Chem. Soc. Rev.正封面：新興的單元素二維材料用于生物醫學應用

研究背景】

新興的單元素二維材料（Xenes）在很多新興技術領域以及基礎科學領域的報道中都顯示出了巨大的潛力，是現今最為熱門的研究領域之一。由于Xenes（例如，硼烯、鎵烯、硅烯、鍺烯、錫烯、磷烯、砷烯、銻烯、鉍烯、硒烯和碲烯）具有良好的物理、化學、電子和光學性能，近年來其在生物傳感器、生物成像、藥物遞送和疾病診療等生物醫學領域得到了迅猛地發展。此外，由于其化學組成簡單（單一元素），因此對比于其他多元素的二維材料可能存在易于化學合成、在生物系統中更容易代謝和降解等方面的潛在獨特優勢。作為快速發展的二維材料領域中一個新的獨特的分支學科，新興的Xenes代表了不同生物醫學應用領域中的新契機。僅管這一領域發展迅速，但現今只有有限的綜述對新興Xenes的合成方法進行了系統總結（Nature Reviews Chemistry 2017, 1, 0014; Chemical Society Reviews 2017, 46, 2127-2157; Nature Materials 2017, 16, 163-169）。目前，尚沒有綜述文章系統地總結、歸納各類別新興Xenes的結構和功能與其對應的生物醫學應用之間的關聯。（備注：石墨烯不屬于本文所定義的新興Xenes討論范圍。）

【成果簡介】

近期，哈佛大學醫學院陶偉團隊、深圳大學張晗團隊以及高麗大學Jong Seung Kim團隊合作，首次全面綜述了各類別新興Xenes的結構和功能與其對應的生物醫學應用之間的關聯，并系統總結了Xenes的各類生物醫學應用，旨在通過物理、材料、化學、納米技術和生物學領域的共同努力，進一步促進新興Xenes在生物醫學領域的應用。首先，作者歸類、總結了新興Xenes的一般屬性（從物理、化學、電子和光學四個方面進行總結），并簡要介紹了Xenes常見的合成和改性方法。隨后，文章重點介紹了具有代表性的、用于各種生物醫學應用的新型Xenes納米平臺（內容包括生物傳感器、生物成像、藥物載體、光學治療、診斷治療、抗菌應用、骨再生及組織工程、以及神經退行性疾病治療等）。最后，作者對Xenes在生物醫學領域的研究進展、面臨的挑戰和發展前景進行了總結和展望。該成果近日以題為“Emerging two-dimensional monoelemental materials (Xenes) for biomedical applications”發表在英國皇家化學會綜述類期刊Chemical Society Reviews（影響因子40.182）上，并被入選期刊當期的正封面論文予以重點推介。

TOC以及論文封面

【圖文導讀】

圖一: 新興的單元素二維材料（Xenes）的分類（按元素周期表）、各類性質（物理、化學、電子和光學性能）和各類生物醫學應用的歸納概括。

圖二: 新興的單元素二維材料（Xenes）的分類的合成方法示意圖: (a)自下而上的合成方法（例如化學氣相沉積、物理氣相沉積和濕化學法等）； (b)自上而下的合成方法（例如液相剝離、機械剝離和蝕刻等）。

圖三: 周期表元素對應的Xenes（第III族硼烯和鎵烯；第IV族硅烯、鍺烯和錫烯；第V族磷烯、砷烯、銻烯和鉍烯；第VI族硒烯和碲烯）及其對應的已被報道的合成方法。白色顯示的元素對應的Xenes已經被合成，灰色顯示的元素對應的Xenes目前還沒有被預測或者實驗室合成制備。

圖四: 生物醫學應用中新興Xenes表面功能化策略的例子。(a) 堿金屬對硅烯的表面吸附; (b)銻烯的聚乙二醇化; (c)聚乙烯吡咯烷酮涂覆鉍烯; (d)將磷烯包封在PLGA聚合物中; (e)谷胱甘肽對碲烯的改性。

圖五: 基于新興Xenes的生物傳感器用于生物檢測的應用。例如，基于硅烯的場效應晶體管器件、基于銻烯的miRNA傳感器、以及基于磷烯的場效應晶體管傳感器/比色傳感器/熒光傳感器/電化學傳感器。

圖六: 基于新興Xenes的生物成像應用。例如，基于硼烯的光聲成像、基于銻烯的光熱成像、基于磷烯的熒光成像、基于鉍烯的CT成像、以及基于磷烯光致發光成像等。

圖七: 基于新興Xenes的藥物載體（遞送小分子藥物、siRNA等）設計和光學治療（光熱治療、光動力治療等）應用。

圖八: 基于新興Xenes的診斷治療應用。例如，基于超小鉍納米點（鉍烯）的CT/光聲雙成像引導的腫瘤光熱和放療聯合治療；基于銻烯的光聲/熒光/光熱成像引導的腫瘤光合和化療聯合治療。

圖九: 基于新興Xenes的抗菌應用、骨再生及組織工程以及神經退行性疾病治療等。

【總結展望】

本綜述系統地分類和總結了新興的Xenes在合成方法、材料性質及其對應的各種生物醫學應用方面的最新發展。 僅管目前在研發用于生物醫學應用的Xenes方面取得了顯著進展，但這一新興領域仍存在許多挑戰，本文作者針對如下方面進行了辯證地、批判式地討論：

雖然許多研究表明Xenes在生物醫學應用中具有巨大潛力，但其相對不可控的形態和較寬的尺寸分布可能會對其更進一步地發展存在限制。此外，在獲得監管機構批準之前，應始終考慮并解決Xenes納米平臺在醫藥領域中的潛在毒性。因此，一些作者描述了定義安全等級的十多個關鍵因素，以評估新納米材料的潛在毒性。然而，Xenes的表征可能在生物測試期間改變，這使得在相同實驗條件下進行的Xenes的物理化學表征更復雜。在此基礎上，應提出一個規則，其中包含一些關鍵因素，以標準化比較特征和結果的方法。研究人員已朝著這個方向做出了一些努力，并提出了一些納米材料特性的協議，包括材料的合成過程和生物測試。此外，雖然Xenes在生物系統中更容易的代謝和降解的優勢，Xenes的納米材料-生物相互作用仍然需要被深入研究。盡管一些Xenes的生物醫學應用已被廣泛研究（如磷烯），但一些新合成的Xenes仍然處于其生物應用的開始階段（例如，鎵烯、鍺烯、錫烯、砷烯和硒烯），這意味著在不久的將來，這些Xenes將可能找到更多的應用機會。

在Xenes的表征中必須考慮一些物理化學性質，包括層數，氧化程度和橫向尺寸。此外，易聚集，快速降解和穩定性不足等缺點也限制了Xenes在生物環境中的應用，這個問題應該進一步解決。還應注意，Xenes降解的因素有兩個方面：過快的降解將限制開發的Xenes的治療效果，而它們的降解性在生物醫學應用中是需要的。因此，制備具有可調節降解速率的功能化Xenes對于最佳治療功效和最低全身毒性也是重要的。對于Xenes而言，它們在分散體中的初始結構特征在幾小時甚至一天或更長時間后可能是不一樣的，因此找出懸浮液的變化并將其應用于生理實驗是非常重要的。因此，Xenes水溶液的分散性和穩定性是生物實驗的首要任務。提高其分散性和穩定性對于推進不同的生物醫學應用至關重要。除此之外，研究人員開發了很多方法來對Xenes進行改性，以在生物醫學應用的懸浮液中獲得穩定的片材。無論Xenes固有的生物相容性如何，都應精確量化它們的分散，以盡量減少可能的生物效應，從而進一步了解它們的真正作用。

基于上述考慮，理解Xenes的物理化學性質對Xenes在生物醫學中的應用至關重要。根據之前的研究結果，我們可以更好地比較Xenes之間的差異，并清楚地了解其結構和各自特征之間的關系。這將推進預測模型的發展，拓寬納米片與生物組織之間關系的認知，從而明確Xenes在未來可能的臨床試驗中的應用。盡管有關Xenes表征的理論計算和實驗研究正在進行中，但它們的臨床應用過程仍然漫長而曲折。對Xenes深入研究和可能的臨床轉化需要科學界和工業界研究人員的共同努力。我們期待納米生物技術的發展將促進更多的基礎和技術上的突破，以在不久的將來為新興Xenes的各種生物醫學領域提供廣闊的應用。

【通訊作者介紹】

陶偉博士于2015年7月在清華大學獲得理學博士學位。隨后，他在哈佛大學醫學院Omid C. Farokhzad教授團隊擔任NIH資助的博士后研究員，并于2018年3月受聘為哈佛大學醫學院講師。研究方向主要包括功能納米材料的設計和合成，探索它們的體內交互作用機制和廣泛的生物醫學應用（如RNA遞送、癌癥診斷治療、傷口愈合、心血管疾病和糖尿病治療）。在Nature Biomedical Engineering, Nature Communications, Chemical Society Reviews, Advanced Materials, Angewandte Chemie, ACS Nano, Nano Letters等刊物上發表論文60余篇（其中封面論文15篇，ESI高引用前1%論文10篇，熱門論文前0.1%論文2篇）。他是Frontiers編輯委員會成員，Frontiers in Pharmacology雜志客座主編。陶偉博士曾獲得美國METAvivor青年研究員獎、哈佛大學醫學院麻醉系基礎科學家基金、美國心臟協會合作科學獎等獎項/基金。

張晗博士于2010年10月在新加坡南洋理工大學獲得理學博士學位。目前受聘于深圳大學光電工程學院/教育部二維材料光電科技教育部國際聯合實驗室，特聘教授、博士生導師。中組部青年千人計劃獲得者、教育部新世紀優秀人才獲得者、深圳市黑磷光電技術工程實驗室主任、深圳市孔雀創新團隊負責人，獲得了包括國家自然科學基金優青、重點、面上項目等項目資助。首屆國家“優青”、基金委重點項目負責人（2015年）、深圳市創新團隊負責人（2015年）、深圳市青年科技獎獲得者（2017年）、全球高被引科學家（2018年）等。兼任民盟中央委員、廣東省政協委員、深圳市政協委員、《Photonics Research》等多個SCI期刊副主編/專題主編、中國激光青年編委會秘書長等職務。張晗教授主要從事二維材料光學特性與生物光學特性研究，2016年入選深圳市海外高層次人才孔雀團隊（1500萬無償資助）。已累計發表SCI論文200余篇包括Advanced Materials 10篇（影響因子21.950）、Chemical Society Reviews 3篇（影響因子40.182）、PNAS、Nature Materials（影響因子39.235）、Physic Reports等，以第一作者或通訊作者發表SCI一區論文80篇，封面論文30篇，兩篇論文入選中國百篇最具影響國際學術論文，40篇論文引用過百次，ESI高被引論文60篇。2018年新型抗癌藥物新載體——智能黑磷水凝膠科技成果發表在PNAS上，入選2018年中國光學十大進展-應用研究類。

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