中科院長春應化所Adv. Mater.:多功能納米復合材料Fe@γ-Fe2O3@H-TiO2的多面應用——從光催化到多模態成像介導的癌癥光熱治療

【引言】

二氧化鈦因為具有較高的折射率和紫外光吸收，在顏料、食物著色和防曬產品中有廣泛的應用。近年來，隨著對二氧化鈦的研究不斷深入，二氧化鈦的應用前景也在不斷拓展。在環境領域，二氧化鈦可充當光催化劑降解有機染料；在生物醫藥領域，基于二氧化鈦的納米材料被應用在體內成像、癌癥治療、蛋白質分離和殺菌等方面。然而，由于二氧化鈦自身在可見光和近紅外波段（Vis-NIR）吸收的缺乏，基于二氧化鈦的納米材料在光化學領域的應用受到了很大限制。因此，提高基于二氧化鈦的納米材料在Vis-NIR的吸收強度，對開拓二氧化鈦材料的應用有很重要的意義。

【成果簡介】

近日，中科院長春應用化學研究所林君教授課題組，通過一步還原法獲得氫化TiO₂(H-TiO₂)和鐵磁材料(Fe@γ-Fe₂O₃)復合的多層核殼結構納米材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂。H-TiO₂殼在可見光/近紅外光區(Vis-NIR)具有增強的光學吸收和轉換能力，同時Fe@γ-Fe₂O₃內核具有較強的磁性。太陽光照射下H-TiO₂可有效降解有機染料，同時Fe@γ-Fe₂O₃更便于光催化劑Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的磁性分離和回收；由于H-TiO₂和γ-Fe₂O₃之間存在更多的電子躍遷途徑，與γ-Fe₂O₃復合后H-TiO₂具有更強的光熱轉換效率，可實現磁靶向傳遞的增強光熱治療；Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂納米復合材料兼具磁共振成像、光熱成像和光聲成像的三模態醫學造影功能，可用于腫瘤的體內診斷和監測。該成果以題為"Rational Design of Multifunctional Fe@γ-Fe2O3@H-TiO2 Nanocomposites with Enhanced Magnetic and Photoconversion Effects for Wide Applications: From Photocatalysis to Imaging-Guided Photothermal Cancer Therapy"發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 圖示多功能、多層結構的納米復合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂在光催化劑、光熱試劑和三模態成像探針中的應用

圖2?材料性能表征

A.納米復合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的TEM圖

B.納米復合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的HAADF-STEM圖和EDS線掃描

C.納米復合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的HRTEM圖

D.TiO₂和H-TiO₂的EPR圖

E.TiO₂和H-TiO₂的DRS圖

F.TiO₂和H-TiO₂的光學帶隙

G.納米復合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的磁化曲線

H.TiO₂、H-TiO₂和Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂光催化分解甲基藍

I.Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂光催化分解甲基藍前后的照片

圖3?TiO₂、H-TiO₂和納米復合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的光化學性能表征

A.TiO₂、H-TiO₂和納米復合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的光熱行為

B.不同濃度的Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂水溶液的光熱升溫表征

C.Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂水溶液的升降溫曲線

D.Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂水溶液在降溫過程中的時間與-ln(θ)線性圖

E.H-TiO₂和γ-Fe₂O₃之間的電子通路

圖4?細胞實驗

A.與不同濃度Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂在黑暗中共培養的HeLa細胞的存活率

B.與不同濃度Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂共培養的HeLa細胞，經808 nm激光光照5分鐘后的細胞存活率

C.與不同濃度H-TiO₂在黑暗中共培養的HeLa細胞的存活率

D.納米復合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂和H-TiO₂的光毒性比較

圖5?動物實驗

A.納米復合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的小鼠體內磁共振成像

B.納米復合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的小鼠體內光熱成像

C.納米復合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的小鼠體內光聲成像

D.治療期間各組的小鼠體重變化

E.治療期間各組的小鼠體內腫瘤相對體積變化

F.治療后各組小鼠的離體腫瘤照片

【小結】

本文設計合成了一種多功能的多層核殼結構納米復合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂。該納米復合材料可在太陽光催化下分解甲基藍并可磁分離回收再利用；同時，該材料可作為近紅外響應的光熱腫瘤治療試劑，其光熱轉化效率可達20.58%；除此之外，該材料可實現小鼠體內的核磁共振成像、光熱成像和光聲成像的三模態醫學成像。

文獻鏈接：Rational Design of Multifunctional Fe@γ-Fe2O3@H-TiO2 Nanocomposites with Enhanced Magnetic and Photoconversion Effects for Wide Applications: From Photocatalysis to Imaging-Guided Photothermal Cancer Therapy(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201706747)

【團隊介紹】

林君課題組自2000?年以來一直從事納-微米結構發光材料的控制合成、形態結構和性能調控及其在顯示照明及生物醫學領域的應用基礎研究。在各種稀土發光材料的形貌控制技術、發光薄膜及其圖案化技術、特色FED發光材料、多功能稀土上轉換發光材料在生物成像和藥物控制傳遞與釋放等方面做出了具有原始創新和國際影響的研究工作。曾經/正在承擔科技部973項目子課題、?國家自然科學基金杰出青年基金項目、重點項目以及若干面上項目和國際合作項目。 2009年和2014年分別獲吉林省科技進步一等獎和吉林省自然科學一等獎。?至今已在國內外核心期刊如Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Mater. Today、 J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Chem. Mater.等上面發表學術論文500?余篇，截止目前這些論文共被他人引用32000余次；獲授權中國發明專利8項。

本文由材料人學術組gaxy供稿，材料牛整理編輯。 ?

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