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user: 4. 黑磷纳米片层在生物医学领域的应用 生物安全性是生物医学领域的首要要求。因此，生物医学相关的纳米材料在进一步应用之前应经过严格的生物安全测试。到目前为止，Lee和他的同事使用MTT法检测了黑磷纳米片层的细胞毒性，结果表明1 mg/mL的黑磷溶液不会对哺乳动物细胞产生毒性 [ 30 ]，表明黑磷纳米片层拥有良好的生物相容性和低的细胞毒性。 4.1. 光照疗法 光热治疗(Photothermal Therapy， PTT)、光动力治疗(Photodynamic Therapy， PDT)作为替代传统癌症治疗方法，具有侵袭性小、治疗效率高等优点，目前比较常用的治疗剂分为贵金属颗粒(金、银等)、碳类材料(石墨烯、碳纳米管等)、金属与非金属的化合物(硫化铜、硫化锌等)及高分子材料。这些材料均存在在人体内无法降解的问题，而黑磷作为一种新型的二维材料，在体内可以完全被降解，而且其能带间隙随层数的变化而变化，光热转换效率远高于之前的传统光热剂。 4.1.1. 光动力治疗 光动力治疗(Photodynamic Therapy， PDT)是治疗癌症的新型方法，将光敏剂送入体内的特定位置，然后使用激光照射该区域，进而产生氧自由基(Reactive oxygen species， ROS)杀死肿瘤细胞。 Wang等采用液相剥离法制备了尺寸为200~500 nm的黑磷纳米片层，并使用1，3-二苯基异苯并呋喃(diphenylisobenzofuran， DPBF)来表征ROS的产生效率，结果表明在氧气气氛下黑磷纳米片层的ROS产生量随时间的增长而增长且远高于块状黑磷的ROS产生效率，而在氮气气氛下，黑磷纳米片层几乎没有产生ROS，表明黑磷纳米片层不能在有氧环境中保存而在惰性气体保护的条件下很稳定 [ 20 ] (图4)。 Lv等成功制备出了氨基化黑磷纳米片层，并使用650 nm、808 nm、980 nm波长的近红外光照射黑磷纳米片层并使用DPBF表征ROS的产生效率。结果表明在三种波长的照射下，ROS的产生量基本没有变化，表明黑磷在近红外端的激光照射下均可以产生ROS，且产生ROS的量变化不大 [ 31 ]。 图4. 在600 nm激光照射下，黑磷在不同气氛中的降解程度 [ 20 ] 4.1.2. 光热治疗 光热治疗(Photothermal Therapy， PTT)是将具有较高光热转换效率的材料注射入人体内部，利用靶向性识别技术将该材料聚集在肿瘤组织附近，然后在外部激光的照射下将光能转化为热能从而杀死癌细胞的一种治疗方法。 Wang等将块状黑磷剥离为单层黑磷纳米薄片后对其进行了PEI表面修饰(BP-PEI)，并测试了BP-PEI水溶液在808 nm波长光的照射下的光热转换效率，结果表明照射10分钟后，水温可以上升18℃左右，且随着BP-PEI浓度的增大，光照后溶液温度的几乎没有差别。随后对BP-PEI水溶液进行反复光照–光灭实验，结果表明在每次循环中，溶液的温度增加量没有变化，表明黑磷的光热效应具有可循环性 [ 29 ] (图5(a)~(b))。 Yang等成功制备出氨基化黑磷纳米薄片，并对其进行了载药处理最终制备出了BP@PDA-Ce6&TPP NS复合材料并研究了该材料的光热转换效率，实验结果表明在660 nm波长光的照射下，溶液温度的上升度数随溶液浓度增大而增大，当浓度达到50 μg/ml时，光照10 min后，水温可以上升17℃左右。该课题组同时也改变了光照密度对光热转换效率的影响，研究结果表面，随近红外光光照密度的增大，在相同的溶液浓度和光照面积的情况下，溶液产生的热量也在不断增加 [ 28 ] (图5(c)~(d))。 图5. (a) 在808 nm波长光照射下黑磷溶液温度上升量；(b) 循环试验，表明黑磷的光热效应具有可循环性 [ 29 ]；(c) 使用660 nm波长光照射不同浓度的BP@PDA-Ce6&TPP NS溶液，随浓度的增加温度的上升量增加；(d) 使用不同光照密度的光照射50 μg/ml的BP@PDA-Ce6&TPP NS溶液，随光照密度的增加温度的上升量增加 [ 28 ] 4.2. 药物载体 黑磷作为一种新型的二维材料，它仍具备二维材料的传统优势——巨大的比表面积，所以相较于高分子载药体系，当载体质量相同时，黑磷可以负载更多的药物，以提高治疗效率；较之于金属载药体系，载药量不仅有所提升，而且黑磷在体内呈现出易降解、低毒性的优异性能，这使得黑磷在药物载体方面天生具备巨大的潜能。 Chen等将阿霉素(DOX)负载至黑磷纳米片层表面，成功制备出BP-DOX复合材料，并研究了该复合材料的抗肿瘤性能。实验结果表明，黑磷对DOX的载药量远高于石墨烯、二硫化钼等二维材料，而且黑磷的给药系统表现出pH/光响应性释放特性，在酸性肿瘤微环境下药物释放加速，由于黑磷纳米片层的光热效应，在808 nm激光照射下可以进一步促进药物释放。重要的是，黑磷纳米片层的特性使得该材料能够同时作为高效的PDT和PTT试剂。协同光动力/光热/化疗于一体的黑磷纳米片层载药体系，实现了良好的体内抗肿瘤治疗效果 [ 32 ] (图6(a)~(c))。 Yin等在BP-QDs表面成功负载了小干扰RNA (siRNA)，并检测出BP-QDs-LSD1 siRNA复合材料较市场上的药剂相比该复合材料可以更显著抑制LSD1 mRNA的表达，且在浓度高达5 mg/ml时仍表现出较低的毒性和生物相容性，并在同近红外光联合作用后，细胞生长的抑制率在80%以上 [ 33 ] (图6(d)~(e))。 图6. (a) 808 nm激光照射检测BP和BP-DOX的体内光热效应；(b) (c) 不同材料在不同波长光的照射下，抑制肿瘤块的生长情况 [ 32 ]，(d) (e) 检测不同浓度BP-QDs@PAH的细胞毒性 [ 33 ] 4.3. 生物成像 4.3.1. 光声成像 黑磷纳米片层除了用于PPT、PDT和药物载体外，还可以用于肿瘤的光声成像。光声成像是一种高对比度、高分辨率的肿瘤组织成像技术，它采用了光学成像和超声成像相结合的新技术。当光照射纳米药物时，纳米药物可以吸收光从而产生热膨胀，同时产生超声波，根据超声波信号对纳米药物进行体内成像。由于黑磷的光热特性和光声信号，黑磷可用于体内光声成像。 2016年，Sun等制备了水溶性和生物相容性兼具的聚乙二醇化黑磷纳米颗粒(BP-PEG)，并展示了BP-PEG纳米颗粒的PA图像。他们报道了纳米颗粒的浓度与PA信号的增强呈线性关系。静脉注射聚乙二醇化黑磷纳米颗粒后，肿瘤保留的信号强度高于肝、肾，表明肿瘤中保留的BP纳米颗粒比肝脏或肾脏中保留的多。这一结果也显示了聚乙二醇化黑磷纳米颗粒在肿瘤中保留时间长，易于从肝脏和肾脏排出 [ 34 ] (图7)。 图7. 不同时间不同器官BP-PEG纳米颗粒的光声图像 [ 34 ] 4.3.2. 荧光成像 黑磷纳米片层具有层数依赖的荧光光谱，较薄的黑磷纳米片层在775 nm处表现出很强的峰值并发出荧光，而较厚的黑磷纳米片则没有这种特征。 Lee等采用改进的液相剥离法制备了平均直径为10 nm的黑磷荧光纳米量子点。由此获得的黑磷纳米量子点可以在HeLa细胞中发出多种颜色的光致发光(分别为488 nm和358 nm下的绿色和蓝色光致发光)。黑磷纳米量子点具有良好的生物相容性和较低的细胞毒性，并具有自发降解性，这表明黑磷纳米量子点在生物成像和细胞跟踪领域具有良好的应用潜力 [ 30 ] (图8)。 图8. 黑磷纳米量子点的荧光成像图 [ 30 ] 4.3.3. 光热成像 由于其优良的光热转换效率，黑磷可用于近红外热成像分析。Shao等制备了生物可降解的BPQDs/PLGA纳米颗粒，以增强黑磷的光热稳定性。将BPQDs/PLGA纳米颗粒注射在小鼠体内，小鼠的温度可以在10分钟内迅速从32.5℃升高到58.5℃，而PBS仅升高6.2℃ [ 35 ]。Yang等在功能化黑磷纳米片层的基础上，开发了一种靶向光热/光动力纳米材料体系以抑制肿瘤的生长：使用多巴胺(PDA)将黑磷包裹后，再将氯离子(Ce6)和三苯基膦(TPP)联接至该材料体系中。近红外光照射10 min后，肿瘤部位的温度迅速升高 [ 28 ] (图9(a))。Sun等采用改进的机械剥离法制备得到了PEG化黑磷纳米颗粒。他们的研究表明，在808 nm激光照射5 min后，肿瘤的温度迅速升高25℃ [ 34 ] (图9(b))。