MXenes的制備、性質(zhì)及其在腫瘤診療中的研究進(jìn)展

白志強(qiáng),趙 璐,白云峰,馮 鋒

(1.山西師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,臨汾 041004;2.山西大同大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,化學(xué)生物傳感山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大同 037009)

二維(2D)納米材料的尺寸從幾納米到幾百納米不等,一般為單原子層或多原子層結(jié)構(gòu),2D 納米材料可以是元素的同素異形體或化合物,其層內(nèi)的原子可通過(guò)共價(jià)鍵牢固地結(jié)合,層間的原子則通過(guò)范德瓦爾斯力連接[1-2]。常見的2D 納米材料有石墨烯(Graphene)[3]、過(guò)渡金屬二硫化物(TMDs)[4]、共價(jià)有機(jī)框架(COFs)[5]、六方氮化硼(h-BN)[6]、金屬有機(jī)框架(MOFs)[7]、層狀雙氫氧化物(LDHs)[8]、2D 元素納米片[9]等。二維過(guò)渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物(MXenes)是一種新型的2D 納米材料[10]。Gogotsi課題組[11]報(bào)道了世界上第一種MXenes 材料Ti3C2,他們使用氫氟酸(HF)刻蝕 Ti3AlC2成功制備出Ti3C2。制備MXenes 主要是將層狀金屬陶瓷(MAX)材料中的A 層選擇性刻蝕掉。MAX 的分子式為Mn+1AXn,其中M 是過(guò)渡金屬元素(如Ti,Sr,V,Cr,Ta,Nb,Zr,Mo 等),A 通常是第三或四主族的元素(如Al,Ga,In,Si,Ge 和Ga),X 表示碳或(和)氮元素,n從1 到3 變化,因此MXenes 的結(jié)構(gòu)為M2X、M3X2和M4X3[12-13]。到目前為止,已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中成功制備了近30 種MXenes(圖1),然而計(jì)算模擬預(yù)測(cè)卻有100 多種MXenes[14]。MXenes 具有優(yōu)異的表面化學(xué)性能、電子傳遞性能、機(jī)械和熱力學(xué)性能,在電化學(xué)儲(chǔ)能[15-16]、海水淡化[17-19]、電磁屏蔽[20-21]、催化[22]、傳感器[23-26]等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 MXenes 組成示意圖[14]Fig.1 MXenes schematic composition[14]

隨著對(duì)MXenes 研究的日益深入,這一新興的2D納米材料已被證實(shí)可應(yīng)用于腫瘤治療領(lǐng)域[27-29]。MXenes 具有很強(qiáng)的近紅外光(Near infrared,NIR)吸收能力和光熱轉(zhuǎn)換性能,可用于腫瘤光聲(Photoacoustic,PA)成像和光熱治療(Photothermal therapy,PTT)[28,30]。由于MXenes 具有優(yōu)異的光電性能,可以作為光敏劑產(chǎn)生活性氧(Reactive oxygen species,ROS)用于光動(dòng)力治療(Photodynamic therapy,PDT)[29,31]。MXenes還具有高比表面積和低毒性的特點(diǎn),可用于藥物分子的裝載和運(yùn)輸[29,32]。然而,MXenes 表面缺乏足夠的化學(xué)基團(tuán)與藥物分子結(jié)合[33]。另外,腫瘤微環(huán)境(Tumor microenvironment)中氧含量較低,缺氧會(huì)影響PDT 效果,而MXenes 通過(guò)PTT 方法對(duì)腫瘤治療效果有限。

為了提高M(jìn)Xenes 的腫瘤治療效果,研究人員開發(fā)了多種基于MXenes 的聯(lián)合治療新方法。本文簡(jiǎn)要總結(jié)MXenes 的制備方法,重點(diǎn)介紹其在腫瘤治療中的應(yīng)用研究,包括PTT 和聯(lián)合治療等,最后闡述MXenes 在腫瘤治療應(yīng)用中存在的挑戰(zhàn)以及未來(lái)發(fā)展前景。

1 MXenes 的制備

隨著對(duì)MXenes 制備方法的深入研究,到目前為止實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)制備出近30 種MXenes[14,34]?？傮w來(lái)說(shuō),MXenes 的制備方法包括自上而下法和自下而上法。

1.1 自上而下法

自上而下法是將較大尺寸的MAX 材料選擇性刻蝕掉A 層制備成MXenes,根據(jù)刻蝕方法的不同,主要分為HF 刻蝕法、氟鹽刻蝕法、熔融鹽法和堿輔助水熱法。

1.1.1 HF 刻蝕法

通過(guò)使用HF 選擇性刻蝕MAX 材料中的A 層是最經(jīng)典的MXenes 制備方法。在MAX 材料中M-A鍵是金屬鍵,其化學(xué)活性較高;而M-X 鍵同時(shí)具有金屬鍵和共價(jià)鍵,比M-A 鍵更強(qiáng),因此可以通過(guò)HF 選擇性刻蝕掉MAX 材料中A 層[35]。該方法主要采用以下步驟完成MXenes 制備。

2011年,Gogotsi 課題組[11]通過(guò)HF 刻蝕法制備手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)的2D Ti3C2層狀材料(圖2(a)),并將該材料命名為MXenes。另外,利用該方法還可以制備Ta4C3[27]、Nb2C[28]等。

HF 刻蝕法制備的MXenes 在M 層末端具有高表面能,通過(guò)吸附溶液中的羥基、氧或氟等基團(tuán)或離子可形成穩(wěn)定的表面官能團(tuán),從而降低M 層的末端表面能[12]。此外,通過(guò)二甲基亞砜、四甲基氫氧化銨等有機(jī)試劑對(duì)制備的MXenes 進(jìn)行處理,并在液相超聲作用下可制備單層或少層MXenes 納米片[28,32]。

1.1.2 氟鹽刻蝕法

將氟化物鹽(如NaF、KF 或LiF)與硫酸或鹽酸混合,可取代具有強(qiáng)腐蝕性的HF,其制備機(jī)理與HF 刻蝕法相同。為避免MXenes 制備反應(yīng)后處理危險(xiǎn)的HF,2014年人們首次利用HCl 和LiF 混合液在低溫下刻蝕Ti3AlC2制備得到Ti3C2[36],該方法可以制備黏土狀結(jié)構(gòu)的Ti3C2。相比于HF 刻蝕法,該方法在制備MXenes 過(guò)程中更為安全。(NH4)HF2也可作為刻蝕劑制備MXenes。Gogotsi 課題組[37]采用(NH4)HF2作為刻蝕劑制備了Ti3C2,發(fā)現(xiàn)(NH4)HF2通過(guò)陽(yáng)離子的電化學(xué)嵌入來(lái)刻蝕Al 元素,同時(shí)NH4+還會(huì)進(jìn)入Ti3C2的層間空間,提高分層效率,其反應(yīng)條件更為溫和,制備過(guò)程更加安全,還可根據(jù)實(shí)際需要合理地替換氟鹽中的陽(yáng)離子。該方法主要有以下反應(yīng)步驟：

1.1.3 熔融鹽法

雖然HF 刻蝕法和氟鹽刻蝕法可以成功制備碳化物或碳氮化物的 MXenes,但無(wú)法制備氮化物MXenes。Tin+1AlNn中的Ti-Al 鍵比Tin+1AlCn中的Ti-Al 鍵更加牢固,制備Tin+1Nn需要更高的能量,而Tin+1Nn的穩(wěn)定性較低,在HF 中容易溶解。熔融鹽法采用低熔點(diǎn)鹽作為助熔劑,在合成過(guò)程中有液相出現(xiàn),可以提高離子擴(kuò)散速率。Gogotsi 課題組[19]開發(fā)出熔融鹽法制備MXenes(圖2(b)),他們采用KF、NaF 和LiF 混合鹽與Ti4AlN3反應(yīng),通過(guò)去除Al 層制備Ti4N3,成功制備出氮化物MXenes。此后,黃慶課題組[38]建立了一種路易斯酸熔融鹽制備MXenes 的通用策略。該方法可采用多種路易斯酸氯化物熔鹽(如ZnCl2、FeCl2、CuCl2等)制備MXenes,并且對(duì)多種MAX 材料(如A 元素為Al、Zn、Si、Ga 等)均可刻蝕,極大拓展了MXenes 的制備途徑。

1.1.4 堿輔助水熱法

采用含氟刻蝕劑制備MXenes,可能存在氟離子引發(fā)的安全性問(wèn)題。堿與兩性元素Al 的結(jié)合能力很強(qiáng),理論上可以作為制備Mxenes 的刻蝕劑,但MAX 材料內(nèi)部金屬層限制了含鋁氧化物或氫氧化物與溶液中羥基反應(yīng)生成可溶解的Al(OH)4-,只有更高的溫度和堿濃度才有助于Al(OH)4-生成,促使MXenes 制備過(guò)程持續(xù)進(jìn)行。Zhang 課題組[39]采用高濃度NaOH 溶液刻蝕MAX 材料制備MXenes(圖2(c)),全程未使用含氟試劑。雖然NaOH 處理無(wú)法去除整個(gè)MAX 材料的Al 原子,但是該制備方法也為無(wú)氟刻蝕劑制備MXenes 開辟了一條安全的新途徑。

1.2 自下而上法

自下而上法是使用單個(gè)無(wú)機(jī)原子或分子作為前體,通過(guò)化學(xué)合成的方法制備MXenes[40]。Ren 課題組[41]首次通過(guò)化學(xué)氣相沉積法(Chemical vapor deposition,CVD)制備α-Mo2C(圖2(d)),得到橫向尺寸超過(guò)100 μm 的高質(zhì)量α-Mo2C 超薄MXenes。與自上而下法相比,自下而上法的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省原材料,而且可以精確控制MXenes 的元素組成、尺寸大小及表面基團(tuán),但在大尺寸MXenes 制備方面較為困難。

圖2 MXenes 制備方法示意圖及化學(xué)氣相沉積法制備的產(chǎn)物Fig.2 Schematic preparation methods for MXenes and products prepared by chemical vapor deposition

目前報(bào)道的MXenes 大多采用自上而下法制備,采用自下而上法的報(bào)道較少。不同的制備條件對(duì)MXenes 的物理結(jié)構(gòu)和表面基團(tuán)影響不同,自上而下法對(duì)MXenes 表面化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)和缺陷的控制較差,而自下而上法雖然能夠有效控制以上參數(shù),但其合成極為困難[35]。上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 MXenes 的制備方法總結(jié)Table 1 Summary of preparation methods of MXenes

2 MXenes 的性質(zhì)

MXenes 的性質(zhì)與其元素組成、層狀結(jié)構(gòu)堆疊順序和納米材料橫向尺寸大小有關(guān)。目前大量制備高純度MXenes的技術(shù)問(wèn)題還沒有解決,因此MXenes的性質(zhì)研究是通過(guò)理論計(jì)算方法進(jìn)行預(yù)測(cè)的,主要包括MXenes 的穩(wěn)定性質(zhì)、機(jī)械性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)。

2.1 穩(wěn)定性質(zhì)

晶體材料的穩(wěn)定性與晶格能相關(guān),晶格能越負(fù)則晶體越穩(wěn)定。Ivanovskii 課題組[42]通過(guò)密度泛函理論(Density functional theory,DFT)的第一性原理能帶結(jié)構(gòu)對(duì)MXenes 的晶格能進(jìn)行理論計(jì)算,結(jié)果顯示MXenes 的晶格能為負(fù)值,可以穩(wěn)定存在。通過(guò)計(jì)算結(jié)合能(Ecoh)也可以預(yù)測(cè)MXenes 的穩(wěn)定性,Ecoh是化合物總能量減去每個(gè)原子能量的差值,Ecoh的絕對(duì)值越大,MXenes 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越高。Tin+1AlCn結(jié)構(gòu)中的Ti-C 鍵同時(shí)具有金屬鍵和共價(jià)鍵,比Ti-Al金屬鍵更強(qiáng)。隨著n增大,Tin+1AlCn結(jié)構(gòu)中的Ti-C鍵數(shù)量超過(guò)Ti-Al 鍵,其穩(wěn)定性也越高[43]。

2.2 機(jī)械性質(zhì)

通過(guò)DFT 的第一性原理對(duì)Ti2C、Ti3C2和Ta3C2等MXenes 材料進(jìn)行計(jì)算[44],發(fā)現(xiàn)以上MXenes 材料沿著參考基準(zhǔn)面進(jìn)行拉伸時(shí),彈性模量均高于500 GPa,力學(xué)性能均大于相同厚度的多層石墨烯。研究還發(fā)現(xiàn)MAX 材料的彈性模量遠(yuǎn)低于其對(duì)應(yīng)的MXenes,比如M2AX 彈性模量與相應(yīng)的MXenes 相比降低了近40%,而M3AX2和M4AX3彈性模量與相對(duì)應(yīng)的MXenes 相比則降低了近70%。

2.3 光學(xué)性質(zhì)

MXenes 與光量子相互作用時(shí),如果MXenes 的光學(xué)帶隙與光量子能量相對(duì)應(yīng),則可以吸收光量子。DFT 的第一性原理計(jì)算表明,調(diào)整MXenes 表面基團(tuán)成分和含量可以改變其光學(xué)帶隙范圍[40]。MXenes 在NIR 有很強(qiáng)的光吸收能力,可用于腫瘤PTT 和PA 成像。然而,MXenes 的光熱轉(zhuǎn)換機(jī)理目前尚未完全清楚,Dong 課題組[29]認(rèn)為Ti3C2具有類似于金納米粒子的局域表面等離子體共振(Localized surface plasmon resonance,LSPR)效應(yīng),所以在近紅外(NIR)光區(qū)具有光熱轉(zhuǎn)換能力。Wang 課題組[45]認(rèn)為MXenes 在NIR 具有光熱轉(zhuǎn)換能力是因?yàn)槠渥陨砭哂袃?yōu)異的電磁干擾屏蔽效應(yīng),以及與貴金屬納米粒子類似的LSPR 效應(yīng)。

2.4 電學(xué)性質(zhì)

MXenes 的電學(xué)性質(zhì)與其內(nèi)部金屬原子有序排列有關(guān),金屬原子使MXenes 具有導(dǎo)體或半導(dǎo)體性質(zhì)。不同方法制備的MXenes 表面基團(tuán)不同,導(dǎo)致電子吸引能力有所差異,會(huì)顯著影響其電學(xué)性能。MXenes 在制備過(guò)程中所形成的表面缺陷增多,則限制了電子的自由運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致金屬層內(nèi)電子密度分布不平衡,會(huì)顯著影響其電學(xué)性質(zhì)[40]。MXenes 在熱或光等外部刺激下,可產(chǎn)生活性電子,利用這一電學(xué)性質(zhì),Dong 課題組[29]采用NIR 照射使Ti3C2產(chǎn)生ROS,從而增強(qiáng)對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷效果。

3 MXenes 在腫瘤診療中的應(yīng)用

MXenes 在腫瘤診療中的應(yīng)用主要包括：1)通過(guò)PTT 方法在腫瘤部位產(chǎn)生熱量殺死腫瘤細(xì)胞;2)聯(lián)合PTT、PDT 和化學(xué)療法(Chemotherapy,CHEMO)實(shí)現(xiàn)多模式腫瘤治療,構(gòu)建MXenes 表面介孔材料負(fù)載化療藥物或連接靶向劑對(duì)腫瘤進(jìn)行聯(lián)合治療;3)基于多功能MXenes 復(fù)合材料建立診斷-治療一體化平臺(tái)。

3.1 光熱治療

PTT 是依靠光熱轉(zhuǎn)換劑(Photothermal transducing agen,PTA)在腫瘤內(nèi)積累并將光能轉(zhuǎn)化為熱能,通過(guò)產(chǎn)生熱量而殺死腫瘤細(xì)胞,比傳統(tǒng)腫瘤治療方式的副作用小[46-51]。外界光照射和PTA 是決定PTT效果的主要因素[52]。對(duì)于PTA 來(lái)說(shuō),有兩個(gè)基本參數(shù)影響其PTT 效果: 一個(gè)是PTA 對(duì)光的吸收能力,由消光系數(shù)決定;另一個(gè)是在外界光照射下PTA 產(chǎn)生熱量的能力,由光熱轉(zhuǎn)換效率決定[40,53]。

Geng 課題組[54]將Ti3C2納米片作為PTA 用于腫瘤治療研究,其制備的Ti3C2納米片在808 nm NIR光照射下質(zhì)量消光系數(shù)為29.1 L·g-1·cm-1。隨著NIR功率增大,4T1 鼠乳腺癌細(xì)胞存活率急劇下降。結(jié)果顯示,Ti3C2納米片是一種性能良好的PTA,通過(guò)PTT 可有效抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)。

2017年Shi 課題組[30]首次研究了Ti3C2納米片在小鼠體內(nèi)的PTT 效果(圖3(a))。制備的Ti3C2納米片在808 nm NIR 光下質(zhì)量消光系數(shù)為25.2 L·g-1·cm-1,光熱轉(zhuǎn)換效率為30.6%。對(duì)4T1 腫瘤模型的荷瘤裸鼠靜脈注射Ti3C2后進(jìn)行PTT,結(jié)果顯示裸鼠腫瘤組織在PTT 后凋亡或壞死。

MXenes 除了能夠在NIR-I 下對(duì)腫瘤進(jìn)行PTT,還可以在NIR-II 區(qū)域進(jìn)行PTT,且NIR-II 比NIR-I有更深的組織穿透深度和更大的組織允許曝光量[28]。Shi 課題組[28]將Nb2C 在NIR-I 和NIR-II 照射下研究PTT 效果(圖3(b)),發(fā)現(xiàn)Nb2C 在NIR-I 和NIR-II 照射下光熱轉(zhuǎn)換效率分別為36.5%和46.65%。Nb2C在NIR-II 照射下對(duì)腫瘤細(xì)胞和荷瘤裸鼠有更優(yōu)異的PTT 效果,且Nb2C 具有良好的生物相容性和生理穩(wěn)定性,在體內(nèi)外均無(wú)明顯毒性。

圖3 (a)Ti3C2 納米片對(duì)4T1 腫瘤模型的荷瘤裸鼠PTT 的示意圖[30]和(b)Nb2C 納米片在NIR-I 和NIR-II 下進(jìn)行體內(nèi)PTT 的示意圖[28]Fig.3 (a) Schematic diagrams of Ti3C2 nanoparticles on PTT in 4T1 tumor bearing nude mice[30] and(b) Nb2C nanosheets for PTT in vivo under NIR-I and NIR-II[28]

以上研究結(jié)果說(shuō)明MXenes 具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率,通過(guò)PTT 可有效抑制腫瘤生長(zhǎng)。除了Ti3C2和Nb2C,目前已經(jīng)有7 種MXenes 用于腫瘤PTT,表2中將應(yīng)用于腫瘤PTT 的一些MXenes 及其關(guān)鍵參數(shù)作了匯總。

表2 MXenes 首次應(yīng)用于腫瘤PTT 的結(jié)果總結(jié)Table 2 First application of MXenes in PTT on tumor

3.2 聯(lián)合治療

MXenes 通過(guò)PTT 方法對(duì)腫瘤的治療效果有限,為了提高腫瘤治療效果,研究人員開發(fā)了多種基于MXenes 的聯(lián)合治療新方法,主要集中在以下幾個(gè)方面：1)通過(guò)PTT、PDT 和CHEMO 等方法對(duì)腫瘤進(jìn)行多模式聯(lián)合治療;2)構(gòu)建MXenes 表面介孔并負(fù)載化療藥物,依靠較大的孔體積提高載藥能力,并實(shí)現(xiàn)化療藥物的可控釋放;3)通過(guò)主動(dòng)靶向技術(shù)提高M(jìn)Xenes 對(duì)腫瘤的治療效果,同時(shí)減少毒副作用。

3.2.1 多模式聯(lián)合治療

PDT 主要依靠活化的光敏劑將激光照射能量轉(zhuǎn)移給周圍的氧分子產(chǎn)生ROS,之后生物大分子與ROS 發(fā)生氧化反應(yīng),可對(duì)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用,導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞受損或死亡[55-56]。MXenes 單獨(dú)采用PDT 方式進(jìn)行腫瘤治療研究非常少,大多數(shù)都是聯(lián)合PTT 或CHEMO。環(huán)境中氧含量直接影響PDT效果,而缺氧是腫瘤微環(huán)境的一個(gè)主要特征,因此MXenes 如何在缺氧環(huán)境下發(fā)揮PDT 的效果仍需進(jìn)一步研究。

CHEMO 是一種重要的腫瘤治療方法,主要通過(guò)抗腫瘤藥物抑制腫瘤細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移[56]。MXenes獨(dú)特的2D 平面結(jié)構(gòu)具有高比表面積的特點(diǎn),有利于負(fù)載藥物[29,31]。另外,MXenes 表面存在羥基或氟基團(tuán),帶有負(fù)電荷,可以通過(guò)靜電相互作用負(fù)載帶正電荷的藥物[13]。

2017年,Dong 課題組[29]首次利用Ti3C2納米片進(jìn)行多模式腫瘤治療研究(圖4(a)),Ti3C2納米片通過(guò)靜電相互作用負(fù)載抗腫瘤藥物阿霉素(Doxorubicin,DOX),負(fù)載率達(dá)到84.2%,之后通過(guò)透明質(zhì)酸包被負(fù)載DOX 的Ti3C2納米片。腫瘤細(xì)胞內(nèi)的透明質(zhì)酸酶可降解透明質(zhì)酸,釋放DOX,腫瘤微環(huán)境酸性條件和PTT 可加速DOX 釋放,而且Ti3C2納米片在NIR-I 照射下可產(chǎn)生ROS。因此,PTT/PDT/CHEMO多模式聯(lián)合治療大幅提高了Ti3C2納米材料對(duì)4T1腫瘤細(xì)胞的殺死率。

圖4 (a)Ti3C2 納米材料負(fù)載DOX 用于腫瘤PTT/PDT/CHEMO 聯(lián)合治療[29]、(b)DOX@Ti3C2-SP 納米材料用于腫瘤PTT/CHEMO 聯(lián)合治療[32]和(c)Ti3C2@Met@CP 納米材料用于腫瘤PTT/PDT/CHEMO 聯(lián)合治療[57]示意圖Fig.4 Schematic diagrams of (a) Ti3C2 nanomaterials loaded with DOX for tumor PTT/PDT/CHEMO combined therapy[29],(b) DOX@Ti3C2-SP nanomaterials for tumor PTT/CHEMO combined therapy[32],and (c) Ti3C2@Met@CP nanomaterials for tumor PTT/PDT/CHEMO combined therapy[57]SP: Soybean phospholipid

為了使Ti3C2納米片負(fù)載更多DOX 以提高聯(lián)合治療效果,2018年,Chen 課題組[32]首先在Ti3C2納米片表面修飾大豆磷脂(Soybean phospholipid,SP)以增加生物相容性,再通過(guò)靜電相互作用負(fù)載DOX(圖4(b))。經(jīng)SP 修飾的Ti3C2納米片DOX 載藥量高達(dá)211.8%,而且DOX 釋放具有pH 和溫度依賴性。體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明PTT 和CHEMO 聯(lián)合治療效果優(yōu)于單一治療模式。

MXenes 除了可負(fù)載抗腫瘤藥物,還可以同時(shí)負(fù)載激活機(jī)體自身免疫功能的藥物提高聯(lián)合治療效果。2020年,Hou 課題組[57]在Ti3C2納米片表面通過(guò)層層吸附二甲雙胍(Metformin,Met)和復(fù)合多糖(Compound polysaccharide,CP)的方法建立了Ti3C2@Met@CP 多模式聯(lián)合治療系統(tǒng),Met 具有抗腫瘤功效,CP 是由香菇多糖、茯苓多糖和銀耳多糖組成的一種新型免疫調(diào)節(jié)劑,可激活機(jī)體自身免疫功能(圖4(c))。因而 Ti3C2@Met@CP 具有 PTT/PDT/CHEMO 多模式聯(lián)合治療作用,可通過(guò)激活免疫系統(tǒng)殺死腫瘤細(xì)胞并抑制腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。

上述研究表明,相比于單一治療模式,通過(guò)PTT、PDT 和CHEMO 等方法對(duì)腫瘤進(jìn)行多模式聯(lián)合治療可以提高腫瘤治療效果。MXenes 在多模式聯(lián)合治療中扮演重要角色,其具有良好的生物相容性和較大的比表面積,可負(fù)載不同抗腫瘤藥物及免疫調(diào)節(jié)劑,對(duì)腫瘤進(jìn)行 CHEMO,而其本身具有良好的PTT 和PDT 效果。采用多模式聯(lián)合治療對(duì)于一些耐藥性腫瘤細(xì)胞可以實(shí)現(xiàn)更為理想的治療效果。

3.2.2 MXenes 表面介孔負(fù)載化療藥物的體系

MXenes 要實(shí)現(xiàn)理想的腫瘤治療效果需進(jìn)行表面功能化修飾,但是MXenes 表面缺乏足夠的化學(xué)基團(tuán)結(jié)合生物分子或功能性納米粒子[33]。為解決這一問(wèn)題,可在MXenes 表面構(gòu)建介孔二氧化硅層。介孔二氧化硅層具有低毒性的特點(diǎn),在其表面容易進(jìn)行表面功能化修飾,便于結(jié)合生物分子和功能性納米粒子[58-61]。而且,MXenes 表面構(gòu)建的介孔二氧化硅層具有較高的比表面積和較大的孔體積,可提高載藥能力并實(shí)現(xiàn)化療藥物的可控釋放[33]。

Yang 課題組[58]通過(guò)十六烷三甲基氯化銨(CTAC)在Ti3C2表面構(gòu)建介孔二氧化硅層,成功制備了Ti3C2@mMSNs 復(fù)合材料(圖5(a)),介孔二氧化硅層的孔結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了復(fù)合材料在生理溶液中的親水性和分散性,還可以使復(fù)合材料按需釋放DOX 藥物。

另外,CTAC 也是一種有效殺死腫瘤細(xì)胞的藥物分子,Chen 課題組[59]在構(gòu)建Nb2C 介孔二氧化硅納米復(fù)合材料時(shí),創(chuàng)新性地將CTAC 保留在納米復(fù)合材料中(圖5(b)),從而避免了去除納米復(fù)合材料中殘留的CTAC 的繁瑣步驟[58]。CTAC 在PTT 作用下有效釋放,進(jìn)一步增強(qiáng)了腫瘤治療效果。

芬頓(Fenton)反應(yīng)可催化H2O2分子轉(zhuǎn)化為高毒性羥自由基(·OH),但是腫瘤是一個(gè)低氧微環(huán)境,這限制了Fenton 反應(yīng)等氧依賴性方法的治療效果。2,2′-氮雜雙(2-咪唑啉)二鹽酸鹽(AIPH)是一種水溶性分子,具有熱敏性,受熱可分解產(chǎn)生自由基,而且自由基產(chǎn)生水平與環(huán)境內(nèi)氧水平無(wú)關(guān)。2019年Chen 課題組[60]又在Nb2C 納米材料的介孔二氧化硅層中孔內(nèi)負(fù)載AIPH,所構(gòu)建的A@Nb2C@Si 復(fù)合納米材料經(jīng)PTT 可促使AIPH 快速釋放并分解產(chǎn)生自由基,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自由基的可控生成和釋放(圖5(c))。該方法在低氧微環(huán)境中可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡,是一種在腫瘤微環(huán)境內(nèi)與氧無(wú)關(guān)的腫瘤聯(lián)合治療方法。

高含量的NO 可以通過(guò)抑制腫瘤細(xì)胞修復(fù)以及對(duì)線粒體和DNA 造成損傷等途徑抑制腫瘤生長(zhǎng)。然而,NO 在體內(nèi)半衰期短,容易與生物大分子和自由基發(fā)生反應(yīng),因此NO 很難在腫瘤部位實(shí)現(xiàn)有效富集。為進(jìn)一步利用介孔二氧化硅層的孔結(jié)構(gòu),Xu課題組[61]將S-亞硝基硫醇(RSNO)負(fù)載到介孔二氧化硅層的孔結(jié)構(gòu)內(nèi),構(gòu)建了一種Nb2C-MSNs-SNO復(fù)合納米材料,PTT 產(chǎn)生的熱量促進(jìn)RSNO 的S-NO鍵斷裂從而產(chǎn)生NO(圖5(d))。這種光熱觸發(fā)方式可以使復(fù)合納米材料在腫瘤部位按需產(chǎn)生NO,有效抑制腫瘤生長(zhǎng)。

圖5 (a)DOX@Ti3C2@mMSNs-RGD 復(fù)合納米材料[58]、(b)CTAC@Nb2C-MSN-PEG-RGD 復(fù)合納米材料在PTT 下釋放CTAC 對(duì)腫瘤的聯(lián)合治療[59]、(c)A@Nb2C@Si 復(fù)合納米材料在PTT 下產(chǎn)生自由基[60]和(d)Nb2C-MSNs-SNO復(fù)合納米材料在PTT 下釋放NO 對(duì)腫瘤聯(lián)合治療[61]的示意圖Fig.5 Schematic illustrations for (a) combined therapy on HCC cells as assisted by DOX@Ti3C2@mMSNs-RGD at the cell level[58],(b) CTAC@Nb2C-MSN-PEG-RGD composite nanomaterials releasing CTAC under the action of PTT for combined treatment of tumor[59],(c) AIPH@Nb2C@Si composite nanomaterials generating free radicals under the action of PTT[60],and(d) Nb2C-MSNs-SNO composite nanomaterials releasing NO under the action of PTT for combined treatment of tumor[61]

構(gòu)建MXenes 表面介孔的設(shè)計(jì)策略不僅可以增強(qiáng)MXenes生物相容性,同時(shí)還提高了MXenes表面化學(xué)性能,為進(jìn)一步表面修飾功能性納米離子提供了便利。MXenes 表面介孔是一種性能優(yōu)異的藥物分子載體,不僅滿足了高劑量藥物分子的負(fù)載需求,最為重要的是實(shí)現(xiàn)了藥物分子在腫瘤部位的可控釋放,顯著提高了化療藥物在腫瘤治療中的精度和功效。

3.2.3 MXenes 主動(dòng)靶向治療

MXenes 主要依靠高滲透長(zhǎng)滯留效應(yīng)(Enhanced permeability and retention,EPR)在腫瘤部位進(jìn)行被動(dòng)積累,也稱為被動(dòng)靶向。采用主動(dòng)靶向可以更有效地將MXenes 納米材料運(yùn)送到腫瘤部位[30,55]。目前MXenes 主動(dòng)靶向已報(bào)道兩種方法: 一種是利用透明質(zhì)酸與CD44+(CD44 是一種細(xì)胞膜蛋白,在細(xì)胞之間起連接、整合作用,下文αvβ3和αvβ5也屬此類)進(jìn)行特異性識(shí)別;另一種是利用含三個(gè)氨基酸短肽的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(Arginine-glycineaspartic acid,RGD)與腫瘤細(xì)胞表面整合素αvβ3和αvβ5進(jìn)行特異性結(jié)合[29,58]。

2017年,Dong 課題組[29]首次在Ti3C2納米材料表面包覆透明質(zhì)酸,利用透明質(zhì)酸與腫瘤細(xì)胞上過(guò)表達(dá)的CD44+進(jìn)行特異性識(shí)別,提高了Ti3C2納米材料主動(dòng)靶向性能,使其更容易在腫瘤部位富集,從而在腫瘤細(xì)胞內(nèi)釋放更多DOX。

2018年,Yang 課題組[58]為實(shí)現(xiàn)MXenes 復(fù)合納米材料對(duì)肝癌細(xì)胞(HCC)的主動(dòng)靶向作用,在Ti3C2@mMSNs 復(fù)合材料表面共價(jià)連接RGD,因?yàn)棣羦β3和αvβ5在肝癌細(xì)胞表面特異性表達(dá),而在正常肝細(xì)胞表面不表達(dá),所以修飾RGD 的Ti3C2@mMSNs 納米復(fù)合材料可以通過(guò)小鼠血液循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)輸并主動(dòng)靶向至腫瘤部位。Ti3C2@mMSNs 復(fù)合納米材料經(jīng)RGD功能化不僅提高了對(duì)HCC 的靶向性,還減少了納米材料的毒副作用,同時(shí)對(duì)HCC 有更好的抑制效果。

主動(dòng)靶向策略可以增強(qiáng)MXenes 在腫瘤部位的選擇性聚集,上述研究也為MXenes 在主動(dòng)靶向腫瘤治療方面提供了研究基礎(chǔ)和技術(shù)積累。然而,這些研究使用的主動(dòng)靶向劑還不能對(duì)任一類型的腫瘤實(shí)現(xiàn)主動(dòng)靶向治療,未來(lái)需要開發(fā)更多的靶向策略以滿足不同類型腫瘤的主動(dòng)靶向需求。

3.3 MXenes 診斷-治療一體化平臺(tái)

較高原子序數(shù)的過(guò)渡金屬元素(如Ta 和W)有良好的X 射線衰減能力,因此一部分MXenes 可以作為計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed tomography,CT)成像造影劑[27,62]。MXenes 如果存在順磁性過(guò)渡金屬元素(如 Cr 和 V),則還可用作磁共振(Magnetic resonance,MR)成像造影劑[63]。為了提高腫瘤治療效果,可以制備多功能MXenes 復(fù)合納米材料用于放射治療(Radiotherapy,RT),具有MR 和CT 成像能力,建立MXenes 診斷-治療一體化平臺(tái)。

為了使Ti3C2納米材料具有MR 成像能力,Chen課題組[64]在Ti3C2表面原位生長(zhǎng)氧化錳(MnOx)納米粒子,成功構(gòu)建MnOx/Ti3C2復(fù)合納米材料(圖6(a))。Mn-O 鍵在腫瘤微環(huán)境弱酸性條件下容易斷裂,因此MnOx/Ti3C2復(fù)合納米材料具備MR 成像能力,可以實(shí)現(xiàn)PA 和MR 雙模成像。MnOx/Ti3C2復(fù)合納米材料具有優(yōu)良的光熱轉(zhuǎn)換性能,通過(guò)PTT 可有效殺死腫瘤細(xì)胞。

Ta4C3因含有高原子序數(shù)(Z=73)的Ta 元素而具有CT 成像能力,為使Ta4C3納米材料同時(shí)具有MR成像能力,Chen 課題組[62]在Ta4C3納米材料表面原位生長(zhǎng)超順磁性氧化鐵納米粒子(Superpara-magnetic iron oxide nanoparticles,IONP),構(gòu)建的Ta4C3-IONP復(fù)合納米材料具有CT 和MR 成像性能(圖6(b)),通過(guò)PTT 可殺死腫瘤。另外,IONP 作為Fenton 反應(yīng)試劑,可催化H2O2分子轉(zhuǎn)化為高毒性·OH。為了在腫瘤細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生H2O2分子,他們將天然葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase,GOD)固定在 MXene-IONPs@ PEG 表面,以催化腫瘤內(nèi)的葡萄糖產(chǎn)生大量H2O2分子[65]。隨后IONPs 催化H2O2分子轉(zhuǎn)化為高毒性·OH,實(shí)現(xiàn)腫瘤治療目的(圖6(c))。結(jié)合PTT,腫瘤部位溫度升高可以進(jìn)一步加速Fenton 反應(yīng),提高腫瘤治療效果。

為了使Ti3C2納米材料同時(shí)具備MR 和CT 成像能力,Chen 課題組[66]將多金屬氧酸鹽(Polyoxometalates,POMs)與Ti3C2結(jié)合,成功構(gòu)建了GdW10@Ti3C2復(fù)合納米材料(圖6(d))。該復(fù)合納米材料因?yàn)榇嬖贕d元素,實(shí)現(xiàn)了MR 成像,而因存在高原子序數(shù)的W(Z = 74)元素,又可實(shí)現(xiàn)CT 成像。GdW10@Ti3C2復(fù)合納米材料在MR 和CT 成像技術(shù)引導(dǎo)下,對(duì)腫瘤實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷,并通過(guò)PTT 實(shí)現(xiàn)良好的腫瘤治療效果。

圖6 用于腫瘤診療的多功能MXenes 復(fù)合納米材料(a)MnOx/Ti3C2[64]、(b)Ta4C3-IONP[62]、(c)MIG[65]、(d)GdW10@Ti3C2[66]和(e)Ti3C2@Au[67]的模式圖Fig.6 Schematic diagrams of (a) MnOx/Ti3C2[64],(b) Ta4C3-IONP[62],(c) MIG[65],(d) GdW10@Ti3C2[66],and(e) Ti3C2@Au[67] composite nanomaterials in tumor theranostics

以往構(gòu)建的Ti3C2納米材料只能在NIR-I 進(jìn)行PTT,Cheng 課題組[67]通過(guò)種子生長(zhǎng)法制備出Ti3C2@Au納米復(fù)合材料,在NIR-II 下具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力(圖6(e))。復(fù)合納米材料不僅可以對(duì)腫瘤進(jìn)行PTT和RT 聯(lián)合治療,還具有CT 成像能力,在體內(nèi)外均可有效殺死腫瘤細(xì)胞。

由這些研究可見,MXenes 除了具有良好的腫瘤治療效果之外,還具有良好的光熱轉(zhuǎn)換能力,能對(duì)腫瘤作PA 成像診斷,雖然成像性能無(wú)法與CT 和MR 相比。近年來(lái)研究人員開發(fā)了多種基于MXenes材料的腫瘤診療方法[68-80],表3是這些MXenes 材料在腫瘤診療領(lǐng)域應(yīng)用情況的總結(jié)。從表3可見,近年的研究一方面不斷開發(fā)新MXenes 用于腫瘤診療,另一方面也在構(gòu)建多功能MXenes 復(fù)合納米材料,以此獲得諸如醫(yī)學(xué)成像、主動(dòng)靶向和藥物可控釋放等性能。

表3 應(yīng)用于腫瘤診療的MXenesTable 3 MXenes for application in tumor theranostics

4 MXenes 輔助腫瘤診療的其他性能及應(yīng)用

MXenes 不僅在腫瘤診療領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力,在生物傳感、藥物遞送、骨組織工程和抗菌等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中也展現(xiàn)出優(yōu)異的性能,都有可能較好地輔助腫瘤靶向治療。

生物傳感利用固定在電極上的生物分子與被檢測(cè)生物物質(zhì)進(jìn)行特定結(jié)合,所產(chǎn)生的生物化學(xué)信號(hào)可通過(guò)生物傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),被檢測(cè)生物物質(zhì)濃度與電信號(hào)大小相關(guān)。Zhang 課題組[81]利用Ti3C2構(gòu)建了一種檢測(cè)骨橋蛋白(Osteopontin,OPN)的生物傳感器(圖7(a)),固定在MXenes 復(fù)合材料表面的配體蛋白可與OPN 特異性結(jié)合,配體蛋白構(gòu)象發(fā)生改變,從而產(chǎn)生電信號(hào)用于檢測(cè)OPN 濃度,其最低檢測(cè)限為0.98 fg/mL,性能優(yōu)異,可重復(fù)使用。這一靈敏的特異性結(jié)合特點(diǎn)也可為特異性表達(dá)OPN 的腫瘤構(gòu)建載藥診療MXenes 提供思路。

MXenes 有獨(dú)特的2D 平面結(jié)構(gòu),有較大的比表面積,納米級(jí)的材料尺寸使其更容易在人體血液中運(yùn)輸,是一種良好的藥物遞送載體。Chen 課題組[32]通過(guò)SP 修飾的Ti3C2納米片對(duì)DOX 載藥量高達(dá)211.8%。

MXenes 具有良好的生物相容性,部分MXenes材料在生物體內(nèi)可降解,因此在骨組織工程中具有重要應(yīng)用價(jià)值。Chen 課題組[82]將Nb2C 與骨生物材料復(fù)合,用3D打印制備了一種復(fù)合生物支架(圖7(b)),在NIR-II 下可有效治療殺死骨腫瘤細(xì)胞,同時(shí),Nb2C降解釋放的Nb 元素具有促進(jìn)血管生成和骨再生能力,從而修復(fù)因手術(shù)切除骨肉瘤后的大面積骨缺損。而且,Nb2C 在NIR-II 下產(chǎn)生的熱量可促進(jìn)骨生物支架降解,為骨骼重塑提供了足夠的空間。

圖7 MXenes 納米材料在(a)生物傳感[81]和(b)骨組織工程中的應(yīng)用示意圖[82]Fig.7 Schematic diagrams of the application of MXenes nanomaterials in (a) biosensing[81] and (b) bone tissue engineering[82]

此外,MXenes 表面基團(tuán)具有良好的親水性,可以增強(qiáng)與細(xì)菌細(xì)胞膜的相互作用,并與細(xì)菌細(xì)胞膜脂多糖分子形成氫鍵,從而阻止細(xì)菌攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),抑制細(xì)菌生長(zhǎng)[13]。MXenes 的這一抗菌性能亦有利于腫瘤手術(shù)后的傷口抗菌。

5 總結(jié)與展望

自2016年首次報(bào)道Ti3C2納米片用于腫瘤治療研究以來(lái),研究人員一直致力于MXenes 的制備和表面功能化,以適用于PTT 和聯(lián)合療法的研究。盡管MXenes 在腫瘤診療領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力,但在實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用之前,還存在一些問(wèn)題沒有完全解決,主要包括以下三個(gè)方面。

1)MXenes 可控制備問(wèn)題。MXenes 的可控制備研究尚不夠深入,目前在腫瘤治療領(lǐng)域使用的MXenes 主要通過(guò)HF 刻蝕法和氟鹽刻蝕法制備,缺乏對(duì)制備過(guò)程條件的精確調(diào)控手段,以致MXenes終產(chǎn)物的納米粒徑、層數(shù)分布和表面基團(tuán)等難于控制。另外,規(guī)模化制備是進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用所不可或缺的,許多復(fù)雜因素會(huì)影響規(guī)?；苽涓哔|(zhì)量的MXenes,而目前MXenes 的制備僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段。研究人員需要探索MXenes 的規(guī)?；a(chǎn)方法并進(jìn)行工藝優(yōu)化,這是保障MXenes 能夠用于腫瘤臨床治療的前提條件。

2)生物安全性問(wèn)題。MXenes 的臨床應(yīng)用須經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的生物安全性評(píng)估。雖然研究人員已在動(dòng)物體內(nèi)開展了多種MXenes 的短期毒性和器官殘留分布研究,證實(shí)MXenes 有理想的短期生物安全性,但缺乏長(zhǎng)期生物安全性研究,尚沒有對(duì)遺傳毒性、免疫毒性和生殖毒性的研究報(bào)道。此外,表面改性和構(gòu)建復(fù)合納米材料過(guò)程是否對(duì)MXenes 的生物安全性造成影響也需要進(jìn)一步闡明。

3)靶向性問(wèn)題。目前大多數(shù)研究表明MXenes依靠EPR 效應(yīng)在腫瘤部位被動(dòng)靶向積累,之后再可對(duì)腫瘤進(jìn)行PTT 或聯(lián)合治療,但是被動(dòng)靶向在腫瘤部位的積累效率較低。雖然理論上MXenes 主動(dòng)靶向積累效率較高,但相關(guān)研究開展較少。未來(lái)需要開發(fā)更多的靶向策略,設(shè)法提高M(jìn)Xenes 的主動(dòng)靶向治療效果,減少對(duì)正常細(xì)胞的毒副作用。此外,針對(duì)不同腫瘤類型還需設(shè)計(jì)不同的靶向策略以提高治療效果,真正實(shí)現(xiàn)有實(shí)際療效的精準(zhǔn)醫(yī)療。

雖然MXenes 在腫瘤診療領(lǐng)域的臨床應(yīng)用還面臨諸多問(wèn)題,但近五年來(lái)對(duì)MXenes 腫瘤診療研究已經(jīng)有了諸多突破,未來(lái)有望在以下四個(gè)方面取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展。

1)不同過(guò)渡金屬元素構(gòu)成的MXenes 的理化性質(zhì)探索。目前實(shí)驗(yàn)室成功制備的MXenes 約有30 種,根據(jù)計(jì)算模擬結(jié)果來(lái)看,還有更多新型MXenes 材料有待實(shí)驗(yàn)合成、探索其理化性質(zhì)、開發(fā)其在腫瘤診療領(lǐng)域的應(yīng)用。

2)MXenes 的可控制備方法探索。目的是要面向臨床應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)MXenes 終產(chǎn)物在尺寸、表面官能團(tuán)和層數(shù)等參數(shù)的精確調(diào)控,以及在此基礎(chǔ)上規(guī)?；苽涓哔|(zhì)量MXenes。

3)新型空間結(jié)構(gòu)的MXenes 探索。目前MXenes納米片在腫瘤診療領(lǐng)域應(yīng)用研究較多,未來(lái)有必要進(jìn)一步制備MXenes 納米管、納米球、納米籠等其他形貌的MXenes 材料,并應(yīng)用于腫瘤診療,發(fā)掘此類應(yīng)用的最佳空間結(jié)構(gòu)。

4)MXenes 與其他納米材料的復(fù)合探索。已證實(shí)MXenes 結(jié)構(gòu)上負(fù)載其他納米材料可提高M(jìn)Xenes自身的理化特性,賦予MXenes 復(fù)合材料光學(xué)及電磁學(xué)等特性。因此開發(fā)基于MXenes 與其他無(wú)機(jī)和/或有機(jī)材料復(fù)合的納米材料,有望進(jìn)一步提高M(jìn)Xenes 腫瘤診療性能。

隨著化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展以及各學(xué)科之間的互相合作,相信MXenes 在未來(lái)腫瘤診療領(lǐng)域?qū)⒂懈庸饷鞯膽?yīng)用前景。