黑磷

MaterialSciences材料科學(xué),2020,10(8),655-667

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/10.12677/ms.2020.108080

文章引用:李景果,韓奉奇.黑磷納米片層的制備方法及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].材料科學(xué),2020,10(8):655-667.

DOI:10.12677/ms.2020.108080

PreparationofBlackPhosphorus

NanosheetsLayerandItsApplication

inBiomedicalField

JingguoLi1,2,3*,FengqiHan1,2,3

1HenanProvincePeople’sHospital,ZhengzhouHenan

2ZhengzhouUniversityPeople’sHospital,ZhengzhouHenan

3SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ZhengzhouUniversity,ZhengzhouHenan

Received:Aug.5th,2020;accepted:Aug.21st,2020;published:Aug.28th,2020

Abstract

BlackPhosphorus(BP),anew2Dmaterialthatownsmanyuniqueandexcellentproperties,has

icular,itslayer-dependentbandgap,large

surface-area-to-volumeratio,biodegradabilityandbiocompatibilitymakeitanidealcandidatefor

photothermaltherapy,edtoother2Dmaterials,

BPisconstitutedbyPhosphorus(P),whichisrequiredbythehumanbodyandthusitixpected

ghblackphosphorushas

manyadvantages,it’ssurfaceinstabilityduetochemicaldegradation,whichhindersitsapplication.

ThisreviewnotonlyprovidesacomprehensivesummaryonBPpreparationandbiomedicalap-

plicationsbutalsolookingforwardthefuturepossibilities.

Keywords

BlackPhosphorus,2DMaterials,PhotothermalTherapy,PhotodynamicTherapy,DrugDelivery,

BiomedicalApplications

黑磷納米片層的制備方法

及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

李景果1,2,3*，韓奉奇1,2,3

1河南省人民醫(yī)院，河南鄭州

2鄭州大學(xué)人民醫(yī)院，河南鄭州

3鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州

*通訊作者。

李景果，韓奉奇

DOI:10.12677/ms.2020.108080656

材料科學(xué)

收稿日期：2020年8月5日；錄用日期：2020年8月21日；發(fā)布日期：2020年8月28日

摘要

黑磷(BlackPhosphorus,BP)是一種新型的二維材料，由于其獨(dú)特、優(yōu)異的性能，越來越受到研究者的

關(guān)注。黑磷的能帶間隙隨層數(shù)的變化而變化，且具有高的比表面積、優(yōu)良的生物相容性和生物可降解性。

這些優(yōu)異的性能使黑磷在生物應(yīng)用領(lǐng)域具備了無限的潛力，如在光熱治療(photothermaltherapy,PTT)、

光動(dòng)力治療(photodynamictherapy,PDT)、藥物載體等方面。相較于其他二維材料，黑磷全部由磷元素

構(gòu)成，當(dāng)黑磷被應(yīng)用于體內(nèi)時(shí)可以有效避免人體內(nèi)部發(fā)生免疫反應(yīng)并有效減少誘發(fā)毒性的可能性。雖然

黑磷具備廣闊的應(yīng)用前景，但是黑磷在空氣中極度不穩(wěn)定且容易被氧化而失效，該性能嚴(yán)重限制了黑磷

的應(yīng)用。本文不僅總結(jié)了黑磷納米片層的制備方法及如何防止黑磷納米片層氧化的方法，而且對(duì)黑磷在

生物醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用的研究進(jìn)展和未來的發(fā)展前景進(jìn)行了綜述和展望。

關(guān)鍵詞

黑磷，二維材料，光熱治療，光動(dòng)力治療，藥物載體，生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

Copyright2020byauthor(s)andHansPublishersInc.

ThisworkislicendundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicen(CCBY4.0).

/licens/by/4.0/

1.引言

自從Novolov和Geim在2004年發(fā)現(xiàn)了石墨烯，二維納米材料因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在科學(xué)

技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用[1]。與傳統(tǒng)的材料相比，二維納米材料具有較大的比表面積，可用

于功能修飾和負(fù)載“貨物”，且其單原子層具有優(yōu)異的光物理和光化學(xué)特性，這有利于開發(fā)組合策略的

新型多功能納米平臺(tái)[2]。特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，二維納米材料在光學(xué)成像、生物傳感、光療、靶向給

藥等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，二維納米材料的實(shí)際應(yīng)用受到其固有缺陷的限制。如氧化石墨烯

(GrapheneOxide,GO)[3][4]、六方氮化硼(hexagonalboronnitride,hBN)[5]、層狀雙金屬氫氧化物(layered

doublehydroxides,LDHs)[6]、共價(jià)有機(jī)框架(covalent–organicframeworks,COFs)[7]等二維材料的元素組

成均包含了人體無法降解的元素，潛在的生物毒性限制了它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。

通常，生物醫(yī)學(xué)納米平臺(tái)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是制備具有低毒性的材料體系。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人們已經(jīng)

開發(fā)了許多方法，如延長(zhǎng)血液循環(huán)時(shí)間、快速排出體外等，來減少健康器官對(duì)有害物質(zhì)的吸收。磷(P)是

人體每天需要的元素，約占體重的1%左右，這說明了磷在新陳代謝中的重要性和它的高生物相容性[8]。

磷通常有三種同素異形體，分別是白磷、紅磷和黑磷。黑磷(Blackphosphorus,BP)是磷的最穩(wěn)定的同素

異形體[9]，最早被發(fā)現(xiàn)于1914年[10]，具有優(yōu)良的生物相容性和生物可降解性，并且在近紅外波段激光

的照射下，可以產(chǎn)生大量的氧自由基(Reactiveoxygenspecies,ROS)并產(chǎn)生熱量，這使得黑磷在光熱治療

(photothermaltherapy,PTT)和光動(dòng)力治療(photodynamictherapy,PDT)中展現(xiàn)出了無限的潛力。

塊狀黑磷晶體可以被剝離成結(jié)構(gòu)為單原子層的納米片，其帶隙可根據(jù)層厚調(diào)節(jié)，從0.3eV(塊狀)到

2.0eV(單層納米片)不等[11]。同時(shí)黑磷也具備了二維材料的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)——高的比表面積，這些超薄的黑

磷納米薄片已經(jīng)在電池[12][13]、場(chǎng)效應(yīng)晶體管[14][15]、電子/光電器件[16]和氣體傳感器[17]等方面有

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著廣泛的應(yīng)用。這些優(yōu)異的物理化學(xué)性能使得黑磷納米片層同高分子納米膠束、囊泡和其他二維材料等

載藥體系相比可以負(fù)載更多的“貨物”，并更適合于設(shè)計(jì)、制備多功能–協(xié)同治療平臺(tái)。迄今為止，研

究者對(duì)黑磷的制備和應(yīng)用做了廣泛而系統(tǒng)的研究，本文詳細(xì)介紹了多種黑磷的制備過程，討論了防止黑

磷在空氣中分解的方法及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，其中包括癌癥治療(光熱治療、光動(dòng)力治療、藥

物傳輸)和生物成像，并對(duì)黑鱗未來的發(fā)展前景做了展望。

2.制備黑磷納米片層步驟：

塊狀黑磷在上個(gè)世紀(jì)時(shí)就被成功的制備，1914年布里奇曼在溫度200℃，平均壓力1.2GPa的條件

下成功的將白磷轉(zhuǎn)換為黑磷，塊狀黑磷是一種典型的層狀類石墨材料[10]。制備黑磷納米片層的方法可以

分為Top-Down法(如，機(jī)械剝離法和液相剝離法)和Bottom-Up法(化學(xué)沉積法(CVD)和濕化學(xué)法)[18]。

目前已經(jīng)報(bào)道了多種制備超薄黑磷納米片層的方法(圖1)。

ofthesyntheticmethodfornanosheets-BP

圖1.黑磷納米片層的制備方案[18]

-Down法制備黑磷納米片層

2.1.1.機(jī)械剝離法

黑磷由于其層間的范德華力較弱，所以通過機(jī)械力就可以獲得超薄的黑磷納米片層。機(jī)械剝離是獲

得薄層材料的常用方法之一。利用膠帶粘結(jié)的方法可以制備厚度為0.85nm的單層黑磷納米片，且通過

實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算證明了黑磷的帶隙值隨層數(shù)的變化而變化[14]。然而，通過機(jī)械剝離法的產(chǎn)率很低，而且

得到的黑磷納米片層的形貌也不均勻、缺陷較多。

2.1.2.

液相剝離法

2014年，Brent和他的同事首次報(bào)道了采用液相剝離法制備得到了黑磷納米片層[19]。黑磷在N-甲基

吡咯烷酮(NMP)溶液中進(jìn)行超聲剝離，離心后就可以得到橫向尺寸約為200nm的黑磷納米片層。與傳統(tǒng)

的機(jī)械剝離法相比，液相剝離法是一種更有效的方法，而且該方法可以在一定程度上控制黑磷納米片層的

形貌和粒徑大小。在隨后的研究中，研究者通過改變超聲時(shí)間、功率及溶劑，如NMP[20]、DMSO[21]

等實(shí)驗(yàn)參數(shù)來控制黑磷納米片層的尺寸，并且發(fā)現(xiàn)額外加入NaOH溶液后可明顯提高黑磷納米片層的產(chǎn)率，

這可能是因?yàn)轱柡腿芤嚎梢杂行岣吆诹准{米片層的剝離效率[22]。Wang等的研究表明塊狀黑磷在NMP

溶液中冰浴超聲8h后黑磷納米片層的尺寸約為200nm[20]；Tao等將塊狀黑磷置于蒸餾水中并使用探針

超聲12h后，黑磷納米片層的尺寸約為100nm[23]；Sun等的研究表明使用液相剝離法制備黑磷納米片

層時(shí)，結(jié)合水浴超聲和探針超聲可以有效控制黑磷納米片層的尺寸，使黑磷納米片層更加規(guī)則，當(dāng)探針超

聲3h(1200w)、水浴超聲10h(300w)時(shí)黑磷納米片層的尺寸可以均勻的達(dá)到2.61.8nm[24](圖2)。

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(a)Synthesisandsurfacemodification.(b)TEMimage.(c)MagnifiedTEMimage.(d)HRTEMimage.(e)AFMimage.(f)Heightprofiles

alongtheredlinesin(e).

sisandcharacterizationoftheBPQDs

圖2.黑磷納米量子點(diǎn)的制備和表征[24]

-Up法制備黑磷納米片層

2.2.1.化學(xué)氣相沉積法(CVD)

CVD法已廣泛應(yīng)用于石墨烯和TMDCs等材料的大規(guī)模器件制備。然而，使用CVD方法制備黑磷的

方法相對(duì)較少。其原因可能是黑磷表面具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，當(dāng)暴露于空氣中時(shí)，容易與氧氣發(fā)生反應(yīng)，

導(dǎo)致黑磷表面非常脆弱，不利于黑磷的生長(zhǎng)。然而，成功制備其他具有表面強(qiáng)化活性的單層2D材料(如

硅烯、鍺和錫)將為BP的CVD生長(zhǎng)提供參考[25]。CVD法可以控制黑磷的摻雜量和厚度，并得到結(jié)晶性

良好的黑磷[26]。

2.2.2.

濕化學(xué)法

此外，濕化學(xué)法是一種廣泛使用的自下向上獲取二維材料的方法。Zhang等首次通過化學(xué)溶劑熱反

應(yīng)制備得到了黑磷納米片層[27]。

3.防止黑磷納米片層氧化的方法

黑磷在空氣中的化學(xué)活性較強(qiáng)，易于同空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)而被降解為磷酸鹽，所以為了使黑磷

可以長(zhǎng)時(shí)間保存并進(jìn)一步擴(kuò)寬其應(yīng)用范圍，可以對(duì)黑磷納米片層進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫘揎椈虮砻娓男裕m然

表面修飾可以有效防止黑磷降解，但是過度的表面修飾可能會(huì)對(duì)黑磷本身的性能產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)。

當(dāng)黑磷應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域時(shí)，黑磷納米片層良好的生物降解性是一把雙刃劍，過快的降解可能無

法達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期的效果甚至?xí)?dǎo)致生物體器官功能的損害。特別是在富含水、氧等分子的復(fù)雜生理環(huán)境

中，會(huì)極大促進(jìn)黑磷納米片的降解。因此，將黑磷納米片應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)是如何在生理

環(huán)境中減緩黑磷納米片的降解，或是如何以可控的方式調(diào)節(jié)黑磷納米片的降解。

目前，黑磷的降解一般被認(rèn)為是氧與黑磷中P原子(P

0

)的長(zhǎng)對(duì)電子發(fā)生反應(yīng)生成氧化磷，而氧化磷很

容易被水分子除去，所以暴露在空氣中的P

0

持續(xù)被氧化而被降解。為了保持黑磷的生物相容性，降低材

料的毒性，比較常用的方法是在黑磷納米片層表面以分子間作用力連接大分子高分子材料進(jìn)行表面修飾，

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如聚乙烯二醇(polyethyleneglycol,PEG)[23](圖3)、聚乙烯亞胺(polyethyleneimine,PEI)[28][29]等。高分

子修飾過后的黑磷不僅可以有效防止降解，而且表面的高分子基團(tuán)可以為我們之后的載藥等提供更多的

反應(yīng)位點(diǎn)，在一定程度上提高材料體系的載藥量。

1:PEG-NH

2

(surfacemodification),2:DOX(therapeuticagents),3:Cy7-NH

2

(NIR

imagingagents),4:FA-PEG-NH

2

(targetingagents),5:FITC-PEG-NH

2

(flu老九門主題曲 orescent

imagingagents).

ticreprentationofthePEGylatedBPtheranosticdelivery

platform

圖3.將PEG負(fù)載至黑磷納米片層表面修飾黑磷納米薄片防止黑磷降解[23]

4.黑磷納米片層在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

生物安全性是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的首要要求。因此，生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的納米材料在進(jìn)一步應(yīng)用之前應(yīng)經(jīng)過

嚴(yán)格的生物安全測(cè)試。到目前為止，Lee和他的同事使用MTT法檢測(cè)了黑磷納米片層的細(xì)胞毒性，結(jié)果

表明1mg/mL的黑磷溶液不會(huì)對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生毒性[30]，表明黑磷納米片層擁有良好的生物相容性

和低的細(xì)胞毒性。

4.1.光照療法

光熱治療(PhotothermalTherapy,PTT)、光動(dòng)力治療(PhotodynamicTherapy,PDT)作為替代傳統(tǒng)癌癥治

療方法，具有侵襲性小、治療效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前比較常用的治療劑分為貴金屬顆粒(金、銀等)、碳類材料

(石墨烯、碳納米管等)、金屬與非金屬的化合物(硫化銅、硫化鋅等)及高分子材料。這些材料均存在在人

體內(nèi)無法降解的問題，而黑磷作為一種新型的二維材料，在體內(nèi)可以完全被降解，而且其能帶間隙隨層

數(shù)的變化而變化，光熱轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于之前的傳統(tǒng)光熱劑。

4.1.1.

光動(dòng)力治療

光動(dòng)力治療(PhotodynamicTherapy,PDT)是治療癌癥的新型方法，將光敏劑送入體內(nèi)的特定位置，然

后使用激光照射該區(qū)域，進(jìn)而產(chǎn)生氧自由基(Reactiveoxygenspecies,ROS)殺死腫瘤細(xì)胞。

Wang等采用液相剝離法制備了尺寸為200~500nm的黑磷納米片層，并使用1,3-二苯基異苯并

呋喃(diphenylisobenzofuran,DPBF)來表征ROS的產(chǎn)生效率，結(jié)果表明在氧氣氣氛下黑磷納米片層的

ROS產(chǎn)生量隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)且遠(yuǎn)高于塊狀黑磷的ROS產(chǎn)生效率，而在氮?dú)鈿夥障拢诹准{米片

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層幾乎沒有產(chǎn)生ROS，表明黑磷納米片層不能在有氧環(huán)境中保存而在惰性氣體保護(hù)的條件下很穩(wěn)定

[20](圖4)。

Lv等成功制備出了氨基化黑磷納米片層，并使用650nm、808nm、980nm波長(zhǎng)的近紅外光照射黑

磷納米片層并使用DPBF表征ROS的產(chǎn)生效率。結(jié)果表明在三種波長(zhǎng)的照射下，ROS的產(chǎn)生量基本沒有

變化，表明黑磷在近紅外端的激光照射下均可以產(chǎn)生ROS，且產(chǎn)生ROS的量變化不大[31]。

(a)eetsinO

2

atmosphere;(b)eetsinN

2

atmosphere;(c)eetswithadding5mg

NaN

3

;(d);(e)Blank;(f)IllustrationofthereactionfromDPBFtoDPBFendoperoxidebysingletoxygen

ctionswereconductedunderXe

lampwith600nmcut-offfilterinethanol

圖4.在600nm激光照射下，黑磷在不同氣氛中的降解程度[20]

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4.1.2.光熱治療

光熱治療(PhotothermalTherapy,PTT)是將具有較高光熱轉(zhuǎn)換效率的材料注射入人體內(nèi)部，利用靶向

性識(shí)別技術(shù)將該材料聚集在腫瘤組織附近，然后在外部激光的照射下將光能轉(zhuǎn)化為熱能從而殺死癌細(xì)胞

的一種治療方法。

Wang等將塊狀黑磷剝離為單層黑磷納米薄片后對(duì)其進(jìn)行了PEI表面修飾(BP-PEI)，并測(cè)試了BP-PEI

水溶液在808nm波長(zhǎng)光的照射下的光熱轉(zhuǎn)換效率，結(jié)果表明照射10分鐘后，水溫可以上升18℃左右，

且隨著BP-PEI濃度的增大，光照后溶液溫度的幾乎沒有差別。隨后對(duì)BP-PEI水溶液進(jìn)行反復(fù)光照–光滅

實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在每次循環(huán)中，溶液的溫度增加量沒有變化，表明黑磷的光熱效應(yīng)具有可循環(huán)性[29](圖

5(a)~(b))。

Yang等成功制備出氨基化黑磷納米薄片，并對(duì)其進(jìn)行了載藥處理最終制備出了BP@PDA-Ce6&TPP

NS復(fù)合材料并研究了該材料的光熱轉(zhuǎn)換效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在660nm波長(zhǎng)光的照射下，溶液溫度的上

升度數(shù)隨溶液濃度增大而增大，當(dāng)濃度達(dá)到50g/ml時(shí)，光照10min后，水溫可以上升17℃左右。該課

題組同時(shí)也改變了光照密度對(duì)光熱轉(zhuǎn)換效率的影響，研究結(jié)果表面，隨近紅外光光照密度的增大，在相

同的溶液濃度和光照面積的情況下，溶液產(chǎn)生的熱量也在不斷增加[28](圖5(c)~(d))。

Figure5.(a)Photothermalheatingchangecurvesofpurewat感恩節(jié)的文章 erandBP-PEInanosheetssolutionatdifferentconcentration

under808nmlarirradiation(1.0W/cm2)for10min;(b)HeatingoftheBP-PEI(50g/mL)nanosheetsfivecyclesofNIR

laron/off(Lar:808nm,1.0W/cm2);PhotothermalheatingprofilesofBP@PDA-Ce6&TPPNSsinaqueoussolutionat

(c)differentconcentrations(660nm,1.0W/cm2,10min);and(d)differentpowerdensity(50g/mL)

圖5.(a)在808nm波長(zhǎng)光照射下黑磷溶液溫度上升量；(b)循環(huán)試驗(yàn)，表明黑磷的光熱效應(yīng)具有可循環(huán)性[29]；(c)使

用660nm波長(zhǎng)光照射不同濃度的BP@PDA-Ce6&TPPNS溶液，隨濃度的增加溫度的上升量增加；(d)使用不同光

照密度的光照射50g/ml的BP@PDA-Ce6&TPPNS溶液，隨光照密度的增加溫度的上升量增加[28]

4.2.藥物載體

黑磷作為一種新型的二維材料，它仍具備二維材料的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)——巨大的比表面積，所以相較于高

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分子載藥體系，當(dāng)載體質(zhì)量相同時(shí)，黑磷可以負(fù)載更多的藥物，以提高治療效率；較之于金屬載藥體系，

載藥量不僅有所提升，而且黑磷在體內(nèi)呈現(xiàn)出易降解、低毒性的優(yōu)異性能，這使得黑磷在藥物載體方面

天生具備巨大的潛能。

Chen等將阿霉素(DOX)負(fù)載至黑磷納米片層表面，成功制備出BP-DOX復(fù)合材料，并研究了該復(fù)合

材料的抗腫瘤性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，黑磷對(duì)DOX的載藥量遠(yuǎn)高于石墨烯、二硫化鉬等二維材料，而且黑

磷的給藥系統(tǒng)表現(xiàn)出pH/光響應(yīng)性釋放特性，在酸性腫瘤微環(huán)境下藥物釋放加速，由于黑磷納米片層的

光熱效應(yīng)，在808nm激光照射下可以進(jìn)一步促進(jìn)藥物釋放。重要的是，黑磷納米片層的特性使得該材料

能夠同時(shí)作為高效的PDT和PTT試劑。協(xié)同光動(dòng)力/光熱/化療于一體的黑磷納米片層載藥體系，實(shí)現(xiàn)了

良好的體內(nèi)抗腫瘤治療效果[32](圖6(a)~(c))。

Yin等在BP-QDs表面成功負(fù)載了小干擾RNA(siRNA)，并檢測(cè)出BP-QDs-LSD1siRNA復(fù)合材料較

市場(chǎng)上的藥劑相比該復(fù)合材料可以更顯著抑制LSD1mRNA的表達(dá)，且在濃度高達(dá)5mg/ml時(shí)仍表現(xiàn)出

較低的毒性和生物相容性，并在同近紅外光聯(lián)合作用后，細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制率在80%以上[33](圖6(d)~(e))。

ivoantitumorstudyofBP-DOX.(a)InvivophotothermaleffectofBPandBP-DOXwith808nmlar

irradiationascontrol;(b)Tumorgrowthcurvesoftumor-bearingmiceafterdifferenttreatments;(c)Digitalphotoofrep-

abilitytestsofdifferentBP-QDnanocomplexeswithNIRlight;

(d)V枯瘦如柴 iabilityofcellsafterincubationwithBP-QDs@PAHatvaryingconcentrationsupto5mg/mLfor48hours.(e)Relative

cellviabilitiesofPA-1cellstreatedwithdifferentBP-QDnanocomplexeswithoutorwithNIRlightfor4and48hours

圖6.(a)808nm激光照射檢測(cè)BP和BP-DOX的體內(nèi)光熱效應(yīng)；(b)(c)不同材料在不同波長(zhǎng)光的照射下，抑制腫瘤

塊的生長(zhǎng)情況[32]，(d)(e)檢測(cè)不同濃度BP-QDs@PAH的細(xì)胞毒性[33]

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4.3.生物成像

4.3.1.光聲成像

黑磷納米片層除了用于PPT、PDT和藥物載體外，還可以用于腫瘤的光聲成像。光聲成像是一種高

對(duì)比度、高分辨率的腫瘤組織成像技術(shù)，它采用了光學(xué)成像和超聲成像相結(jié)合的新技術(shù)。當(dāng)光照射納米

藥物時(shí)，納米藥物可以吸收光從而產(chǎn)生熱膨脹，同時(shí)產(chǎn)生超聲波，根據(jù)超聲波信號(hào)對(duì)納米藥物進(jìn)行體內(nèi)

成像。由于黑磷的光熱特性和光聲信號(hào)，黑磷可用于體內(nèi)光聲成像。

2016年，Sun等制備了水溶性和生物相容性兼具的聚乙二醇化黑磷納米顆粒(BP-PEG)，并展示了

BP-PEG納米顆粒的PA圖像。他們報(bào)道了納米顆粒的濃度與PA信號(hào)的增強(qiáng)呈線性關(guān)系。靜脈注射聚乙

二醇化黑磷納米顆粒后，腫瘤保留的信號(hào)強(qiáng)度高于肝、腎，表明腫瘤中保留的BP納米顆粒比肝臟或腎

臟中保留的多。這一結(jié)果也顯示了聚乙二醇化黑磷納米顆粒在腫瘤中保留時(shí)間長(zhǎng)，易于從肝臟和腎臟排

出[34](圖7)。

-vitrophotoacousticimagesofPEGylatedBPnanoparticlessolutions(firstrow),andin-vivopho-

toacousticimagesofliver,kidney,andtumorobtainedatdifferenttimeintervalsafterintravenousinjectionof

PEGylatedBPnanoparticles,incomparisonwiththecorrespondingpre-contrastimages

圖7.不同時(shí)間不同器官BP-PEG納米顆粒的光聲圖像[34]

4.3.2.熒光成像

黑磷納米片層具有層數(shù)依賴的熒光光譜，較薄的黑磷納米片層在775nm處表現(xiàn)出很強(qiáng)的峰值并發(fā)出

熒光，而較厚的黑磷納米片則沒有這種特征。

Lee等采用改進(jìn)的液相剝離法制備了平均直徑為10nm的黑磷熒光納米量子點(diǎn)。由此獲得的黑磷納米

量子點(diǎn)可以在HeLa細(xì)胞中發(fā)出多種顏色的光致發(fā)光(分別為488nm和358nm下的綠色和藍(lán)色光致發(fā)光)。

黑磷納米量子點(diǎn)具有良好的生物相容性和較低的細(xì)胞毒性，并具有自發(fā)降解性，這表明黑磷納米量子點(diǎn)

在生物成像和細(xì)胞跟蹤領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力[30](圖8)。

李景果，韓奉奇

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材料科學(xué)

ConfocalmicroscopyimagesofliveHeLacellsafter12hincubationwith1mg/mLBP-nanodotssuspension.(a)(d)

brightfield(BF);and(b)(e)fluorescence(FL),andmerged書法欣賞網(wǎng) (c)(f)ionofBP-nanodotsfluorescencewas

achievedbyexcitationat(b)358nmand(e)488nm,witha30mWArgonlar

oimagingofBP-nanodots.

圖8.黑磷納米量子點(diǎn)的熒光成像圖[30]

4.3.3.光熱成像

由于其優(yōu)良的光熱轉(zhuǎn)換效率，黑磷可用于近紅外熱成像分析。Shao等制備了生物可降解正規(guī)收款收據(jù) 的

BPQDs/PLGA納米顆粒，以增強(qiáng)黑磷的光熱穩(wěn)定性。將BPQDs/PLGA納米顆粒注射在小鼠體內(nèi)，小鼠的

溫度可以在10分鐘內(nèi)迅速從32.5℃升高到58.5℃，而PBS僅升高6.2℃[35]。Yang等在功能化黑磷納

米片層的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種靶向光熱/光動(dòng)力納米材料體系以抑制腫瘤的生長(zhǎng)：使用多巴胺(PDA)將黑

磷包裹后，再將氯離子(Ce6)和三苯基膦(TPP)聯(lián)接至該材料體系中。近紅外光照射10min后，腫瘤部位

的溫度迅速升高[28](圖9(a))。Sun等采用改進(jìn)的機(jī)械剝離法制備得到了PEG化黑磷納米顆粒。他們的研

究表明，在808nm激光照射5min后，腫瘤的溫度迅速升高25℃[34](圖9(b))。

5.黑磷目前存在的問題

相較于石墨烯、二硫化鉬等二維材料，研究者對(duì)黑磷材料體系的研究還不夠深入，仍處于探索階段，

所以黑磷在生物方面的應(yīng)用仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。

在黑磷制備方面，因?yàn)槠渲苽涔に噺?fù)雜、成品率較低，所以市場(chǎng)上的塊狀黑磷的價(jià)格較為昂貴，而

真正用于生物應(yīng)用的黑磷納米薄片目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。黑磷在空氣和光照情況下易降解，所以

黑磷的保存是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。而且，如何使用高效、方便的方法制備出尺寸均勻的黑磷納米薄片，

并精確控制黑磷納米片層的參數(shù)，如尺寸、層數(shù)和表面官能團(tuán)等，也是難點(diǎn)之一。

黑磷本身在降解性和穩(wěn)定性方面就有一定的矛盾，由于磷原子外層有孤對(duì)電子，所以磷元素具有高

度還原性，易被氧化成磷酸鹽。黑磷納米片層具有良好的光熱性能和生物相容性，是一種很有前景的治

療藥物，但由于其在體內(nèi)循環(huán)過程中易被降解，在體內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用仍然受到限制。然而，黑磷本身的不

李景果，韓奉奇

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穩(wěn)定性有利于其生物降解，又在一定程度上促進(jìn)了黑磷在體內(nèi)的應(yīng)用。因此，應(yīng)探索合適的方法來平衡

黑磷的降解性和穩(wěn)定性。

Figure9.(a)IRthermalimagingofmiceafterinjectionofBP@PDANSsorBP@PDA-Ce6&TPPNSsunderlarillumi-

-vivophotothermaltherapyusingPEGylatedBPnanoparticles.(b)Thermalimagesofmicebearing4T1

tumorsafterinjectionofphosphatebufferedsaline(PBS)(column1)orPEGylatedBPnanoparticles(column2),followed

byexposureto808nmlarirradiation(2.0W/cm2,5min)

圖9.(a)BP@PDANSs和BP@PDA-Ce6&TPPNSs的紅外熱成像圖[28]；(b)PEG化黑磷納米顆粒的紅外熱成像圖[34]

在目前的研究結(jié)果中可以看出，黑磷在體內(nèi)可以被降解為磷酸鹽，從而顯示為低毒性，但是黑磷在

體內(nèi)的降解過程仍處于研究階段，對(duì)黑磷的降解機(jī)制仍不清楚，所以長(zhǎng)期使用黑磷基材料體系是否會(huì)引

起體內(nèi)金屬離子(如鈣、鎂)的流失或是產(chǎn)生磷酸鹽離子局部過量而導(dǎo)致中毒等問題仍需深入研究。

6.總結(jié)與展望

黑磷作為一種新型的二維材料，因獨(dú)特、優(yōu)異的物理、化學(xué)性能而使其在眾多生物材料中脫穎而出，

科學(xué)研究工作者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，在治療腫瘤、藥物遞送等方面都有優(yōu)異的表現(xiàn)。然而，黑鱗的

研究仍存在很多問題，首先在制備方面，液相剝離法雖然可以比較有效的控制黑磷納米薄片的尺寸、厚

度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，但是因復(fù)雜的制備工藝而無法大批量的生產(chǎn)。黑磷自身的穩(wěn)定性和生物降解性是個(gè)有趣

而復(fù)雜的關(guān)系，未經(jīng)表面修飾的黑磷因在空氣中極易被降解而無法在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用，在目前的研究中

通過對(duì)黑磷表面進(jìn)行表面修飾可以有效提高黑磷在空氣環(huán)境下和在人體內(nèi)部的穩(wěn)定性，這就意味著黑磷

可以在體內(nèi)中存在更長(zhǎng)的時(shí)間，但目前對(duì)黑磷在生物安全方面的研究非常匱乏，仍要進(jìn)行進(jìn)一步的系統(tǒng)

評(píng)估。在生物應(yīng)用方面，黑磷是一種新型的光熱/光動(dòng)力治療和光聲成像納米載體，是非常有潛力的生物

材料體系。

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