正六價(jià)的金屬離子較易被還原成低價(jià)態(tài)（如正五、正四價(jià)），這種氧缺陷的存在會導(dǎo)致材料表面容易富集負(fù)電子，具有與金屬類似的局部等離子共振效應(yīng)（LSPR），在光熱治療中具有重要應(yīng)用[15]。因此，氧缺陷結(jié)構(gòu)的氧化鎢（WO3-x），如WO2.72（W18O49）、WO2.8（W5O14）、WO2.83（W24O68）、WO2.9（W20O58）等具有很強(qiáng)的近紅外光吸收響應(yīng)，可以作為光熱轉(zhuǎn)換試劑用于光熱治療當(dāng)中。研究發(fā)現(xiàn)[16，17]，基于W 對X 射線具有較強(qiáng)的衰減能力，這類缺陷氧化物還具有很強(qiáng)的CT 成像能力，并且在放射線治療當(dāng)中也具有應(yīng)用。也有研究表明[18]，這類材料在近紅外光激發(fā)下可產(chǎn)生一定濃度的ROS 氧自由基，在光動力治療中也具有應(yīng)用。此外，缺陷氧化物材料（WO3-x）可以通過在合成反應(yīng)中控制反應(yīng)條件制備,也可通過陽離子摻雜來制備，如將一些半徑較小的陽離子（如NH4+、Li+、Na+、K+、Cs+、Rb+）摻雜到金屬氧化鎢中，獲得系列光學(xué)性能和電學(xué)性能特異的材料，如（NH4）xWO3[5]、Na0.3WO3[19]、CsxWO3[20,21]、RbxWO3[22]。Yong Y 等[23]報(bào)道了一種BSA 改性的鎢多酸納米材料BSA-GdW10O36（GdW10NCs），不僅具有CT/MRI雙模造影成像效果，而且可以用于光熱-放療聯(lián)合治療。多數(shù)光熱材料在近紅外短波長附近有較好的吸收，但是在近紅外線的長波長端沒有產(chǎn)生較好的吸收。

2.3 氧化鎢納米材料光生物效應(yīng)的臨床應(yīng)用Macharia DK 等[24]采用1064 nm 激光（生物第二窗口）照射，發(fā)現(xiàn)（NH4）xWO3納米顆粒產(chǎn)生明顯的高溫效應(yīng)，導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡和壞死，證明了（NH4）xWO3納米立方體是一種很有前途的光熱材料，可有效消融實(shí)體瘤并抑制其遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移。Hou J 等[5]采用水熱法合成了（NH4）xWO3/PEG 納米棒，結(jié)果顯示在808 nm 激光照射下，（NH4）xWO3/PEG 納米棒表現(xiàn)出高效的光熱轉(zhuǎn)換，并在近紅外照射下，其作為一種光熱劑可誘導(dǎo)細(xì)胞壞死，從而抑制SUM-159 和MCF-7 乳腺癌細(xì)胞的生長，表明大直徑（NH4）xWO3/PEG 納米棒在固體腫瘤治療中具有很大的應(yīng)用前景。Chen Z 等[25]利用溶劑熱合成的方法制備了親水性的W18O49納米線材料，并研究了該材料的光熱轉(zhuǎn)換性能，結(jié)果顯示W(wǎng)18O49納米線在近紅外區(qū)的吸收自500 nm 后呈遞增趨勢，另采用0.72 W/cm2的980 nm 激光照射2.0g/L 的W18O49分散液，5 min 內(nèi)溶液的溫度上升了近35 ℃，將該濃度下的該材料用于荷瘤鼠的體內(nèi)光熱治療，發(fā)現(xiàn)腫瘤的組織內(nèi)細(xì)胞基本上被殺死。在此之后，具有不同形貌和組成的WO3-x納米相繼被報(bào)道用于光熱治療。另研究還發(fā)現(xiàn)[17]，鎢對X 射線具有較強(qiáng)的衰減能力，這類缺陷氧化物還具有很強(qiáng)的CT 造影成像能力，并且在放射線治療當(dāng)中也具有應(yīng)用。且氧化鎢材料在近紅外光激發(fā)下可以在其表面產(chǎn)生一定濃度的氧自由基，在光動力治療中也具有應(yīng)用[18]。但氧化鎢納米材料的安全性報(bào)道很少,體外研究表明氧化鎢納米材料具有很低的細(xì)胞毒性，但是僅在細(xì)胞水平層面評估毒性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，目前還沒有報(bào)道對氧化鎢納米材料的生物安全性進(jìn)行進(jìn)一步的評估。此外，氧化鎢納米材料的合成方法復(fù)雜性以及氧化鎢納米材料形態(tài)結(jié)構(gòu)的單一性也阻礙了其在生物領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 總結(jié)

氧化鎢納米材料在生物領(lǐng)域中具有很大的應(yīng)用潛力，但目前氧化鎢納米材料研究多限于生物光熱治療的“第一窗口”（650～950 nm）。因此，開發(fā)和應(yīng)用對生物光熱治療的“第二窗口”（1000～1350 nm）范圍內(nèi)吸收性能優(yōu)異且高效光熱轉(zhuǎn)換效率的氧化鎢納米材料，將會大大促進(jìn)其在生物光熱治療方面的研究發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對生物體內(nèi)腫瘤組織產(chǎn)生更強(qiáng)的治療效果。