深大張晗&南理工陳翔AFM綜述：過渡金屬硫屬化物在傳感、腫瘤治療應用中的現狀、挑戰和前景

CYM 3年前 (2020-11-02) 7275瀏覽

【引言】

過渡金屬硫屬化物（TMDCs）在化學、生物傳感和腫瘤治療中扮演著重要角色，但目前TMDCs在傳感器的大規模制造、腫瘤治療的臨床表現上均存在挑戰。

針對此問題，深圳大學張晗教授和南京理工大學陳翔教授（共同通訊作者）討論、總結了TMDCs在生物、化學傳感器和腫瘤治療領域的最新應用，對比了不同元素組成、相結構、微觀形貌結構對材料性能的影響及其應用的差異。旨在評估TMDCs在傳感和腫瘤治療領域的技術成熟度，并提出集傳感與治療為一體的智能診療系統將成為TMDCs未來的應用方向。該論文“Transition Metal Dichalcogenides for Sensing and Oncotherapy: Status, Challenges, and Perspective”發表在《Adv. Funct. Mater.》期刊上。

【圖文導讀】

圖1??TMDCs的元素組成、結構和應用的關系示意圖

一、TMDCs材料與傳感器

TMDCs具有大比表面積、可調節的帶隙、合適的電學性能和低細胞毒性等特點，是一種良好的的傳感器備選材料。影響傳感器性能的因素包括TMDCs的元素組成、相結構和微觀形貌。

元素組成：主要影響帶隙、化學穩定性、生物相容性和分子親和性。其中硫族元素是TMDCs生物毒性的主導因素，也是導致TMDCs降解的主要誘因。不同過渡金屬元素與探針分子的親和性不同。

相結構：主要分為半導體性的2H相和金屬/半金屬性的1T相。高電導率使1T-TMDCs成為熒光生物傳感器的理想選擇，而2H-TMDCs常用于各類晶體管傳感器。2H-1T相變的研究則為多類型集成生物傳感器開辟了一條新途徑。

微觀形貌：TMDCs可以分為二維薄片/薄膜（橫向尺寸>100 nm）、納米片（NSs，<100 nm）、納米點（NDs）、納米纖維（NFs）和納米棒（NRs）。多數情況下，TMDCs形貌會決定傳感器結構設計。

圖2??不同元素（a-c）、相結構（d-f）TMDCs熒光傳感器性能比較

二、生物檢測：不同結構的TMDCs傳感器

TMDCs納米片和納米點尺寸較小，可以均勻分散在溶液中或吸附于傳感平臺，也可以與纖維狀或棒狀材料結合構建傳感器，更適合用于電化學、熒光、化學發光和比色生物傳感器。從傳感器結構上可以被統稱為納米換能單元生物傳感器（Nanoscale TMDC-Based Transducing Component Biosensors）。

圖3??基于納米換能單元的TMDCs傳感器（a-b）WS2納米纖維傳感器；（c）MoS2納米棒傳感器電荷轉移機理；（d-e）WS2納米片傳感器

圖4??TMDCs形貌對器件結構和傳感應用的影響

在場效應晶體管生物傳感器（FET Biosensors）中往往采用二維薄片/薄膜的TMDCs，材料橫向尺寸已經達到毫米級甚至厘米級。該傳感器具有較高的靈敏度、較低的探測下限（LOD）和響應時間。但是復雜單元的微尺度結構令其制造成本較高，易受到外界干擾。

圖5?（a-c）用于氨基酸檢測的MoS2?FET傳感器；（d-e）MoS2?FET傳感器循環生物檢測過程的原理圖與連續測量的S-t響應信號

三、TMDCs腫瘤治療

圖6??TMDCs單一和聯合治療腫瘤

TMDCs由于其高生物相容性、刺激反應性和固有的治療效果，非常適合用于多種腫瘤治療和生物成像。

單一治療主要包括光熱治療（PTT）、光動力治療（PDT）、基因治療（GT）、免疫治療（IT）、化學藥物治療（cT）等。基于TMDCs作為光熱/光聲誘導劑和藥物載體，可以實現刺激響應型藥物靶向釋放和成像引導治療。由于腫瘤的類型、病理分級、侵襲性和組織/器官的異質性很大，結合多種治療方式優點的聯合治療用于改善癌癥治療。

影像引導治療可避免正常組織損傷，提高治療效果。因此，具有成像能力的TMDCs材料更受青睞。

圖7??不同靶向修飾物的PCT納米診療平臺

圖8??不同腫瘤治療方式（單一、雙聯、三聯治療）的效果

圖9??基于TMDCs的多模態成像引導治療

圖10??實際應用（a）用于腫瘤PDT的無線節拍器；（b）用于控制藥物釋放的摩擦式納米發電機

圖11??TMDCs應用前景展望

【小結】

綜上所述，近年來開發了多種基于TMDCs的可穿戴和可生物降解的生物傳感器，可以評估溫度、電勢、血壓、O2含量和激素水平等關鍵生理指標。下一代智能生物傳感器應該能夠同時檢測多個相互關聯的目標分子，然后通過集成邏輯電路讀取這些分子以進行快速診斷。未來基于TMDCs的腫瘤治療研究應集中在以下幾個方面：1、準確的靶向性、可控的治療劑量；2、可控治療進展和預后；3、能同時治療多種腫瘤的多樣化平臺；4、完善生物降解性，以避免潛在的長期毒性。將生物傳感和治療集成為診斷-治療一體化的可以極大地拓寬TMDCs的生物醫學應用。

深圳大學王路得博士、南京理工大學許多、蔣連福博士為論文共同第一作者。本論文的通訊作者為深圳大學張晗教授、南京理工大學陳翔教授。

文獻鏈接：“Transition Metal Dichalcogenides for Sensing and?Oncotherapy: Status, Challenges, and Perspective”(Adv. Funct. Mater.，2020，10.1002/adfm.202004408)

團隊簡介

南京理工大學 二維電子材料與器件課題組

陳翔，南京理工大學材料學院教授、院長助理。2014年博士畢業于北京科技大學，師從張躍院士。2014年-2018年，獲韓國政府BK21國家博士后獎學金資助，在韓國延世大學從事博士后、研究教授工作，合作導師為Jong-Hyun Ahn教授和John A. Rogers院士，現為“二維電子材料與器件課題組”負責人，主要研究方向：新型二維電子材料的晶圓級可控合成及其在集成電子學、柔性電子學、生物電子學中的應用。主持和參與國家重大科學研究計劃、基金委重點項目、國際合作專項項目、韓國國家研究基金會領導者研究員支持項目、韓國先進軟電子中心全球前沿項目、江蘇省科技計劃項目多項。迄今已取得一批有國際影響力的研究成果，授權中美韓國家發明專利5項，在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等期刊發表SCI論文30余篇，SCI他引總和1400余次，H因子21，封面文章4篇。目前擔任Mater. Today、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、J. Am. Chem. Soc.等期刊的審稿人。

課題組主要依托南京理工大學“新型顯示材料與器件工信部重點實驗室”。該實驗室由國家杰青、“萬人計劃” 領軍人才曾海波教授創建，2016年獲工信部認定，依托“材料學”與“光學工程”國家重點學科、“軍用關鍵材料”國防特色學科，面向光電成像顯示等軍民重大需求，立足光電材料與器件領域前沿，開展多學科交叉前瞻性基礎研究，開發軍民應用關鍵技術，培育卓越人才。該實驗室面積3500余平方米，實驗室設備費原值4500萬以上，擁有先進的計算仿真系統、材料可控合成系統、材料表征檢測系統、以及相關電子器件性能分析與測試系統。

陳翔?教授

深圳大學 二維材料孔雀團隊

張晗，深圳大學特聘教授、博士生導師。2006年本科畢業于武漢大學，獲理學學士學位；2011年博士研究生畢業于新加坡南洋理工大學，獲工學博士學位。2011年入選教育部“新世紀優秀人才支持計劃”，2012年國家優秀青年科學基金獲得者，2018年入選全球高被引用科學家、獲教育部科技二等獎、獲中國產學研合作創新獎（個人），2019年獲得美國光學學會fellow、深圳市自然科學獎，廣東省特支計劃領軍人才。主持（完成）國家自然科學基金青年科學基金項目、深港創新圈項目、深圳市發改委等國家級項目32項，省級18項，其他項目60項。發表SCI論文300余篇，70余篇ESI高引用論文，總引用次數> 32000，H因子102。

課題組依托深圳大學二維材料國際合作聯合實驗室。該實驗室于2017年獲教育部批準成立，是二維材料研究領域第一個國際合作聯合實驗室。聯合實驗室集中了深圳大學光電協同創新中心、新加坡國立大學先進二維材料和石墨烯研究中心、美國羅格斯大學材料科學與工程系等多個科研機構的研究資源，并邀請澳門大學應用物理及材料工程研究所和沙特阿拉伯國王科技大學的二維材料研究實驗室加入，形成資源、優勢互補。長期與美國紐約醫學院曹義海院士團隊、美國紐約州立大學Paras N. Prasad教授團隊保持高級戰略合作伙伴關系。

張晗 教授

文獻推薦

  1. CVD-grown monolayer MoS2in bioabsorbable electronics and biosensors,?Nature Communications, 2018, 9, 1690.
  2. Degradation behaviors and mechanisms of MoS2crystals relevant to bioabsorbable electronics,?NPG Asia Materials, 2018, 10, 810.
  3. Biodegradable and Bioabsorbable Sensors Based on Two-Dimensional Materials,?Journal of Materials Chemistry B, 2020, 8, 1082-1092.
  4. Highly Flexible Hybrid CMOS Inverter Based on Si Nanomembrane and Molybdenum Disulfide,?Small,2016, 12, 5720.
  5. Lithography-free plasma-induced patterned growth of MoS2and its heterojunction with graphene,?Nanoscale, 2016, 8, 15181.
  6. MoS2-Based Tactile Sensor for Electronic Skin Applications, Advanced Materials,2016, 28, 2556.
  7. Ultrasmall Black Phosphorus Quantum Dots: Synthesis and Use as Photothermal Agents. Angewandte Chemie,International Edition, 2015, 54, 11526-11530.
  8. Black Phosphorus: Black Phosphorus Nanosheets as a Robust Delivery Platform for Cancer Theranostics. Advanced Materials, 2016, 29, 1603276.
  9. Black phosphorus quantum dot based novel siRNA delivery systems in human pluripotent teratoma PA-1 cells. Journal of Materials Chemistry B, 2017, 5, 5433.
  10. TiL4-Coordinated Black Phosphorus Quantum Dots as an Efficient Contrast Agent for In Vivo Photoacoustic Imaging of Cancer. Small, 2017, 13, 1602896.
  11. MXene-Enabled Electrochemical Microfluidic Biosensor: Applications toward Multicomponent Continuous Monitoring in Whole Blood.Advanced Functional Materials, 29, 2018, 1807326.
  12. Eradication of tumor growth by delivering novel photothermal selenium-coated tellurium nanoheterojunctions. Science Advances, 2020, 6, eaay6825.

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