Adv. Funct. Mater.綜述：黑磷在生物醫學和生物傳感的研究進展

【背景介紹】

2D納米材料如石墨烯、類石墨烯及其衍生物等由于其超薄結構、大的表面體積比、優異的熱和電子傳導性、敏感的光響應性和強大的機械柔韌性，從而使其具有許多優于大體積相對應物的優點。同時，各種合成和改性方法使得2D納米材料具有可控制的尺寸和豐富的功能，使其在生物成像、疾病治療診斷和生物傳感領域顯示出巨大的吸引力。然而，目前石墨烯及其類似物在生物應用方面還存在一些問題。比如：石墨烯的零帶隙限制了其在生物器件中的應用，而含有重金屬離子的過渡金屬二硫化物（TMDs）在體內的長期滯留則對生物體造成巨大的威脅。
層狀黑磷（BP）作為2D納米材料家族的一名新秀，自2014年首次被發現以來，在能量存儲與轉換、光電子器件、生物醫學、生物傳感等領域引起了廣泛的研究興趣。層狀BP納米結構包括BP納米薄片、BP量子點和BP納米粒子，納米BP具有優異的表面活性、可調諧的帶隙、高的載流子遷移率、溫和的開/關比率、良好的生物相容性及生物降解性等特性，使得納米BP在生物醫學和生物傳感領域具有獨特的吸引力。盡管層狀BP有這些特別吸引人的優勢，但其在應用時仍然面臨著巨大的障礙。比如，當暴露于環境空氣或水溶液中時，層狀BP會發生快速降解產生無毒的PxOy，逐漸失去原有的性能，這種環境不穩定性極大地阻礙了它在光電子和傳感領域的應用。但也正因為如此，層狀BP在生物醫學領域應用時，即使其暴露于生理環境中都不會帶來長期毒性和生物體排泄不良的風險，因為它易于降解。顯然，與其他2D納米材料相比，層狀BP是一種具有突出生物降解性和生物相容性的高競爭性納米劑。

【成果簡介】

最近，北京大學郭少軍研究員團隊綜述了黑磷（BP）材料在生物醫學和生物傳感方面的最新研究進展。以“Recent Advances on Black Phosphorus for Biomedicine and Biosensing”發表于Adv. Funct. Mater.期刊上。作者首先簡述了二維納米材料的優點以及納米BP的特性，隨后著重介紹了納米BP的合成方法和功能化方法。緊接著作者從熒光成像、熱成像和光聲成像三個方面進行總結基于納米BP的生物成像應用，同時也綜述了利用納米BP進行光療以及和其他治療手段協同的疾病治療應用。而對于納米BP在生物傳感器方面的應用，作者則按照電化學生物傳感器、場效應晶體管（FET）生物傳感器、熒光生物傳感器、化學發光生物傳感器、電致化學發光生物傳感器和比色生物傳感器等不同的檢測方法進行逐個介紹。最后，作者對納米BP在生物學領域的應用現狀和前景進行了展望。

【圖文解讀】

1、引言

圖一、納米BP在生物醫學和生物傳感領域的發展時間軸
2、納米BP的制備

2.1、機械剝離法

圖二、機械剝離法制備FLBP
（a）少層黑磷（FLBP）的輔助機械剝落示意圖；

（b）左側為常用的透明膠帶微劈裂法剝落FLBP，右側為Au輔助法剝落FLBP；

（c）在10個不同的樣品上，FLBP的總面積；

（d~e）多層BP經Ar⁺等離子體薄化前后的光學圖像；

（f）（b）中等離子體處理的薄片的反射圖像；

（g）少層BP的透射電鏡圖，插圖顯示其SAED模式。

2.2、液相超聲剝離法

圖三、液相超聲剝離法制備B P納米片
（a）NaOH-NMP剝離制備BP納米片的示意圖；

（b~c）BP納米片在（b）12000 rpm、（c）18000 rpm離心后的TEM圖；

（d）12000 rpm和18000 rpm離心后，BP納米片在水中的拉曼光譜；

（e）設計的封頭超聲裝置結構示意圖；

（f）在5000 rpm離心前后，具有不同沸點的各種剝落溶劑中的BP濃度；

（g）在5000rpm離心后，具有不同表面張力的各種剝落溶劑中的BP濃度。

2.3、其他剝離方法

圖四、溶劑熱法制備的BP量子點（BPQDs）
（a）溶膠-熱法制備BPQDs的示意圖；

（b~d）BPQDs的TEM圖，放大TEM圖和HRTEM圖；

（e）通過TEM確定的100個BP QDs的橫向尺寸統計分析圖。

3、納米BP功能化

3.1、物理封裝

圖五、水溶液中BPQDs和BPQDs/PLGA的穩定性評價
（a~b）BPQDs和BPQDs/PLGA NSs在水中存放不同時間后的吸收光譜。插圖：納米粒子溶液丁達爾現象和在808納米時的吸收比(A/A0)的變化；

（c~d）BPQDs和BPQDs/PLGA的拉曼散射光譜；

（e~f）BPQDs和BPQDs/PLGA在水中存放不同時間后，用808 nm激光（1 w cm^?2）照射10 min后的光熱曲線。

3.2、化學修飾

圖六、與磺酸鈦配體配位的BP納米片
（a）TiL₄的結構和TiL₄與BP的表面配位；

（b~c）暴露于空氣0、6、24、48和72 h后，裸BP和TiL₄@BP在水中的吸收光譜；

（d~e）裸BP和Si/SiO₂上的TiL₄@BP薄片的光學圖像，在室溫下暴露于潮濕空氣0 h（左）、12 h（中）和24 h（右）。

4、納米BP的生物醫學應用

4.1、生物成像

4.1.1、熒光成像

圖七、納米BP體內外熒光生物成像
（a~f）PBS、裸BPs、NB@BPs孵育MCF-7細胞的明場圖及其相應的熒光成像圖；

（g）不同時間點經尾靜脈注射NB@BPs處理后的MCF-7模型荷瘤裸鼠熒光成像圖；

（h）近紅外輻照后，水凝膠和纖維素/BPNS組的溫度變化圖；

（i）輻照過程中溫度隨時間的變化圖。

4.1.2、熱成像

4.1.3、光聲（PA）成像

圖八、納米BP體內外光聲成像
（a）不同激發波長下TiL4@BPQDs的PA成像圖；

（b）不同激發波長下TiL4@ BPQDs的PA信號及其相應的吸收強度；

（c）在680 nm不同光密度下，TiL4@BPQDs和AuNRs的PA成像圖；

（d）在680納米不同光密度下，TiL4@BPQDs和AuNRs的相應信號強度；

（e）聚乙二醇化BP納米顆粒溶液（第一行）的體外光聲圖像，以及靜脈注射聚乙二醇化BP納米顆粒后不同時間間隔的肝臟、腎臟和腫瘤的體內光聲成像圖，并與相應的處理前圖像進行了比較。

4.2、光治療

4.2.1、光熱治療

圖九、納米BP體內光熱治療
（a）用鈣黃綠素AM（活細胞染色，綠色熒光）和PI（死細胞染色，紅色熒光）染色的細胞的熒光圖像；

（b）各種處理后C6細胞和MCF-7細胞的相對存活率；

（c）腫瘤處隨時間變化的溫度升高；

（d）注射裸BPs和NB@BPs后，用1.5 W cm^?2的808 nm近紅外激光照射MCF-7模型荷瘤裸鼠10分鐘后的治療效果圖。

4.2.2、光動治療

圖十、納米BP體內光動治療
（a）含BP納米片的DPBF在空氣中的吸收光譜隨時間的變化；

（b）在TEMP存在的不同條件下BP納米片的ESR光譜；

（c）不同濃度的超薄BP納米薄片在激光照射和不照射處理下細胞活性；

（d）不同條件下細胞內氧化DCF熒光；

（e~f）不同治療方法下小鼠腫瘤的生長曲線和實際腫瘤圖像。

4.3、協同治療

4.3.1、光熱增強的化學療法

圖十一、光熱增強的化學療法治療骨肉瘤
（a~b）BP-BG支架制作原理示意圖及骨肉瘤消融的逐步治療原理及隨后的BP-BG支架誘導的骨再生；

（c）基于骨組織的密度變化對顱骨的微CT圖像進行3D重建；

（d~e）用黑色（左）和白色（右）底物分別獲得（d）BP-BG和（e）BG組的CT圖。

圖十二、光熱增強的化學療法治療骨肉瘤
（a）BP納米片作為可穿透（血腦屏障）BBB的納米捕獲劑的示意圖，通過捕獲Cu離子用于ND治療來減少氧化應激的產生；

（b）在不同濃度BP納米片下的光熱效應；

（c）光熱效應促進了BP納米片的體外BBB穿透能力。插圖:體外血腦屏障模型示意圖；

（d）在808 nm激光照射下BP的體內光熱效應:1）BP，2）NIR，3） BP+NIR；

（e）以伊文思藍為血腦屏障完整性指標，治療后老鼠大腦的代表性圖片；

（f）不同處理后腦的近紅外（NIR）熒光成像：1）Cy5-PEG-BP，2）Cy5-PEG + NIR，和3）Cy5-PEG-BP + NIR。

4.3.2、協同光/化學/基因療法

圖十三、協同光/化學療法
（a）用于癌癥協同治療的BP-DOX的示意圖；

（b）在1 W cm^-2的808 nm激光照射下BP和BP-DOX在水中的光穩定性，以ICG作為對照；

（c）不同DOX濃度下BP納米片的DOX負載能力

（d）小鼠腫瘤生長曲線（左）和代表性腫瘤的數碼照片（右）。

4.3.3、化學/光免疫療法

圖十四、（左）超聲破泡法制備BP納米片及（右）腫瘤的化學光免疫治療示意圖

5、納米BP的生物傳感器應用

5.1、電化學生物傳感器

（a）基于pLL-BP納米雜化的電化學生物傳感器用于H₂O₂檢測的原理；

（b）在20×10^-3 M pH 7.5 PBS中的Hb-pLL-BP-GCE，pLL-BP-GCE和Hb-pLL-GCE的循環伏安圖（CV）；

（c~d）Hb-pLL-BP修飾的電極以及pLL-BP，Hb-pLL和Hb-pLL-BP修飾的電極在20×10^-3 M pH 7.5 PBS N₂飽和下加入2×10^-3 M H₂O₂前后的的CV圖。

5.2、場效應晶體管（PET）生物傳感器

圖十六、基于納米BP的PET生物傳感器
（a）用于IgG檢測的BP FET生物傳感器原理圖；

（b）傳感器對不同濃度IgG的動態響應；

（c）以靈敏度作為目標蛋白質濃度的函數圖繪制。

5.3、熒光生物傳感器

圖十七、基于納米BP的熒光生物傳感器
（a）用于巰基檢測的BPQDs基熒光傳感策略示意圖；

（b）基于IFE機制用于AChE活性檢測的BPQDs基熒光傳感策略示意圖；

（c）FL生物傳感系統定量檢測不同濃度的AChE（0，0.20，0.40，0.60，0.80，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，5，6，10，15，20 unit L^?1)；

（d）FL強度與AChE活性之間的線性關系。

5.4、化學發光生物傳感器

圖十八、BPQDs-H₂O₂-ClO-CL系統可能的機制

5.5、電致化學發光熒光生物傳感器

圖十九、基于納米BP的電致化學發光生物傳感器
（a~b）在中性條件下，Ru(bpy)₃²⁺在裸GCE和BPQD/GCE下的CVs和ECL性能；

（c）在有和沒有DA的BPQD/GCE下，Ru(bpy)₃²⁺的ECL曲線；

（d）DA濃度對ECL強度的影響。

【小結】

綜上所述，作者總結了層狀BP的制備、功能化及其在生物醫學和生物傳感方面的最新研究進展。作為一種先進的2D納米材料，層狀BP擁有多種制備方法，其不同尋常的優勢也被不斷地利用起來。由于BP表現出層依賴的PL效果，808 nm激光照射下層狀BP表現出優異的光熱轉換效率。因此，層狀BP被廣泛用于熒光成像、光熱成像以及光聲成像。而660 nm激光照射的超薄層狀BP產生細胞毒性ROS，表明有著顯著的光動力效應。因此，層狀BP可以用于光動/熱治療。最重要的是，層狀BP的光熱效應有助于藥物釋放，并且可以通過控制激光照射的持續時間來定時調節藥物釋放。因此其光療法也可以與其他療法如化療、免疫療法、基因療法相結合的協同治療。此外，在生物傳感應用中，受益于層狀BP良好的電化學催化活性、BPQDs的獨特熒光性質以及H₂O₂-ClO-CL系統顯示出增強的CL性能等，其在電化學生物傳感器、熒光生物傳感器、化學發光生物傳感器和電致化學發光熒光生物傳感器中均展現出極佳的檢測效果。
作者指出，盡管近年來納米BP發展迅猛，但層狀BP的合成及其在生物醫學和生物傳感方面的應用仍面臨諸多挑戰。首先，制備可控尺寸、超薄結構和可靠穩定性的層狀BP仍面臨著諸多問題，因此迫切需要探索高效和新穎的制備方法以獲得高質量層狀BP。其次，層狀BP對周圍環境的不穩定性極大地阻礙了其光熱效應和光電性質，通過物理包封以及化學修飾的手段提高層狀BP穩定性的同時，也需要平衡治療效果與體內殘留的問題，因此對層狀BP需進行適度修飾即可。再者，先前報道的基于層狀BP的生物醫學應用過度局限于癌癥相關疾病，應多考慮其他一些疾病如心血管疾病等方面的潛在應用。最后，與其他2D納米材料相比，層狀BP的生物傳感器方向的探索仍處于起步階段，納米BP的功能策略仍主要集中在聚合物改性方面，因此開發多功能層狀BP納米復合材料以及各種便攜式BPFET生物器件，將會為BP生物傳感平臺的創新發展提供廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Recent Advances on Black Phosphorus for Biomedicine and Biosensing（Adv. Funct. Mater. 2019, 1900318）

本文由我亦是行人編譯。

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