西南大学团队制备BxC/C二面体量子片，有望用于肿瘤光热治疗
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麻省理工科技评论-西南大学团队制备BxC/C二面体量子片，有望用于肿瘤光热治疗
“光热治疗是一种新型的肿瘤治疗模式，其效果的发挥依赖于光热转化剂的性能。本文制备的 BxC/C 二面体量子片具有超高的光热转化效率，有望在肿瘤光热治疗中展现出一定的应用前景。”对于自己的新论文，西南大学材料与能源学院副教授刘辉表示。
该研究的背景在于，癌症因其复杂性、多样性和异质性，已成为当前严重威胁人类健康的重大疾病之一。光热疗法（Photothermal therapy，PTT）因具有良好的时空可控性、无创或微创性等优点，是临床上治疗肿瘤的一种很有前途的选择，被称为“肿瘤绿色疗法”。
另外，采用光热治疗可以对常规的放疗、化疗以及中药治疗起到协同、增敏的作用，还能激活机体的免疫力，增强机体对肿瘤细胞的排异反应。所以恶性肿瘤，尤其是晚期的恶性肿瘤，采用热疗既能杀死肿瘤细胞，又能够维持病人的生命质量。
因此，开发具有近红外（Near-infrared，NIR）光响应能力的高性能光热剂（Photothermal agents，PTAs）对实现高效肿瘤光热治疗具有重要的临床指导意义。目前，各国专家和学者正在努力探索和合成新的光热转化剂，通过功能化修饰，以期望达到理想的肿瘤治疗效果。典型的例子有自组装金链、选择性蚀刻铂立方体、聚吡咯纳米颗粒、共轭小分子，以及碳纳米材料等。
值得一提的是碳点（Carbon dots，CDs），因其具有相对较窄的 HOMO 和 LOMO 能带隙（0.4~1.2 eV），在近红外激光照射下，可吸收光和激发电子，由低激发态转变为激发态，已发展成为一种广受关注的光热转化剂。
对于碳点，吸收的能量在从激发态回到低激发态时通过非辐射振动弛豫耗散而产生热量。然而，有相当数量的吸收能量以荧光发射的形式分散，这往往会显著降低光热转换效率（Photothermal conversion efficiency，PCE），将其限制在 36-38% 左右。
一般来说，为了在肿瘤区域产生足够的热，需要较强的能量密度（> 1.5 W cm-2）和高剂量的光热转化剂，但这将导致不良的生物安全问题。基于此，刘辉团队期望通过调控其电子结构来抑制荧光性能，以期望达到提高光热转换效率的目的。但该策略具有相当的挑战性，超出了已报道的纳米技术的范围。
近日，相关论文以《具有 Z-Scheme 增强机制的 BxC/C 二面体超薄量子片在 NIR-II 生物窗口下的光热-免疫治疗》（Janus-like BxC/C Quantum Sheets with Z-Scheme Mechanism Strengthen Tumor Photothermal-Immunotherapy in NIR-II Biowindow）为题，发表在 Small Methods 上 [1]，Shi-Yu Lu 担任第一作者，刘辉担任最后通讯作者。
本文报道了一类由聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）修饰的 BxC/C 二面体量子片（BxC/C JQSs），其在近红外区通过 Z 型光生电子-空穴分离，完全抑制荧光发射。Z 型 BxC/C 二面体量子片的异质结构，使 NIR 驱动的热电子从 C 快速注入到共轭 BxC/C 中，实现光到热的特异转换。
其中，BxC/C 二面体量子片可以实现 60.6% 的超高光热转化效率，超过了大多数报道的非金属光热转化剂，甚至接近报道的最佳金属基光热转化剂。此外，BxC/C-PEG 二面体量子片在体内表现出良好的光热稳定性和生物相容性，展现出在光热治疗中的良好潜力。注射后，在激光照射下，BxC/C 二面体量子片可通过协同光热免疫治疗，取得有效的肿瘤消除效果，同时对正常组织没有产生不良反应。
在审稿过程中，审稿人认为：“材料设计很有趣。BxC/C JQSs 的光热性能和生物相容性得到了很好的评价。此外，这种新的 Z 型 BxC/C-PEG JQS 通过生物窗口的协同光热免疫疗法在体外和体内显示出有效的肿瘤消除结果，对正常组织的损伤可以忽略不计。这项工作有助于碳材料在肿瘤治疗中的应用。”
还有审稿人评论：“新的 Z 型 BxC/C-PEG JQSs 由于无金属结构而表现出出色的生物相容性，并通过协同光热免疫疗法在体外和体内显示出有效的肿瘤消除效果。”
在该项目的实施过程中，主要涉及材料的设计与制备、表面修饰、光热性能测试、细胞毒性检测，以及活体抗肿瘤性能研究等几个阶段。最重要的是材料的设计与制备阶段。基于目前碳材料在光热治疗中的缺陷，刘辉团队认为从电子传递的角度出发，有望解决并提高碳材料的光热转化效率。
Z 型异质结构是一类具有独特性能的材料结构，通过设计将两种不同组分有机整合，有望改变电子行为，进而调控材料性能。不同于文献中报道的方法，刘辉团队创新性地发展了一种制备异质结的方法。利用生物质明胶为碳源、以硼酸为硼源，在高温下溶解再结晶，随后进行退火处理。在实验过程中，通过调控碳源/硼源的比例，对产物的生长机理进行探究，对产物的形貌进行优化。随后对其进行表面修饰，提高水溶性和生物相容性，最终得到性能优良的 BxC/C 二面体量子片。
在制备出形貌均一的 BxC/C 二面体量子片后，对其生长机理的解释困扰了该团队很长时间。在某一次休息思考中突然有所启发，创造性地提出了“切豆腐”生长模型。将初始的生物质明胶碳比作一块“豆腐”，将融化的硼酸液体比作“剪刀”。
在高温条件下，液体的“剪刀”对固体的“豆腐”进行切割。当“剪刀”越多时，越容易将“豆腐”切开切匀。由于“剪刀”是流动的，在降温后，会和“豆腐”结合在一起。因此，造就了不同硼/碳比例下的不同产物形貌。特别的，在适当的比例下“剪刀”和“豆腐”结合成为形貌均一的异质结产物。
这种新型的无金属光热剂在进一步的多功能肿瘤治疗中，如药物传递、金属离子负载、免疫佐剂整合等方面显示出巨大的潜力，可进行进一步的探索和挖掘。例如，在光热治疗中，造成的细胞损伤会释放肿瘤相关抗原，引发免疫原性细胞死亡。这些抗原会呈递给树突状细胞，进而激活 T 淋巴细胞。免疫系统的激活，可以防止肿瘤迁移，消除转移瘤。这可以作为一个潜在的研究方向，探究 BxC/C 二面体量子片在消除转移瘤模型中的性能。
-End-
1、Lu, S. Y., Wang, J., Wang, X., Yang, W., Jin, M., Xu, L., ... & Liu, H. (2022). Janus-like BxC/C Quantum Sheets with Z-Scheme Mechanism Strengthen Tumor Photothermal-Immunotherapy in NIR‐II Biowindow. Small Methods, 2101551.
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