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最近，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院&金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室李萬萬研究員科研團隊在多功能半金屬納米生物材料領(lǐng)域取得了重要的研究進展，研究成果以“Ultrasmall Semimetal Nanoparticles of Bismuth for Dual-Modal Computed Tomography/ Photoacoustic Imaging and Synergistic Thermoradiotherapy”為題，發(fā)表在材料領(lǐng)域著名期刊《ACS Nano》(IF=13.334, DOI: 10.1021/acsnano.7b00476)上。該研究報道了一種基于超小半金屬鉍納米顆粒多功能納米診療試劑，它不僅實現(xiàn)了對腫瘤組織的雙重造影（光聲成像（PA）和X射線計算機斷層掃描（CT））及對腫瘤組織的光熱及放療的協(xié)同治療，同時表現(xiàn)出了低生物毒性和快速組織代謝能力，表明該新型半金屬納米材料在腫瘤的診斷與治療領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
圖1表面修飾靶向多肽分子的超小半金屬鉍納米顆粒可實現(xiàn)對腫瘤組織的雙重造影（光聲成像（PA）和X射線計算機斷層掃描（CT））及對腫瘤組織的光熱及放療的協(xié)同治療。
近年來，納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展促進了多功能納米生物材料在癌癥診斷和治療領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是推動了癌癥診斷治療一體化的發(fā)展。多功能納米材料是指一類集多種診斷或治療功能于一體的納米體系，當材料應(yīng)用于生物體后，通過相應(yīng)的外部手段干預(yù)可激發(fā)出材料的各個功能，進而達到腫瘤組織診斷或者治療的目的。傳統(tǒng)策略是將具有不同功能的納米材料復(fù)合成為一個整體的納米體系，其中多重功能由納米材料的不同成分實現(xiàn)。由于大尺寸納米材料容易富集并長時間存留在生物體的重要器官中（特別是肝、脾等），導(dǎo)致生物毒性，因此設(shè)計并制備出可快速代謝的多功能納米生物材料逐漸成為研究的熱點。放射治療和光熱治療是目前腫瘤治療的重要手段，前者利用放療增敏劑提高腫瘤組織中高能X射線的含量破壞組織結(jié)構(gòu)進而殺死癌細胞，后者則利用光熱材料在近紅外光照射下對腫瘤組織的熱效應(yīng)達到殺死癌細胞的目的。通過將納米技術(shù)的優(yōu)點與放療增敏劑和光熱材料等的需求結(jié)合在一起，一系列新型納米生物材料逐漸被制備并應(yīng)用于腫瘤的診斷和治療研究中。
半金屬（如銻、鉍等）是一類介于金屬和半導(dǎo)體之間的物質(zhì)，當這類材料的粒徑降低到納米尺度時由于量子尺寸效應(yīng)會表現(xiàn)出獨特的材料性能。其中，由于半金屬鉍具有高原子序數(shù)、低有效載流子質(zhì)量、長費米波長和小的能帶重疊，因此鉍類納米材料如硫化鉍、硒化鉍等被廣泛的應(yīng)用于腫瘤放療和光熱治療研究以及腫瘤造影領(lǐng)域。然而，雖然諸多研究表明二元或者三元鉍類納米材料的治療和造影效果都源自于鉍元素，但是目前尚未有任何工作報道純鉍納米材料是否具備腫瘤治療和造影等效果以及能否應(yīng)用于動物實驗。同時，這些研究因更多的關(guān)注生物結(jié)果，忽視了從鉍元素本質(zhì)是半金屬的角度去研究這一類材料。
圖2 (a)超小半金屬鉍納米顆粒及其光熱特性；(b)半金屬銻納米棒束；(c)半金屬化合物硫鉍銅納米棒。
研究團隊近年來主要從事半金屬及其化合物的制備及應(yīng)用研究，基于前期半金屬銻納米顆粒（Biomaterials, 2015, 45: 18-26）和半金屬化合物硫鉍銅納米棒（Biomaterials, 2017, 112: 164-175）的研究成果，通過設(shè)計新合成方法制備了尺寸為3.6 nm的超小半金屬鉍納米材料，并在材料表面修飾了可特異性結(jié)合腫瘤表面p32蛋白的小分子多肽（CGNKRTRGC, LyP-1）以提高納米材料在腫瘤中的富集。研究結(jié)果表明，該半金屬鉍納米材料是一類新型的多功能納米材料，具備優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率（1064 nm, 32.2%）和放療增敏特性（SER10=1.248），可用于近紅外二區(qū)激光（1064 nm）激發(fā)的光熱治療和低劑量放射治療。經(jīng)多肽修飾后的半金屬鉍納米材料在細胞以及小鼠器官內(nèi)中的富集含量均有所提升，并且無明顯的細胞毒性和長期生物毒性。研究同樣發(fā)現(xiàn)半金屬鉍納米材料表現(xiàn)出優(yōu)異的雙模光聲和CT造影能力，同時具備高效的小鼠乳腺癌腫瘤放療和光熱協(xié)同治療能力，印證了半金屬鉍納米材料的多功能特性。超小半金屬鉍納米材料能夠快速通過腎臟等器官從小鼠體內(nèi)代謝的特性表明在診斷和治療手段介入后生物體不會因為納米材料而產(chǎn)生可能的毒副作用。這些工作不僅印證了鉍納米材料本身在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的價值，還進一步證明了半金屬元素作為新型多功能納米材料優(yōu)異特性，為納米診療試劑的研究和應(yīng)用提供了新的選擇。
圖3 表面修飾靶向多肽分子的超小半金屬鉍納米顆粒應(yīng)用于小鼠乳腺癌腫瘤的光熱／放療協(xié)同治療。
論文第一作者為博士生于緒江，這項工作與蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部放射醫(yī)學(xué)與防護學(xué)院的楊凱副教授合作共同完成，同時也得到了美國國立衛(wèi)生研究院（(National Institutes of Health, NIH)陳小元教授的幫助。此外，研究工作的順利展開也得益于國家自然科學(xué)基金委和上海市科學(xué)技術(shù)委員會等科研項目的大力支持。 |
