摘要 二維納米材料具有高的電導率、良好的生物相容性、獨特的納米片結構、大表面積，以及優異的熱性能、光性能和機械性能，在藥物遞送、生物傳感、多模式成像、抗菌劑群組織工程方面具有較大的用途，在生物醫學領域具有極大的潛力。文章總結了幾種二維納米材料包括磷酸锆、層狀雙金屬氫氧化物、黑磷、硼納米片和碲化錫的特性以及在藥物遞送、腎透析、癌症治療和多模式成像中的應用進展，最後展望二維納米材料的發展前景和挑戰。
關鍵詞 二維納米材料，磷酸锆，雙金屬氫氧化物，黑磷，硼納米片，碲化錫，生物醫學
01引 言
二維納米材料代表一類新型納米材料，具有大的橫向尺寸與厚度比。因為其獨特的實體化學性質而在各個領域受到了廣泛的關注，比如電子材料、光電材料、能源材料以及生物醫學領域[1，2]。石墨烯的出現以及在各個領域的廣泛應用也促使研究人員對其他二維納米材料進行探索研究，如磷酸锆[3—8]、層狀雙金屬氫氧化物[9—12]、黑磷[13—18]、硼納米片[19，20]和碲化錫[21]。這些二維納米材料具有平面結構以及非凡的實體化學性質，如大的表面積、良好的生物相容性、獨特的納米結構以及優異的表面化學功能，使其廣泛應用于生物醫學領域[22—28]。圖1是常見的一些二維納米材料在生物醫學領域中的應用執行個體[29]。
圖1 常見的一些二維納米材料在生物醫學領域的應用執行個體[29]
二維納米材料具有大的比表面積及良好的生物相容性，通過插層或者剝離成片作為生物大分子或者某些藥物的載體，且具有良好的控釋功能，可實作疾病的定點靶向治療，在提高藥物生物利用度的同時降低藥物的毒副作用[3，12，18，20]。此外，一些功能性納米顆粒，如金納米顆粒[30]、四氧化三鐵納米顆粒[31]和一些無機量子點[32]，可以吸附在二維納米材料表面，具有電化學性質和放射性特性，可用于多模式成像及診斷應用。許多類型的二維納米材料表現出對近紅外光的強吸收，使其成為重要的光敏劑及光聲造影劑，結合光聲成像與光熱治療可用于惡性良性腫瘤的監測與治療[20]。有些二維納米材料具有良好的質子交換能力，能夠較好地吸附NH4+、K+等陽離子，可以作用于腎透析的血液吸附環節，是便攜式“人工腎”裝置的優良吸附劑[8]。
我們将系統總結二維納米材料在生物醫學領域的應用，尤其是在藥物遞送、癌症治療、腎透析、多模式成像等方面的應用進展。首先，我們分别介紹磷酸锆、層狀雙金屬氫氧化物、黑磷、硼納米片和碲化錫幾種二維納米材料的特性，然後分别根據它們具有的特性介紹其在生物醫學領域應用的研究進展，最後在總結二維納米材料研究成果的基礎上，讨論二維納米材料在生物醫學領域未來的發展前景及面臨的挑戰。
02二維納米材料
盡管所有二維納米材料的組成和晶體結構都有顯著差異，但它們仍然可以分為層狀二維納米材料和非層狀二維納米材料。在層狀納米材料中，平面上的原子通過層中的強化學鍵連接配接，而層與層之間通過弱範德瓦耳斯互相作用堆疊在一起形成大塊晶體[33]。層狀材料包括磷酸锆、層狀雙金屬氫氧化物、黑磷、硼納米片和碲化錫等。相比之下，非層狀納米材料中原子通過範德瓦耳斯力或化學鍵在三維結晶，形成大塊晶體，如聚合物和金屬氧化物/硫族化物等[34]。本文中我們主要介紹部分層狀材料的特性及其在生物醫學領域的應用進展。
2.1 磷酸锆
2.1.1 材料特性
磷酸锆，又稱磷酸氫锆(Zr(HPO4)2·nH2O，通常簡記為ZrP)，是酸性無機陽離子交換材料，屬于一類二維層狀化合物。圖2(a)是ZrP的掃描電鏡(SEM)圖，可以看出ZrP呈片狀結構，具有清晰的六邊形輪廓，粒徑分布均勻。圖2(b)是ZrP的結構示意圖，共面的锆原子被夾在兩層單氫磷酸基團之間，每個-HPO42-中的三個氧原子與锆原子共價，而第四個氧原子指向夾層空間并與自由的氫相關聯。它既具有像離子交換樹脂一樣的離子交換性能(源于-HPO42-中的H+)，同時又具有像沸石一樣的吸附能力(源于與二維層的互相吸引)，還具有較高的熱穩定性和較好的耐酸堿性能。α-ZrP的層間距為0.76 nm，具有單斜晶系的結構[8]，以α-ZrP及其衍生物作主體，客體分子克服層與層之間的互相作用力插入層間空隙，通過離子鍵、氫鍵、範德瓦耳斯力等作用可形成特殊的插層結構[3]。ZrP的二維層狀結構使其成為高品質的血液透析吸附劑，主要用于吸附尿素分解後的NH4+，同時也會吸附K+、Ca2+或者Mg2+并釋放Na+或者H+(當使用磷酸氫锆鈉，即ZrP與适量的氫氧化鈉反應，使得一些Na+取代ZrP中H+的位置，NH4+、K+、Ca2+或者Mg2+等可與磷酸氫锆鈉中的Na+或者H+進行離子交換反應)。
圖2 (a)ZrP材料SEM圖；(b)ZrP材料結構示意圖[8]；(c)左圖為ZrP在腎透析領域的應用示意圖[8]，右圖為宣傳圖
2.1.2 在腎透析領域的研究進展
Samsudin等人[8]采用機械化學輔助方法合成了α-磷酸锆鈉(α-Zr(NaPO4)2·H2O，簡稱為α-Na2ZrP)和γ-磷酸氫锆(γ-Zr(PO4)(H2PO4)·2H2O，簡稱為γ-H2ZrP)。這兩種化合物是腎吸附透析系統中的兩個關鍵陽離子NH4+和K+的優秀離子交換劑。如圖2(c)所示，将合成的α-Na2ZrP和γ-H2ZrP用聚丙烯腈(PAN)進行包裹，形成可控制尺寸的PAN封裝ZrP(PAN/ZrP)球形多孔珠。富含NH4+和K+的腎透析液被PAN/ZrP多孔珠進行吸附，同時釋放出Na+或者H+，進而去除透析液中的NH4+和K+，達到淨化血液的目的。實驗表明，α-Na2ZrP對NH4+的最大吸收量為5.5 mmol/g，接近可交換位點的理論極限，在多離子溶液中，γ-H2ZrP是K+的選擇性交換劑，總吸收能力為2.9 mmol/g。由于多孔性，封裝在PAN内部的ZrP能與透析液進行充分的接觸，進而實作NH4+和K+吸收的快速動力學。在這種形式下，PAN/ZrP珠粒可以很容易地在吸附劑筒中被處理，用适當的電解質進行簡單再生，即可完全恢複PAN/ZrP珠的活性，進而能夠進行多次循環使用。
2.2 層狀雙金屬氫氧化物
2.2.1 材料特性
層狀雙金屬氫氧化物(LDH)，也被稱為類水滑石化合物，是一類二維納米材料，化學成分為
，其中M2+和M3+分别為二價和三價金屬陽離子，An−為層間陰離子[35]。LDH的化學組成和晶體結構的多樣性使它們在不同領域具有廣泛的應用，LDH的另一個特征是它們的高電荷密度，這使它們能夠與陰離子部分強烈結合。LDH納米材料雖然具有低毒性，但因為其與陰離子藥物分子、遺傳物質和抗體的非共價結合，LDH藥物遞送系統也引起了科研人員極大的興趣[36]。
2.2.2 載藥性能應用
Zhang等人[12]開發了一種簡單的聚合物輔助合成方法，建構了一種超薄LDH納米片，以最大限度地提高LDH的載藥潛力。圖3(a)采用混合金屬離子與氫氧化鈉共沉澱形成LDH核，然後加入帶負電荷的(低聚(乙二醇)甲基醚丙烯酸酯)嵌段聚(單丙烯酰氧基乙基磷酸酯)(POEGA-b-PMAEP)作為層生長抑制劑和膠體穩定劑以終止成核并促進顆粒沿ab平面生長，在老化後獲得表面偶聯的聚合物修飾的LDH(P-LDH)納米片，最後通過靜電互相作用将抗惡性良性腫瘤藥物阿黴素(DOX)裝載到P-LDH納米片(P-LDH-DOX)上。如圖3(b)所示，P-LDH納米片表現出超高的藥物負載能力，在DOX與P-LDH的進料品質比為1:0.04的情況下，P-LDH納米片的載藥能力可高達734%(DOX/納米顆粒品質比)，并保持35%的相對較高的載藥效率。使用4T1乳腺癌症異種移植白變種實驗室老鼠進一步探索了P-LDH-DOX的體内治療效果，如圖3(c)所示，在沒有藥物負載的情況下，LDH和P-LDH組在治療期間不影響惡性良性腫瘤生長，而LDH-DOX和P-LDH-DOX實作了顯著的惡性良性腫瘤抑制。更具體地說，P-LDH-DOX治療在第12天使惡性良性腫瘤體積減少了76.8±4.5%，顯著大于LDH-DOX(56.4±12.2%)和DOX(42.9±15.1%)。由于P-LDH具有超高負載藥物DOX的能力，并且藥物分子DOX在惡性良性腫瘤微環境和内體酸度觸發的持續方式從P-LDH納米載體中釋放，延長血液循環和提高生物利用度，P-LDH-DOX表現出優異的抗惡性良性腫瘤效果。是以，基于P-LDH納米片是一種很有前途的遞送媒介，在藥物遞送領域具有很大的前景。
圖3 (a)P-LDH-DOX的合成路線；(b)在不同進料品質比下，LDH及P-LDH負載DOX的能力評估；(c)測量生理鹽水、LDH、P-LDH、DOX、LDH-DOX和P-LDH-DOX從第0天到第12天對惡性良性腫瘤體積進行的療效分析
2.3 黑磷納米片
2.3.1 材料特性
黑磷(BP)納米片，一種不含金屬的層狀二維納米材料，由于其優異的生物相容性、良好的生物降解性、近紅外(NIR)誘導的光熱效應和載藥性能，近年來引起了廣泛關注[18，37]。BP納米片作為有效的光動力治療(PDT)和光熱治療(PTT)劑，可用于治療多種疾病，尤其是癌症治療[38]。
2.3.2 載藥性能應用
Jin等人[18]設計了一種基于BP納米片的藥物遞送系統，并研究了負載氟西汀(Flu)的BP納米片的抗抑郁作用。如圖4(a)所示，采用液體剝離法制備BP納米片，并通過靜電互相作用将Flu負載到BP納米片(BP-Flu)上，BP-Flu在808 nm的近紅外光輻射下，Flu從BP納米片中釋放。從圖4(b)中Flu、BP納米片和BP-Flu的ζ電位圖可以看出，BP納米片吸附Flu後的ζ電位從−35 mV變為+15 mV，表明Flu通過靜電互相作用成功吸附在BP納米片表面。人類和小鼠模型研究表明，抑郁症與海馬中腦源性神經營養因子(BDNF)的表達減少高度相關，可以通過抗抑郁治療來緩解。測量BDNF在小鼠海馬中的表達，如圖4(c)所示，與非應激對照組相比，慢性不可預知溫和應激(CUMS)顯著下調了BDNF的mRNA表達，通過近紅外輻射下BP-Flu(BP-Flu-NIR)治療兩周後，能夠使海馬中BDNF表達增加，達到沒有受到CUMS影響小鼠正常BDNF水準。僅采用生理鹽水治療的沒有效果，而且BP-Flu-NIR好于隻采用遊離Flu的治療效果。BP納米片提高了抗抑郁藥物Flu的生物相容性，協同近紅外光熱治療改善血腦屏障的通透性，大大縮短了抑郁症的治療時間。這表明BP-Flu-NIR是一種快速有效的抗抑郁藥物政策，在未來的臨床應用中具有較大的潛力。
圖4 (a)BP-Flu-NIR合成和藥物遞送系統示意圖；(b)Flu、BP納米片和BP-Flu的ζ電位分析圖；(c)每組小鼠BDNF mRNA表達水準的定量聚合酶鍊式反應(qPCR)分析圖
2.4 硼納米片
2.4.1 材料特性
硼(B)納米片因為具有優異的實體和化學性質，如超導性、異常的結構複雜性和高效的光熱轉換效率，進而受到研究人員廣泛關注。硼基材料已被發現具有優異的生物相容性和高化學穩定性，表明其在生物醫學領域具有廣泛的應用潛力[19]，尤其在光熱治療和藥物遞送方面潛力巨大[40]。
2.4.2 多模式成像癌症治療中的應用
Ji等人[20]開發了一種集多模式成像與多手段治療于一體的新型惡性良性腫瘤診斷體系。如圖5(a)所示，首先采用液相剝離和高溫氧化刻蝕技術制備B納米片(B NSs)，然後用帶正電的胺官能化聚乙二醇(PEG-NH2)通過靜電吸附對B NSs進行改性，制備出PEG修飾的B NSs(B-PEG-NSs)，最後對B-PEG-NSs進行藥物和顯像劑的負載。光聲成像(PA)由于具有優異的深層檢測、3D分辨成像、靈敏度、空間分辨率和圖像對比度，已成為促進成像引導的癌症治療的最有前途的生物光子診斷模式之一。B-PEG-NSs表現出優異的光熱性能，是以可以在生物體内評估B-PEG-NSs作為PA劑的潛力，如圖5(b)所示，将攜帶MCF7惡性良性腫瘤的小鼠靜脈注射B-PEG-NSs後在PA儀器上記錄0小時、12小時和24小時的信号。通過體内超聲和780 nm波長的PA圖像，在惡性良性腫瘤部位觀察到非常強的PA信号，證明了它作為癌症成像PA劑的潛力。圖5(c)驗證了負載抗惡性良性腫瘤藥物阿黴素的B-PEG-NSs(B-PEG/DOX NSs)對于體内癌症治療的潛力。第5組使用B-PEG/DOX NSs對惡性良性腫瘤生長表現出極高的抑制作用(化學—光熱聯合治療)，在該組的所有5隻小鼠中，惡性良性腫瘤減小甚至消失且沒有複發。B NSs具有較高藥物(DOX)負載的能力，且可被近紅外光和弱酸性環境觸發藥物釋放，B-PEG/DOX NSs表現出較高近紅外光熱轉換效率和生物相容性，提高DOX生物利用度，表現出優異的抗惡性良性腫瘤效果。是以，B NSs作為多模式成像引導藥物遞送平台的應用具有較高的臨床價值。
圖5 (a)藥物/顯像劑負載B-PEG-NSs的制備流程圖；(b)攜帶MCF7惡性良性腫瘤的小鼠靜脈注射B-PEG-NSs後不同時間間隔(0 h、12 h、24 h)惡性良性腫瘤部位的PA圖像；(c)攜帶MCF7惡性良性腫瘤小鼠在不同條件處理後惡性良性腫瘤大小的變化曲線圖
2.5 碲化錫
2.5.1 材料特性
碲化錫(SnTe)由兩種人體必需元素組成，是一種具有直接帶隙(在300 K下為0.18 eV)的立方晶體結構二維納米材料[38]。SnTe納米結構具有良好的生物相容性、強的量子尺寸效應和近紅外光學活性。是以，最适合作為第二近紅外生物視窗中潛在的光介導診斷成像和治療劑，在生物醫學領域具有很大的應用潛力。
2.5.2 在癌症治療中的應用
Zhang等人[21]報道了一種在近紅外生物視窗II響應的惡性良性腫瘤熒光、光聲成像介導的光熱劑SnTe納米片(SnTe NSs)。如圖6(a)所示，首先采用研磨和液體剝離技術制備SnTe NSs，然後通過液體沉澱法合成MnO2包覆SnTe NSs，最後通過旋轉蒸發技術使用大豆磷脂(SP)對其表面進一步改性獲得SnTe@MnO2-SP NSs。如圖6(b)所示，将MCF7荷瘤的小鼠通過尾靜脈注射SnTe@MnO2-SP NSs後，在PA儀器上記錄0、12小時和24小時的信号，通過體内超聲和1064 nm波長的PA圖像，在惡性良性腫瘤部位觀察到非常強的PA信号，證明SnTe@MnO2-SP NSs是一種優秀的臨床PA候選藥物。圖6(c)中第6組使用SnTe@MnO2-SP NSs和1064 nm雷射(NIR II)治療後惡性良性腫瘤全部消融，沒有複發，表明NIR II光熱治療效果更加顯著，從所有不同治療條件小鼠身上切除的惡性良性腫瘤的照片能夠提供最直覺的證據。SnTe@MnO2-SP NSs具有良好的生物相容性，在惡性良性腫瘤微環境響應性降解，且降解産物TeO32-具有良好的抗惡性良性腫瘤活性，基于近紅外視窗II介導的惡性良性腫瘤光聲、光熱成像特性，有效增強了光學診斷的組織穿透力與精确度，協同增加了化療效果，SnTe@MnO2-SP NSs表現出優異的抗惡性良性腫瘤能力。是以，基于SnTe@MnO2-SP NSs的癌症多模式診斷和治療納米劑具有生物相容性和生物降解性，為制備其他二維碲化物以及在NIR II生物窗中應用于癌症治療開辟新的研究方向。
圖6 (a)大豆磷脂(SP)表面修飾二氧化錳(MnO2)包覆的SnTe納米片(SnTe@MnO2-SP NSs)制備示意圖；(b)MCF7荷瘤小鼠尾靜脈注射SnTe@MnO2-SP NSs後不同時間間隔(0 h、12 h、24 h)惡性良性腫瘤部位的PA圖像；(c)MCF7荷瘤小鼠在不同條件處理後惡性良性腫瘤大小的變化照片(左)和曲線圖(右)
03總結、展望與挑戰
二維納米材料具有大的表面積，可以用作有效的藥物遞送載體，許多具有強光學或X射線衰減特性的二維納米材料可用于生物醫學成像、癌症光熱療法和增強放射治療。通過與其他功能納米顆粒內建，二維納米材料多功能納米複合材料有望用于多模式成像的協同癌症治療。盡管二維納米材料在生物醫學領域取得了許多優秀的成果，但是也存在一些缺點。一方面，制備難度大，标準不統一：二維納米材料尺寸分布和形态是決定治療效率和診斷性能的關鍵因素，目前缺乏标準的合成方法來獲得具有所需結構、組成參數(如尺寸、分散度和電荷)的二維納米片；另一方面作用機理不明确：二維納米材料與結構蛋白或者遺傳物質之間的互相作用，以及它們如何影響或者控制生物體各種信号通路，目前缺乏對納米材料的尺寸、形狀、化學成分和表面特性如何控制特定生物過程的深入了解。二維納米材料在生物應用領域的研究仍處于不成熟的階段，需要解決一些挑戰和問題，以促進其進一步臨床應用。
對于二維納米材料的臨床應用，除了治療效果外，二維納米材料的生物分布、降解和代謝仍然需要做進一步仔細評估。二維納米材料臨床使用的主要障礙是潛在的長期安全問題，尤其是那些給藥後會在體内長期保留的不可生物降解的物質。盡管許多研究已經驗證了二維納米材料的短期安全性，但其長期慢性毒性作用仍有待更系統地研究[41]。此外，尚不清楚它們如何與免疫系統互相作用，是否幹擾生殖系統，以及是否影響下一代。是以，科研人員仍需要更系統的研究來确定這些二維納米材料的臨床安全性。
關于長期安全問題，這些二維納米材料的生物降解和排洩行為被認為是需要解決的關鍵問題。許多二維納米材料具有良好的結晶度，幾乎沒有缺陷，是以通常難以在生理環境中降解。然而，某些類型的合理設計的二維納米材料也被認為是可生物降解的[36，42]。例如，據報道二硫化钼(MoS2)在生理環境中的動力學和熱力學上不穩定，可被氧化為水溶性Mo6+氧化物(如MoO42-),這些物質已經被證明很容易通過腎髒和糞便途徑從小鼠體内排出[43]。BP納米點可以在水和氧氣中降解形成無毒的磷酸鹽和膦酸鹽，而且在沒有明顯毒性的情況下從體内清除[37]。是以，開發可生物降解的二維納米材料是一個重要的研究方向。
通過調整二維納米材料結構的化學成分、尺寸和表面修飾，可以減少二維納米材料在組織中的滞留，使其快速排洩，提高惡性良性腫瘤的積聚，進而優化二維納米材料的體内行為。科研人員通過在二維納米材料表面修飾微小納米結構(小于8 nm)，避免納米材料的長期滞留，這些結構可以通過腎髒過濾排出體外。微小型二維納米材料，如谷胱甘肽修飾的MoS2納米點和BP納米點，已證明可以通過尿液有效清除出身體[44，45]。此外，在腎髒清除率和惡性良性腫瘤歸巢之間建立平衡是另一個重要的研究方向。是以，可以試用廣泛設計的靶向方法增強惡性良性腫瘤攝取。
總之，二維納米材料是一種獨特類型的納米結構材料，為醫學診斷、癌症治療、藥物遞送及細胞生物學等領域的發展提供了前所未有的機遇和挑戰。值得相信的是，二維納米材料将拓展生物醫學領域的應用範圍，我們期待在不久的将來，二維納米材料能夠進入臨床研究和應用階段。
作者：張鵬飛 成正東
(1 國科溫州研究院)
(2 浙江大學化學工程與生物工程學院)
緻 謝 感謝國科溫州研究院(溫州生物材料與工程研究所)孟卓君博士和孫健博士的讨論。
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