作为一种优秀的二维材料，黑磷烯（BP）具有表面积大、光吸收强、生物活性明显、生物兼容性好、生物降解性高等优点，在生物医学领域引起了广泛的关注。香港理工大学赖溥祥教授课题组近日在Frontiers of Optoelectronics期刊2020年第4期上发表了一篇有关BP在生物医学中应用的综述论文。这篇综述能帮助读者更好地理解BP的性质以及这些性质如何应用于生物医学。

Multifunctional layered black phosphorene-based nanoplatform for disease diagnosis and treatment: a review

Xiazi HUANG, Yingying ZHOU, Chi Man WOO, Yue PAN, Liming NIE, Puxiang LAI

Front. Optoelectron.. 2020, 13 (4): 327-351.

研究背景

近年来，二维（2D）材料由于其独特的光学性质、催化特性和可调的电学及电化学性质，引起了人们极大的兴趣。石墨烯的成功促进了硅烯、过渡金属二硫化物（MoSe₂、WSe₂和MoS₂）、过渡金属氧化物和黑磷烯（BP）等二维材料的发展。BP与其他所有2D材料不同，它具有与多个领域（特别是生物医学领域）相关的独特性质。

首先，BP由于其独特的结构表现出良好的吸附性。单层BP内，每个P原子与两个相邻的面内P原子和另一个相邻的层间P原子通过P轨道相连，而BP层之间则通过相对较弱的范德华力结合在一起，因此可以通过剥离法得到层状的BP。此外，BP皱褶状蜂窝晶格的层状结构具有较大的表面积，有利于提高载药效率。除了与药物、荧光分子、生物活性分子和金属原子的非共价键合外，带正电的粒子还可以通过静电相互作用与带负电的BP紧密结合。这些独特的性质使层状BP成为一个多样化的平台，广泛应用于诸如靶向给药、生物分子检测和细胞成像等生物医学领域。

其次，随层数减少,BP的带隙可在0.3–2.0 eV的范围内变化，因此电磁波与BP之间的相互作用可以在紫外到近红外波段调节。这种随层数变化的带隙特性是其广泛应用于光子器件和电子学器件（如生物传感器）的先决条件。BP纳米片（BPNSs）具有较大的光学吸收系数和较高的光热转换效率，因此可分别作为光声对比剂和光热剂用于无创光声成像和光热治疗。与此同时，BPNSs在受到外部激光照射时会产生有毒的单氧，因此在光动力疗法（PDT）中可以起到光敏剂的作用。

最后，与其他常用的二维纳米材料如石墨烯相比，层状BP具有可以忽略的细胞毒性和良好的生物降解性，因此是在体应用的理想材料。特别是由于其生物降解产生的中间产物，如磷酸盐、亚磷酸盐和其他P_xO_y产物等，均无毒，因此BP可在人体内安全使用。

综合上述因素，BPNSs可以成为多学科生物医学应用的多功能纳米平台。

内容简介

本文首先介绍了BP的制备方法和性质，在此基础上详细讨论了基于BP的多功能平台在癌症、骨损伤、脑疾病、进行氧化性疾病和肾损伤等疾病诊断和治疗中的应用。最后展望了BP未来的研究方向和应用前景。

图文导读

表2基于层状BP的纳米平台在疾病诊断和治疗中的生物医学应用

图2（a）聚乙二醇化BP药物缓释平台的制备。1： PEG–NH₂（表面修饰），2:DOX（治疗剂），3:Cy7–NH₂（近红外显像剂），4:FA–PEG–NH₂（靶向剂），5:FITC–PEG–NH₂（荧光显像剂）。（b）聚乙二醇化BP纳米片在癌细胞中的内吞途径及生物活性的筛选与总结。[Advanced Materials, 2017, 29(1): 1603276]

图3（a）和（b）为用BP-DEX/PEI-FA纳米颗粒对肿瘤进行靶向成像的结果。（a）携带4T1肿瘤的小鼠尾静脉注射BP-DEX/PEI和BP-DEX/PEI-FA纳米粒（2mg/mL）前后不同时间点的在体光声图像。（b） 尾静脉注射BP-DEX/PEI和BP-DEX/PEI-FA纳米粒后不同时间点采集的携带4T1肿瘤的小鼠肿瘤光声信号的强度。（c） 小鼠静脉注射BP@lipid-PEG纳米球水溶液后采用1400 nm滤光片在不同时间采集的在体NIR-II荧光图像。（d）注入后30s用不同的滤光片（分别为1400和1250nm）获得的放大图像。比例尺=5 mm。[ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(24): 21399–21407, Advanced Materials, 2018, 30 (47): 1802394]

图6（a） 体外深部组织光热疗法示意图。（b）和（c）为存在不同厚度附加组织的情况下，经808 或1064 nm激光照射的NIR-II-CD/BP溶液的温度变化。（d） 808nm和1064nm激光辐照下NIR-II-CD/BP混合物温度变化的指数衰减。[ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(48): 44949–44960]

图8（a） 激光辐照下BP纳米片产生单线态氧的示意图。（b） 分散在各种介质中的聚乙二醇化BP量子点的照片。（RPMI指RPMI 1640培养基）（c）37℃下采用不同浓度的BP量子点培养24小时后，HeLa和L0₂细胞的细胞活力。（d）注射Cy5-dHeme-BPNS-FA或Cy5-BPNS-FA后，携带肿瘤的小鼠左右两侧光动力治疗对效果在体成像监测。注射后24h，右侧肿瘤经激光照射，左侧肿瘤避光。（e）采用和不采用激光照射时PBS、Cy5-dHeme-BPNS-FA和Cy5-BPNS-FA治疗前后肿瘤平均体积的相对变化。采用Student&rsquo;s t-test进行统计分析（**P<0.01，***P<0.001）[Small, 2018, 14(4): 1702815, Biomaterials, 2018, 172: 83&ndash;91, Cancer, 2006, 6(7): 535&ndash;545]

图9（a） BP@水凝胶工作原理示意图。BP@水凝胶在近红外光照射下释放包封的化疗药物，使DNA链断裂，从而诱导细胞凋亡。（b） 与相同剂量的游离DOX相比，用载DOX纳米制剂培养的HeLa细胞在24小时后的存活率（&lowast;P<0.01）。（c） 生理盐水，BP-DOX@PDA-PEG, BP-DOX@PDA-PEG-FA和BP-DOX@PDA-PEG-FA+NIR对携带异种移植HeLa细胞的裸鼠的抗肿瘤作用。在研究结束时由牺牲小鼠获得各组的肿瘤重量（&lowast;P<0.01）。[Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2018, 115(3): 501&ndash;506, Journal of Biomedical Nanotechnology, 2018, 14(11): 1883&ndash;1897]

图11 RV/CAT-BP@MFL形成示意图及其在光热人工释药和自富氧光动力治疗多种癌症中的应用[ACS Applied Nano Materials, 2020, 3(1): 563&ndash;575]

PI简介

赖溥祥教授2002年获得清华大学学士学位，2011年获得美国波士顿大学博士学位，随后在圣路易斯华盛顿大学汪立宏教授实验室从事博士后研究，2015年加入香港理工大学生物工程系并创立生物光子学实验室。

赖教授的研究重点是光-声协同作用及其在生物医学中的应用，研究课题包括光学波前整形、光声成像、声光成像以及计算光学成像等。他已在Nature Photonics, Nature Communications, Advanced Sciences, Photonics Research等顶级期刊中发表论文50余篇，并多次获得国际会议最佳论文荣誉。他拥有两项美国/世界专利，曾应邀参加60多场研讨会或学术讲座。赖教授入选了2016年国家高层次青年人才计划、2017年香港杰出青年学者和 2019年王宽城&ldquo;一带一路&rdquo;访问学者，曾获2018 年香港理工大学工学院杰出科研基金奖和2020年香港理工大学工学院卓越科研奖。作为对他在该领域贡献的认可，他目前担任中国生物医学工程学会生物医学光学委员会委员、《工业、生物医学与艺术视觉计算杂志》（VCIBA）副主编、《健康与科学创新光学杂志》（JIOHS）编委、广东省基础与应用基础研究基金委员会第一届学科咨询专家组（医学组）成员等。

赖教授实验室长年招收有志于生物医学光子学和计算光学研究的优秀博士和博士后，提供世界前沿研究课题和一流科研平台及工作环境，奖学金/工资待遇丰厚。有意者请直接电邮联系puxiang.lai@polyu.edu.hk.