上海硅酸盐所在二维MXene生物医学应用领域取得系列重要进展

文章来源:上海硅酸盐研究所  |  发布时间:2018-03-04  |  【打印】 【关闭

  

  中国科学院上海硅酸盐研究所陈雨研究员和施剑林研究员带领的研究团队(介孔与低维纳米材料课题组)开展了二维MXene的多种类可控合成以及针对肿瘤诊疗的生物医学应用的系统研究工作,这些工作涉及MXene本身的酶催化降解、MXene的体内外细胞吞噬行为、对多区近红外光的响应、高效的光热肿瘤治疗、诊断性成像以及系统的生物安全性评价。相关研究成果近期分别发表在J. Am. Chem. Soc., Nano Lett.Adv. Mater.上,论文第一作者为在读博士生林翰。 

  二维MXene是备受关注的一种新型二维晶体材料,它包括数量庞大的过渡金属碳化物和氮化物,具有良好的导电性、亲水性以及机械性能。二维MXene相纳米片层结构主要通过液相剥离的方法合成得到,主要的原理是利用其前驱体MAX材料中不同原子层间作用力的差异,通过条件可控的刻蚀过程来实现A层原子的抽出,进而实现MX层(即MXene)的剥离。MXene一般以三种形式存在:M2X, M3X2M4X3MXene因其本身丰富的理化性能被用于能源储存和转换、水体净化、化学传感、光或电催化和静电屏蔽等领域,并被期待在纳米生物医学领域有所突破。一方面,超薄原子层厚度的二维MXene表现出丰富的理化性能(包括光热转化性能、电子穿透性、X射线衰减和表面等离子共振等)和特殊的生物学效应(酶响应降解、细胞内吞、体内分布和代谢动力学等)。另一方面,MXene元素组分和片层内结构单元的精确可控制备,也为MXene的多功能化探索提供了更加广泛、灵活的材料科学基础。 

  研究团队首次实现了小尺寸二维MXene材料(Ti3C2 MXene)的近单层结构剥离和获取,并系统地研究了MXene纳米片的体外光热转换性能、体内生物安全性评价和体内光热治疗效果(Nano Lett., 2017, 17, 384.)。该工作系统地阐述了MAX相块状材料通过两步液相刻蚀和剥离过程转变为具有超薄二维结构的纳米片,该二维纳米材料具有在近红外(NIR)区域的良好线性消光系数(25.2 Lg−1 cm−1)和优良光热转换效率(30.6%)。在表面改性后,Ti3C2-SP MXene表现出了良好的体外细胞相容性和体内生物安全性,在体内尾静脉注射治疗模式中实现了肿瘤光热消融的显著效果,同时,在体内Ti3C2/PLGA植入体这一治疗模式中也实现了彻底消融裸鼠异体移植瘤的效果。 

  随后,该研究团队进一步发表了基于二维Ta4C3 MXene纳米片构建的体内双模式PA/CT成像与体内光热治疗整合的诊疗一体化纳米平台(Adv. Mater., 2018, 30, 1703284),利用Ta4C3 MXene纳米片的超薄层状结构和Ta元素具有的CT信号增强理化性能,在可控外场(近红外光,X射线)刺激下,实现高效的体内光热转换和体内PA/CT双模式成像,达到热消融肿瘤细胞而不对正常组织产生毒副作用的目的,同时还兼具成像造影增强的功能。该诊疗一体化平台具备良好的临床转化前景,有望推动新型二维纳米材料在肿瘤诊疗和重大疾病中的广泛探索和应用。 

  在此基础上,该研究团队进一步开发了用于近红外NIR-INIR-II双区响应的Nb2C MXene体内高效光热诊疗剂(J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 16235. DOI: 10.1021/jacs.7b07818),该工作首次涉及MXene酶催化降解、MXene的体内外细胞吞噬行为、对多区近红外光的响应、高效的光热肿瘤治疗、诊断性成像以及系统的生物性评价。体内动物实验结果显示,Nb2C MXene纳米光热剂对健康的小鼠在1个月的评价周期内没有不良影响,表明其具有良好的体内生物安全性。在荷瘤鼠的体内治疗研究中发现,通过尾静脉注射和瘤内注射两种方式在15天的治疗周期内都实现了异体移植瘤的消除,并发现在1个月内没有复发,表明了该纳米光热诊疗剂具有良好的生物安全性和高效的光热肿瘤消融能力。 

  此外,研究团队还在二维生物医用材料利用方面开展了一系列创新研究工作,包括开发了二维MnO2基纳米诊疗剂(Adv. Mater., 2014, 26, 7019-7026),并于近期将二维黑磷纳米片与3D打印支架结合,不仅利用黑磷的光热转化能力杀死肿瘤细胞,并可以借助黑磷的有效化学组成促进骨组织的修复(Adv. Mater., 2018, DOI: DOI:10.1002/adma.201705611)。基于上述研究基础,研究团队受邀在Chem. Soc. Rev. (2015), Nano Today (2016), Chem (2018)上发表三篇综述论文,分别阐述了二维类石墨烯烯基纳米生物材料、二维光热转换生物材料、二维纳米生物材料中的材料化学的研究现状和未来发展前景,推动了二维纳米生物材料的进一步临床转化应用。 

  以上研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目、优秀青年科学基金项目、国家重点研发计划青年科目学家专项等项的资助和支持。 

  论文链接: 

  (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.