楊微，馬永寧，郝軼

0 引言

二維納米材料是指一個(gè)維度具有限定尺寸，而在其他兩個(gè)維度上可無限延伸的材料。從最初的石墨烯開始，二維納米材料發(fā)展到現(xiàn)在已有20多種，包括石墨烯、黑磷、六方氮化硼、過渡金屬二硫族化合物和過渡金屬碳化物等[1]。二維材料中最具有代表性的材料是石墨烯（graphene），它是由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型，僅單層原子厚度的蜂巢晶格狀平面結(jié)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)結(jié)構(gòu)中最穩(wěn)定的六元苯環(huán)，厚度僅0.35 nm，是目前已知最薄的二維納米材料，最早于2004年由英國曼切斯特大學(xué)的Geim及Novoselov等利用微機(jī)械分離的方法獲得，兩人因此獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎[2]。石墨烯可通過卷曲形成零維的富勒烯、一維的碳納米管以及堆垛成三維的石墨。其特殊的結(jié)構(gòu)使得石墨烯表現(xiàn)出許多優(yōu)異的理化性質(zhì)，如良好的導(dǎo)熱性能，其熱導(dǎo)率高達(dá)5×103W/(m.K)，較大的比表面積（單片石墨烯的比表面積為2 630 m2/g）、優(yōu)異的光學(xué)性能等，因此廣泛應(yīng)用于藥物傳遞、抗腫瘤、臨床檢測、生物工程等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

2014年，復(fù)旦大學(xué)Li等[3]首次利用膠帶機(jī)械剝離法制得厚度僅7.5 nm的二維黑磷納米材料（black phosphorus, BP）。二維黑磷的成功制備使其成為二維材料的新成員。黑磷是一種由范德華力相互作用、將單個(gè)原子層疊加在一起的層狀材料，每個(gè)磷原子與三個(gè)相鄰的磷原子共價(jià)結(jié)合，形成二維波浪狀結(jié)構(gòu)，比石墨烯具有更多的褶皺，使得黑磷納米材料具有更大的比表面積，在載藥方面具有更大的優(yōu)勢。相比于石墨烯，作為二維半導(dǎo)體材料的黑磷具有較寬的可調(diào)節(jié)帶隙（0.3～2.0 ev），使其在紫外、紅外和可見光光譜中具有廣泛的光吸收，這種獨(dú)特的光學(xué)特性使黑磷在生物傳感、光聲成像、光動力學(xué)治療、光熱治療領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢[4]。此外，石墨烯在體內(nèi)需經(jīng)功能化修飾后才能被降解，而黑磷在體內(nèi)可直接在水和氧氣的作用下直接降解，產(chǎn)生無毒的中間體，因此在體內(nèi)應(yīng)用更安全，尤其是在癌癥治療方面[5]。

1 石墨烯、黑磷的生物學(xué)性能

1.1 在藥物載體方面的應(yīng)用進(jìn)展

國際上常用的化療藥物主要以細(xì)胞毒性藥物為主，存在靶向性差、心腎毒副作用大、治療效果不理想的問題。近年研究表明超聲聯(lián)合載藥微泡可有效殺傷腫瘤細(xì)胞，但研究者發(fā)現(xiàn)微泡粒徑較大，應(yīng)用單層微泡脂質(zhì)殼層的載藥能力有限，往往難以達(dá)到疾病治療的有效劑量，并且其靶向遞送效果有限。

目前有學(xué)者認(rèn)為利用納米材料及技術(shù)研制生物相容性更好，能同時(shí)裝載抗腫瘤藥物及基因，且具有良好的控釋功能，可實(shí)現(xiàn)腫瘤定點(diǎn)靶向治療，在提高藥物生物利用度的同時(shí)減少藥物的毒副作用。最佳的藥物載體應(yīng)具備安全可靠、轉(zhuǎn)染能力高、藥物與載體的良好協(xié)同作用以及靶向性好等特點(diǎn)。由于比表面積大、易于修飾等特點(diǎn)，石墨烯、黑磷等新型二維納米材料作為藥物載體在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到了極大關(guān)注，現(xiàn)已成為國際上新型藥物載體的研究熱點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已針對氧化石墨烯（graphene oxide, GO）載藥方面做了很多的研究工作。2008年Liu等[6]首次將氧化石墨烯作為藥物載體，其用聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）對納米氧化石墨烯（nano-graphene oxide, NGO）進(jìn)行表面修飾以增加石墨烯溶解性，同時(shí)通過π-π鍵堆積的方式將石墨烯與喜樹堿SN38結(jié)合，利于藥物在體內(nèi)的釋放。研究證實(shí)NGO-PEG-SN38作為藥物載體具有可靠的生物安全性。但是，當(dāng)前的GO體系主要通過非共價(jià)物理吸附來載藥，存在載藥量不穩(wěn)定和腫瘤被動靶向的缺點(diǎn)。而正己酰羧甲基殼聚糖（CHC）表面具有氨基、羧基等化學(xué)基團(tuán)，易于修飾，水溶性差，只有在酸性水溶液中才能溶解。CHC修飾后的GO可連接各種特異性靶向配體，在腫瘤酸性微環(huán)境中才能溶解釋藥。Bao等[7]將制備的氧化石墨烯共價(jià)接枝殼聚糖（GO-CS）作為抗癌藥物喜樹堿的納米載體，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料在72 h后對喜樹堿（CPT）的負(fù)載量增長至17.5%，同時(shí)毒性測試表明，100 mg/L的GO-CS載體本身沒有毒性，但是負(fù)載GO-CS-CPT的復(fù)合物的50%抑制濃度（IC50）僅為29 μmol/L。Wang等[8]也報(bào)道了將環(huán)形精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸多肽（cyclic Arg-Gly-Asp, cyclic RGD, cRGD）殼聚糖/氧化石墨烯聚合物作為肝細(xì)胞癌靶向治療的藥物釋放系統(tǒng)，該系統(tǒng)對阿霉素的負(fù)載能力高達(dá)1.00 mg/mg，在pH值較低時(shí)即腫瘤環(huán)境下能夠很好地識別肝癌細(xì)胞并釋放藥物對其進(jìn)行吞噬。

黑磷是繼石墨烯之后的二維材料新寵，展現(xiàn)出卓越的光電特性，被視為新的超級材料[9]，尤其是在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。相對傳統(tǒng)材料，黑磷主要在藥物載體、腫瘤的光聲成像、光熱和光動力療法新材料三大方面體現(xiàn)了它的潛力[10-11]。目前，本課題組兩名成員（合作單位：深圳大學(xué)張晗教授千人課題組成員）在既往的研究中，采用優(yōu)化的液態(tài)剝離法，首次將黑磷二維納米薄片應(yīng)用于診斷治療制劑載體的制備以及功能化修飾，研發(fā)了一種負(fù)載化療藥物阿霉素的“黑磷納米片載體系統(tǒng)”。其具有較大的表面積，很好的生物相容性，負(fù)載量和載藥性能顯著高于傳統(tǒng)的聚合物納米粒子載體，提高了化療藥物療效。研究中聯(lián)合采用聚焦超聲控釋的生物響應(yīng)調(diào)節(jié)的化療—光熱聯(lián)合治療方法，載藥效率可達(dá)95%。在體內(nèi)外驗(yàn)證了強(qiáng)大的抑瘤效果，可精準(zhǔn)靶向治療癌癥[12-14]。另一項(xiàng)研究[15]也證明黑磷納米片可負(fù)載自身質(zhì)量為其數(shù)十倍的阿霉素（載藥重量約950%），且基于黑磷二維納米材料的光熱、光動力活性，成功將黑磷納米薄片與光熱、光動力治療及化療三種抗腫瘤模式結(jié)合，實(shí)現(xiàn)腫瘤多模式聯(lián)合治療。

1.2 在腫瘤光熱治療方面的應(yīng)用進(jìn)展

光熱治療（photothermal therapy, PTT）是在激光照射下，利用光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱量，進(jìn)而引起局部高溫來破壞、殺死腫瘤細(xì)胞，達(dá)到治療癌癥的目的。相較于傳統(tǒng)的手術(shù)治療、放療和化療，光熱治療具有副作用小、可控性好等優(yōu)點(diǎn)。二維石墨烯、黑磷等新型納米材料在近紅外光區(qū)域（near-infrared light, NIR）具有優(yōu)越的光吸收特性及高效的熱傳導(dǎo)性，其作為光熱治療劑在癌癥的光熱治療中具有廣泛的應(yīng)用前景。

Yang等將花菁染料7（Cy7）作為熒光標(biāo)記方法，探究了PEG修飾的納米石墨片（PEG-NGS）的體內(nèi)過程[16]，將合成的PEG-NGS-Cy7復(fù)合材料靜脈注射24 h后在腫瘤區(qū)域可見很強(qiáng)的熒光信號，可見該復(fù)合材料對腫瘤細(xì)胞具有較強(qiáng)的靶向性。隨后，在808 nm近紅外光照射后腫瘤組織達(dá)到100%消融，同時(shí)體內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)一步證明PEGNGS的潛在體內(nèi)毒性低且可有效增強(qiáng)PTT抗腫瘤效果。此外，石墨烯還可與用于光動力學(xué)治療（photodynamic therapy, PDT）的光敏劑結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多模式腫瘤治療。例如，Li等[17]利用逐步共軛法將氧化石墨烯與光敏劑富勒烯（C60）結(jié)合，成功研制了GO-C60復(fù)合物，實(shí)驗(yàn)證實(shí)該復(fù)合物可在近紅外光作用下同時(shí)進(jìn)行光熱及光動力學(xué)治療，兩者協(xié)同治療腫瘤的效果優(yōu)于PTT或PDT單獨(dú)治療。

黑磷較寬的可調(diào)節(jié)帶隙使其在光熱治療中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。中科院深圳先進(jìn)研究院Sun等[18]利用超聲剝離黑磷晶體的方法，制備了超小的黑磷納米粒（橫徑約2.6 nm，厚約1.5 nm），研究證實(shí)其對膠質(zhì)瘤和乳腺癌細(xì)胞均具有良好的光熱抗腫瘤效果。隨后，又有學(xué)者將光敏劑修飾黑磷納米材料，研制了能同時(shí)用于光熱/光動力雙重抗腫瘤作用的復(fù)合納米材料。例如，Li等[19]開發(fā)了一種用于生物成像引導(dǎo)的光熱/光動力協(xié)同治療腫瘤的黑磷多功能納米粒（black phosphorus nanoparticles,BPNP），通過體外和體內(nèi)研究證實(shí)了聚乙二醇化BPNP協(xié)同PTT和PDT對癌癥的治療效果，并通過組織學(xué)分析證實(shí)BPNP具有低毒性。最近，Yang等[20]也成功研制了能進(jìn)行PTT/PDT雙重抗腫瘤作用的黑磷復(fù)合納米材料，研究者利用黑磷納米材料較高比表面積的特性將光敏劑chlorin e6修飾于黑磷納米材料中，使得制備的BP@PEG/Ce6納米復(fù)合材料不僅具有良好的生物相容性、生理穩(wěn)定性和腫瘤靶向性，而且具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率（43.6%）。

2 聯(lián)合超聲相關(guān)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)在腫瘤治療中的應(yīng)用

超聲相關(guān)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)是指運(yùn)用超聲或者超聲與其他技術(shù)相結(jié)合所產(chǎn)生的醫(yī)學(xué)原理和特性，對人類疾病進(jìn)行研究、診斷和治療的技術(shù)。如超聲成像、聚焦超聲、聲動力學(xué)治療等。光聲成像（photoacoustic imaging, PAI）是結(jié)合了超聲成像及光學(xué)成像的新技術(shù)，具有傳統(tǒng)光學(xué)成像對比度高及超聲成像組織穿透性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。將超聲成像與光熱治療相結(jié)合，可進(jìn)行治療前腫瘤位置及大小的確定、治療過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測以及治療后療效的評估，以減少對周圍組織的熱損害，實(shí)現(xiàn)診療一體化[21]。

2.1 光聲成像引導(dǎo)下光熱治療

光聲成像利用組織內(nèi)部光學(xué)吸收差異，將光能轉(zhuǎn)換為熱能，從而導(dǎo)致瞬態(tài)熱膨脹所引起的聲發(fā)射，然后由組織外的超聲換能器轉(zhuǎn)化為光聲圖像[22]。然而，激光較強(qiáng)的散射效應(yīng)，導(dǎo)致光強(qiáng)和光聲信噪比隨生物組織深度增加呈指數(shù)級衰減，使得PAI主要局限于小型動物的成像，這也阻礙了其從臨床前研究向臨床應(yīng)用的跨越[23]。目前，不少研究引入光聲造影劑來克服這種散射效應(yīng)[24]。石墨烯、黑磷等二維納米材料具有近紅外吸收能力，從而成為重要的光聲造影劑[25]，以及作為光敏劑，結(jié)合光聲成像與光熱治療用于腫瘤的監(jiān)測與治療。

Sheng等報(bào)道的蛋白質(zhì)輔助還原和表面功能化合成的納米還原石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）比未經(jīng)修飾的GO具有更高的光聲信號[26]，在荷瘤小鼠靜脈注射納米rGO后，腫瘤區(qū)光聲信號迅速增強(qiáng)，顯示出其在被動靶向和光聲成像方面的優(yōu)勢。同時(shí)，由于rGO的光熱效應(yīng)，使用連續(xù)波近紅外激光照射可有效消融體內(nèi)的癌細(xì)胞。結(jié)果表明，蛋白質(zhì)輔助制備的納米rGO適合于腫瘤的光聲成像和光熱治療，在診治一體化納米醫(yī)學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，通過引入熒光劑等物質(zhì)還可增強(qiáng)石墨烯的光聲性能，Hu等[27]利用吲哚菁綠（indocyanine green, ICG）負(fù)載聚多巴胺還原石墨烯（PDA-rGO）制備了新型納米復(fù)合材料（ICG-PDA-rGO），結(jié)果表明， ICG可有效增強(qiáng)PDA-rGO在780 nm處的光吸收。經(jīng)PA成像引導(dǎo)的PTT治療后，荷瘤小鼠的腫瘤被完全抑制，且未觀察到治療所致的毒性。

相較于石墨烯，黑磷在這方面的研究相對較少，Sun等報(bào)道了聚乙二醇（PEG）修飾的黑磷納米粒（BPNP）在光聲成像聯(lián)合光熱治療在癌癥治療中的應(yīng)用[28]。表面聚乙二醇涂層使其在水中具有良好的穩(wěn)定性和溶解性。體內(nèi)光聲圖像表明，PEG化BPNP可通過增強(qiáng)通透性滯留效應(yīng)（EPR效應(yīng)）在腫瘤中有效地積累，靜脈注射聚乙二醇化BPNP 24 h后，腫瘤的光聲信號強(qiáng)度高于腎臟和肝臟。與對照組小鼠相比，利用NIR在光聲成像引導(dǎo)下對荷瘤小鼠行進(jìn)一步光熱消融治療后，腫瘤明顯縮小。說明功能化修飾的黑磷納米粒在癌癥監(jiān)測及治療一體化中有巨大潛力。然而，黑磷在生理?xiàng)l件下的不穩(wěn)定性導(dǎo)致其光聲信號的不穩(wěn)定，因此，Sun等[29]利用表面配體的方法將鈦配體的磺酸酯（TiL4）與黑磷量子點(diǎn)結(jié)合，以提高其作為光聲成像劑的穩(wěn)定性。與未經(jīng)修飾的黑磷相比，TiL4配位黑磷量子點(diǎn)在水溶液中表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性，并且由于其較大的近紅外光吸收特性，表現(xiàn)出比金納米粒子（AuNPs）更好的光聲增強(qiáng)性能。

2.2 超聲成像引導(dǎo)下光熱治療

超聲（ultrasound, US）成像以其實(shí)時(shí)、低成本、安全性高和便攜性好等特點(diǎn)而在成像引導(dǎo)光熱治療中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。不少研究將各種熱敏劑，如金納米粒、CuS納米粒等，與超聲造影劑復(fù)合物結(jié)合，制備了用于超聲成像引導(dǎo)PTT治療的納米復(fù)合材料。

Li等[30]將氧化鐵納米粒子負(fù)載到聚乳酸（polylactic acid, PLA）微囊中，再用氧化石墨烯進(jìn)行表面功能化，制備了生物相容性良好且可同時(shí)增強(qiáng)超聲、磁共振和光聲成像的復(fù)合微囊，在近紅外光作用下，復(fù)合微囊能有效殺傷癌細(xì)胞。另一項(xiàng)研究[31]也成功制備了用于診療一體化的復(fù)合囊泡，研究者利用氧化石墨烯和釓螯合物對包裹液態(tài)氟碳的囊泡進(jìn)行表面功能化，所制備的復(fù)合囊泡可在US及MRI引導(dǎo)下對腫瘤進(jìn)行光熱治療。因此，將石墨烯納米材料與超聲及其他成像造影劑結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)包括超聲在內(nèi)的多模態(tài)成像引導(dǎo)下的腫瘤光熱治療。

2.3 聯(lián)合聲動力療法腫瘤治療

聲動力學(xué)療法（sonodynamic therapy, SDT）是在光動力學(xué)療法（photodynamic therapy, PDT）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的嶄新的腫瘤治療手段。利用一定頻率和強(qiáng)度的超聲波激發(fā)聚集在腫瘤區(qū)域的聲敏劑，產(chǎn)生具有細(xì)胞毒性的活性氧物質(zhì)（ROS），包括羥基（OH·）、過氧自由基（HO2·）和非自由基單線態(tài)氧（1O2）的自由基，促使腫瘤細(xì)胞發(fā)生不可逆損傷，從而達(dá)到腫瘤治療目的，最先由日本學(xué)者Yumita發(fā)現(xiàn)并提出[32]。

為提高SDT療效，實(shí)現(xiàn)SDT/超聲熱療協(xié)同治療腫瘤的目的，研究學(xué)者利用還原石墨烯納米片（nrGO）為載體，將介孔二氧化硅（MSN）包覆于其表面，最后在MSN層表面負(fù)載Rb-PEG共軛磁性氧化鐵納米粒（IONs），合成nrGO@MSNION-PEG-RB復(fù)合納米系統(tǒng)[33]。nrGO和磁性氧化鐵在超聲誘導(dǎo)下的加熱效應(yīng)可促進(jìn)SDT過程中ROS的產(chǎn)生，MSN可促進(jìn)超聲空化作用從而促進(jìn)復(fù)合物的細(xì)胞內(nèi)化。體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在聚焦超聲作用下，rGO、MSN和IONs可提高聲敏劑Rb對SKBr3癌細(xì)胞的細(xì)胞毒性作用。此外，nrGO作為一種優(yōu)良的導(dǎo)熱基，在極低功率聚焦超聲輻射時(shí)觸發(fā)局部溫度升高，從而導(dǎo)致深度定向熱療。該研究表明，基于nrGO@MSN-ION-PEG-RB復(fù)合納米系統(tǒng)的SDT和聚焦超聲誘導(dǎo)的熱療協(xié)同作用可明顯抑制腫瘤的生長。最近，另一項(xiàng)研究也證明石墨烯與聲敏劑的結(jié)合可提高SDT治療效率。Dai等[34]開發(fā)了一種新型的納米復(fù)合物（TiO2-GR），將二維還原氧化石墨烯（GR）與聲敏劑二氧化鈦（TiO2）結(jié)合，與單純的TiO2納米粒相比，GR高導(dǎo)電性使TiO2-GR在體內(nèi)產(chǎn)生較多的ROS。隨后，研究者將磁性MnOx作為MRI造影劑負(fù)載于復(fù)合物表面，為MnOx/TiO2-GR協(xié)同SDT與PTT腫瘤治療提供成像引導(dǎo)。

與石墨烯協(xié)同聲敏劑進(jìn)行SDT治療不同，黑磷作為二維半導(dǎo)體材料與氧發(fā)生作用可產(chǎn)生1O2，有望成為新的聲納增敏劑用于SDT癌癥治療。最近，中南大學(xué)Ouyang等[11]首次證實(shí)超聲輻照黑磷的抗腫瘤效果比近紅外激光有效很多，即使在深層組織中也能產(chǎn)生較高的ROS，見圖1。該研究利用金納米粒子（Au NPS）負(fù)載于黑磷表面，進(jìn)一步增強(qiáng)黑磷的聲動力學(xué)性能，制備的Au@BP納米雜化物與傳統(tǒng)的有機(jī)超聲波增敏劑相比，在超聲輻照下表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。體內(nèi)荷瘤小鼠的研究表明，Au@BP納米雜合體可以有效抑制腫瘤生長，且副作用小，為開發(fā)安全高效的納米聲敏劑開辟了新的研究方向。

圖1 超聲輻照下Au@BP納米雜合體產(chǎn)生1O2機(jī)制圖[11]Figure1 Mechanism of 1O2 generation by Au@BP nanohybrids under ultrasound irradiation[11]

3 結(jié)語

新型二維納米材料與超聲相關(guān)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)結(jié)合，展現(xiàn)出的良好生物醫(yī)學(xué)特性使其成為腫瘤治療學(xué)領(lǐng)域新的研究方向。但新型二維納米材料的研究仍處于初步階段，要在人體中應(yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，這些納米材料在人體內(nèi)環(huán)境中所產(chǎn)生的毒性及生物穩(wěn)定性尚不明確，目前的相關(guān)研究仍處于體外及小型動物實(shí)驗(yàn)階段，在大型動物體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)研究鮮見報(bào)道。其次，納米載體實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用必然面臨材料規(guī)?；a(chǎn)的技術(shù)問題及成本問題，目前雖然納米載體在實(shí)驗(yàn)室的制備技術(shù)日趨穩(wěn)定和成熟，但仍存在制備步驟復(fù)雜、成本高及效率低等問題。第三，協(xié)助納米材料用于腫瘤診療的超聲及光聲醫(yī)學(xué)設(shè)備大多還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，如目前使用的光聲成像設(shè)備成像深度僅數(shù)十毫米，僅適用于小型動物的研究。因此，設(shè)備硬件與軟件的創(chuàng)新從而實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用至關(guān)重要。

盡管目前的研究存在一定局限性，但我國科學(xué)研究者在競爭激烈的國際材料科學(xué)領(lǐng)域仍然取得了許多重要的突破，尤其在藥物載體方面。近年來的實(shí)驗(yàn)研究肯定了石墨烯、黑磷等二維納米材料作為藥物載體用于腫瘤診療的可行性，超聲相關(guān)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)因?qū)崟r(shí)、便捷等優(yōu)點(diǎn)，不斷用于疾病的診斷與治療。未來或許還可將黑磷等納米載體負(fù)載于超聲成像微泡，在超聲輻照下對其載藥系統(tǒng)進(jìn)行可視化定向載藥控釋并進(jìn)行療效評估。相信隨著生物醫(yī)學(xué)工程及分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，新型二維納米材料結(jié)合超聲相關(guān)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)在腫瘤診療的應(yīng)用研究會有突破性的進(jìn)展。