周雪蒙，焦靜靜

（上海師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200234）

0 引言

癌癥是日益威脅人類生命健康的嚴(yán)重疾病之一.根據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)告，世界上有六分之一的死亡是由癌癥引發(fā)的［1-2］.盡管癌癥的傳統(tǒng)治療方式，如化療與放療，在臨床上已被長(zhǎng)期應(yīng)用與推廣，但這類治療方式會(huì)對(duì)人體造成很大的傷害，且有較高的腫瘤復(fù)發(fā)率［3-4］.隨著納米技術(shù)的發(fā)展，功能性納米材料的出現(xiàn)和應(yīng)用使突破癌癥治療障礙成為可能.近幾十年來(lái)，不同維度的納米材料在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的制備與應(yīng)用，尤其是在生物成像、疾病治療和藥物傳遞等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景［5-6］.

過(guò)渡金屬碳氮化物、氮化物與碳化物（MXenes）、氧化石墨烯（GO）、黑鱗（BP）、六方氮化硼（h-BN）、過(guò)渡金屬硫族化物（TMDCs）［7］、金屬有機(jī)框架（MOFs）和共價(jià)有機(jī)框架（COFs）等二維材料，由于其超薄的平面納米結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在新型腫瘤診斷與治療試劑中受到了廣泛的關(guān)注.TMDCs是一類類石墨烯材料，其廣義的化學(xué)式為MX2，其中M代表元素周期表中ⅣB-Ⅷ族的過(guò)渡金屬原子，如鉬（Mo）、鎢（W）、鈦（Ti）等；X則代表硫原子或硒原子，其中金屬原子形成的六邊形層狀結(jié)構(gòu)夾在了兩層硫原子之間，如圖1所示［8］.典型的TMDCs有二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）、二硫化鈦（TiS2）和二硒化鉬（MoSe2）等.目前，水熱/溶劑熱合成方法、化學(xué)氣相沉積法、液相剝離法和機(jī)械剝離法等合成方法已被用于設(shè)計(jì)和制備各類二維納米材料.與其他二維納米材料相比，TMDCs有較低毒性和良好的生物相容性，在腫瘤治療和成像方面有著潛在的應(yīng)用價(jià)值.TMDCs具有超高的比表面積和大量的活性作用位點(diǎn)，使材料表面易于被修飾且易為藥物分子或生物分子提供負(fù)載的錨定位點(diǎn)［9］.同時(shí)，TMDCs具有高近紅外吸收特性，可作為光敏劑（PS）或光熱劑載體進(jìn)行腫瘤的光動(dòng)力治療（PDT）或光熱治療（PTT）.其中，PTT相比傳統(tǒng)的腫瘤治療方式，具有侵襲性小、副作用低和靶向能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前治療腫瘤的有效方法之一.此外，通過(guò)負(fù)載具有不同功能的納米顆?；蛩幬镄》肿?，PTT還可以與其他治療方式相結(jié)合，如PDT、化學(xué)動(dòng)力學(xué)療法（CDT）和化療等，來(lái)提高材料整體的治療效果［8］.

近年來(lái)，人們對(duì)GO和MXenes等二維納米材料的合成方法、改性策略以及它們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都進(jìn)行了綜述.本研究主要針對(duì)TMDCs納米片，總結(jié)了目前常用的合成方法與各種方法之間的優(yōu)缺點(diǎn)，以及納米材料的常用改性方法和它們?cè)谀[瘤診療領(lǐng)域的應(yīng)用.

1 TMDCs納米材料的合成與修飾

1.1 TMDCs納米材料的合成

目前常用的TMDCs合成方法有機(jī)械剝離法、液相剝離法、化學(xué)剝離法和化學(xué)氣相沉積法等.其中，剝離法均為自上而下的合成方法.簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)物理或者化學(xué)的方法將原本塊狀的材料層層剝離為單層或者少層的材料.這類剝離方法隨著技術(shù)的發(fā)展，可以得到層數(shù)可控且質(zhì)量穩(wěn)定的層狀材料，但大部分剝離法的條件相對(duì)復(fù)雜.而化學(xué)氣相沉積法是一類自下而上的合成方法，通過(guò)化學(xué)方法直接合成得到單層或少層的納米片，在合成的過(guò)程中，還可以直接摻雜金屬等.

1.1.1 機(jī)械剝離法

微機(jī)械剝離是一種簡(jiǎn)單的用來(lái)剝離塊狀材料生產(chǎn)二維納米薄片的方法.其中一種方法為透明膠帶法，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是不需要使用昂貴而復(fù)雜的設(shè)備.TMDCs塊狀材料被放置在2個(gè)膠帶之間，形成一個(gè)由膠帶-MX2-膠帶制成的夾層，通過(guò)將兩端膠帶分開(kāi)，原本的塊狀材料分裂，在兩邊膠帶上得到較薄且表面積相同的材料.重復(fù)上述操作，直到材料肉眼幾乎看不見(jiàn)為止，然后將材料從膠帶上轉(zhuǎn)移至二氧化硅/硅（SiO2/Si）襯底上［10］.這種剝離方法雖然簡(jiǎn)便，但不能保證獲得厚度穩(wěn)定且層數(shù)可控的納米片.

而另一種機(jī)械剝離方法為納米力學(xué)剝離法，可以有效避免以上弊端，該方法能剝離出具有精確層數(shù)且質(zhì)量更好的二維納米薄片.這種剝離方法通常在高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）的檢測(cè)下，使用非常鋒利的鎢探針對(duì)塊狀材料進(jìn)行剝離［11］.

1.1.2 液相剝離法

液相剝離法（LPE）是制備二維TMDCs納米片的另一種廣泛應(yīng)用的方法.具體操作為：將大塊的材料分散至合適的溶劑中，然后利用超聲的方式，將大塊材料剝離成納米片.YI等［12］采用液相剝離法，將二硫化鎢（WS2）粉末剝離成單層WS2.簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，將WS2粉末與N-甲基吡咯烷酮（NMP）混合后，溶液超聲4 h，油浴攪拌，隨后隨機(jī)抽取了300張掃描電子顯微鏡（SEM）圖對(duì)材料粒徑進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，該納米片的平均粒徑為150 nm，與動(dòng)態(tài)光散射（DLS）測(cè)得的粒徑大小基本一致，說(shuō)明該方法可以獲得尺寸均一的納米片.

1.1.3 化學(xué)剝離法

化學(xué)剝離法通過(guò)將簡(jiǎn)單原子、聚合物、有機(jī)金屬化合物等客體物質(zhì)插入TMDCs層中，來(lái)降低材料間的范德華力，從而將材料剝離出來(lái).例如LIU等［13］在正己烷中加入正丁基鋰（n-Bu-Li）和二硫化鉬（MoS2），在氮?dú)猓∟2）中攪拌混合液，使鋰離子（Li+）完全穿插，之后通過(guò)離心收集產(chǎn)物，在超聲中處理即可得到剝落的MoS2納米片.通過(guò)原子力顯微鏡（AFM）測(cè)得納米片平均厚度為1 nm，表明這些納米片大部分是單層的.一般來(lái)說(shuō)，用Li+剝離塊狀材料會(huì)使用有機(jī)鋰化合物作為L(zhǎng)i+前驅(qū)體.CHNG等［14］深入探究了各類有機(jī)鋰化合物對(duì)TMDCs材料剝離的效果，選用了n-Bu-Li、叔丁基鋰（t-Bu-Li）和甲基鋰（Me-Li）作為插層劑來(lái)剝離MoS2.經(jīng)過(guò)毒性評(píng)估顯示：用n-Bu-Li和t-Bu-Li插層劑剝離的納米片的細(xì)胞毒性要明顯高于Me-Li剝離的納米片，且Me-Li剝離的MoS2毒性特征與塊狀MoS2基本相似，如圖2（a）所示.其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)：n-Bu-Li和t-Bu-Li插層劑對(duì)MoS2的剝離效率要高于Me-Li，因此導(dǎo)致剝離后MoS2層數(shù)減少，且比表面積增加.將細(xì)胞毒性結(jié)果與層數(shù)表征數(shù)據(jù)結(jié)合，證實(shí)了MoS2納米片剝落效率與材料細(xì)胞毒性之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，可以通過(guò)選擇不同的插層劑來(lái)改變材料的毒性與層數(shù).

與上述使用Li+插入剝離方法相比，銨根（NH4+）或硫酸分子（H2SO4）插層劑剝離法對(duì)空氣和水均不敏感，因此可以被放大生產(chǎn)納米片.例如YONG等［15］將WS2粉末分散在濃硫酸中，在90℃攪拌下充分插層，通過(guò)離心收集產(chǎn)品，如圖2（b）所示.接著將穿插H2SO4的WS2分散到去離子水，通過(guò)攪拌、超聲，得到單層/少層的WS2納米片.通過(guò)AFM分析，WS2納米片的平均厚度約為1.6 nm，與Li+剝離得到的納米片厚度很相近，如圖2（c）和圖2（d）所示.

1.1.4 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法是一種典型的自下而上制備納米片方法.通常將金屬前驅(qū)體，如氯化鎢（WCl6）、氯化鈦（TiCl4）等與硫（S）、硒（Se）前驅(qū)體在混合溶劑中溶解，然后在高溫下生長(zhǎng)成TMDCs納米片.該方法可以制備出橫向尺寸可調(diào)、厚度可控的單層或多層納米片.CHENG等［16］在WS2納米片中摻雜了不同類型的金屬，如鐵離子（Fe3+）、鈷離子（Co3+）、鎳離子（Ni2+）、錳離子（Mn2+）、釓離子（Gd3+）.將WCl6或其他金屬前驅(qū)體與硫磺（S）溶解在油胺（OM）和1-十八烯（ODE）的混合溶劑中，在N2下高溫反應(yīng).通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)中添加的金屬離子的物質(zhì)的量，可以改變最終納米片中金屬離子摻雜率.最終產(chǎn)物TEM表明，摻雜了不同金屬離子的WS2均顯示出片狀的形態(tài)，且元素圖譜顯示納米片中W，S和摻雜的金屬離子分布均勻.因此，這種自下而上的化學(xué)氣相沉積法可以用于合成各類摻雜金屬離子的納米片.

1.2 TMDCs納米材料的修飾

雖然通過(guò)化學(xué)剝離法合成的TMDCs納米片具有一定的水穩(wěn)定性，但電子篩選效應(yīng)會(huì)使材料在鹽溶液中聚集，尤其是在磷酸鹽緩沖溶液中.因此，在將材料用于生物應(yīng)用之前，改性是必要的.通常使用含有二硫醚基團(tuán)的硫辛酸共軛聚乙二醇（LA-PEG）或巰基化透明質(zhì)酸（HA-SH）對(duì)納米片進(jìn)行功能化改性.LA-PEG或HA-SH上的硫代分子可以固定在TMDCs納米片表面的缺陷位點(diǎn).LIU等［17］將HA-SH加入到MoS2納米片水溶液中.在超聲與攪拌作用下，得到透明質(zhì)酸（HA）修飾的納米片MOS2-SS-HA.通過(guò)傅里葉變換紅外吸收光譜（FT-IR）等表征，證實(shí)HA-SH成功接枝到納米片表面，如圖3所示.

圖3 MoS2-SS-HA納米片的合成與表征.（a）MoS2-SS-HA合成示意圖；（b）MoS2在HA修飾前后的FT-IR光譜圖；（c）MoS2和MoS2-SS-HA的AFM圖；（d）MoS2和MoS2-SS-HA懸浮液在水、磷酸鹽緩沖溶液（PBS）、細(xì)胞介質(zhì)中一周后的穩(wěn)定性

2 TMDCs用于腫瘤治療與成像

2.1 PTT

PTT作為一種新型的腫瘤治療模式，與傳統(tǒng)的化療和放療相比，PTT具有較低的毒副作用.同時(shí)，PTT使用的近紅外光具有較強(qiáng)的組織穿透能力，可以刺激材料在動(dòng)物體內(nèi)對(duì)光信號(hào)做出較好反應(yīng).二維TMDCs作為石墨烯類似物，因其較大比表面積，成為了一類很好的近紅外光納米材料，例如WS2，TiS2和MoS2等已被證明具有良好光熱性能.QIAN等［18］通過(guò)自下而上的溶液法合成了TiS2納米片.經(jīng)過(guò)聚乙二醇（PEG）修飾后的TiS2納米片，表現(xiàn)出良好的生物相容性，且無(wú)毒副作用.對(duì)攜帶4T1腫瘤小鼠尾靜脈注射TiS2-PEG，24 h后用808 nm近紅外激光照射小鼠腫瘤5 min，發(fā)現(xiàn)該治療組腫瘤處溫度迅速上升至65℃，與只注射生理鹽水的對(duì)照組有明顯差別，如圖4（a）～4（c）所示.同時(shí)，治療后的小鼠存活超過(guò)60 d，且腫瘤完全消融，說(shuō)明TiS2-PEG具有很好的腫瘤治療效果.由于二維材料較大的比表面積，可以通過(guò)負(fù)載其他納米顆粒來(lái)增加材料功能和提高材料在腫瘤方面的治療效果.XIE等［19］合成的磁性MoS2，通過(guò)自組裝制備殼聚糖/羧甲基纖維素功能化MoS2納米復(fù)合材料（mMoS2-CS/CMC），接著在材料上負(fù)載阿霉素（DOX）.當(dāng)藥物釋放時(shí)，復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯pH依賴釋放行為.此外，mMoS2-CS/CMC具有良好的光熱效應(yīng)，如圖4（d）所示.XU等［20］原位合成了負(fù)載金（Au）納米顆粒的MoS2納米片.Au納米顆粒的加入，使MoS2納米片在808 nm近紅外周圍吸收明顯增強(qiáng)，且負(fù)載了Au的MoS2納米片表現(xiàn)出更高的光熱轉(zhuǎn)化效率.

圖4 TMDCs的腫瘤治療應(yīng)用.不同質(zhì)量濃度TiS2-PEG溶液在808 nm激光照射下的（a）光熱曲線和（b）紅外熱圖像；（c）不同組別小鼠4T1腫瘤在不同材料處理后的生長(zhǎng)情況；（d）mMoS2-CS/CMC的合成與DOX負(fù)載示意圖

2.2 PDT

不同于PTT，PDT是一類依賴PS、氧氣（O2）與特定波長(zhǎng)激光來(lái)治療腫瘤的療法.PS在特定波長(zhǎng)激發(fā)下，將腫瘤微環(huán)境中的O2轉(zhuǎn)化為有毒的活性氧（ROS），從而殺死腫瘤細(xì)胞.相比PTT需要高功率密度激光照射，PDT重點(diǎn)在于腫瘤細(xì)胞對(duì)PS的有效吸收.但PDT對(duì)O2的濃度要求比較苛刻，在缺氧的腫瘤微環(huán)境條件下，PS對(duì)腫瘤的療效有限.因此，將PTT與PDT相結(jié)合，可以更好地協(xié)同治療腫瘤.

GENG等［21］合成了碳/二硫化鎢（C/WS2）異質(zhì)結(jié)來(lái)增強(qiáng)骨肉瘤的PTT效果.通過(guò)微波輔助水熱法合成WS2納米片，然后通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)組裝的方式在帶負(fù)電的納米片兩側(cè)結(jié)合C，形成C/WS2異質(zhì)結(jié).該異質(zhì)結(jié)材料可以在低功率密度下完全消融骨肉瘤.WANG等［22］設(shè)計(jì)了一種新型PDT/PTT/化療聯(lián)合療法納米片.通過(guò)陽(yáng)離子交換得到了三明治結(jié)構(gòu)的納米材料BiSe3/MoSe2/NiSe3.該異質(zhì)結(jié)構(gòu)有1.17 eV的狹窄帶隙和更強(qiáng)的近紅外吸收能力.

2.3 成 像

隨著診療在單一納米粒子中的整合，PTT可以在各種成像指導(dǎo)下進(jìn)行，如正電子發(fā)射斷層掃描成像（PET）、X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像（CT）和光聲成像（PAI）等.這些成像方式可用于治療前病變組織的定位、治療過(guò)程中的監(jiān)測(cè)以及治療后的療效評(píng)估，從而大幅度提高治療效率.其中，PAI與PTT都是利用光能進(jìn)行成像與治療，因此TMDCs作為優(yōu)異的光熱劑，也是PA造影劑.不僅如此，大部分TMDCs中的過(guò)渡金屬為高原子數(shù)元素，可以作為CT造影劑使用.

MIAO等［23］組合成的二硫化錸（ReS2）納米片具有很強(qiáng)的近紅外吸收能力和高的光熱轉(zhuǎn)換效率（79.2%），可用于PAI與PTT.ReS2具有較強(qiáng)的X射線衰減，還可以用作CT造影劑.LIU等［24］制備的MoS2-Au（MA）表現(xiàn)出更強(qiáng)的近紅外吸收能力和光穩(wěn)定性.修飾后的MA-PEG顯示出較強(qiáng)的X射線衰減和光熱轉(zhuǎn)換能力，可以用于CT和PAI造影劑，如圖5所示.此外該納米片還可通過(guò)放射治療和PTT聯(lián)合治療腫瘤.FU等［25］合成得到了負(fù)載氧化鐵納米粒子的TiS2納米片（TSIO）.該復(fù)合材料在NIR-Ⅱ窗口具有很強(qiáng)的吸收能力，并具有較好的磁性.在施加磁場(chǎng)時(shí)，TSIO納米平臺(tái)在腫瘤處顯示出較強(qiáng)的積累，同時(shí)可以通過(guò)PA和MR雙重成像來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PTT治療過(guò)程，為改善腫瘤內(nèi)部免疫抑制提供有效途徑.

圖5 （a）雙模態(tài)PA和CT成像引導(dǎo)下用于PTT的ReS2納米片的剝離過(guò)程；（b），（c）分別為ReS2納米片水溶液體外PA和CT成像；（d），（e）分別為小鼠在注射MA-PEG前后的體內(nèi)CT和PA成像；（f），（g）分別為基于d和e中成像數(shù)據(jù)的小鼠CT和PA強(qiáng)度量化

3 總結(jié)

文章主要總結(jié)了一部分TMDCs合成與修飾方法，討論了4種常用合成方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以及TMDCs納米片在腫瘤診療中的應(yīng)用.作為一類類石墨烯的材料，TMDCs具有較高的近紅外吸收能力.它可以將接收到的光能最終以超聲波的形式釋放出來(lái)，作為PAI造影劑.此外這類材料通常以二維納米片的形式存在，納米片提供了更多的活性位點(diǎn)，有助于負(fù)載各種不同功能的納米顆粒、藥物小分子或生物大分子，可以賦予材料更多的治療方式.此外，TMDCs中的過(guò)渡金屬通常為高原子數(shù)的金屬，因此可以為腫瘤治療提供以PTT為基礎(chǔ)的協(xié)同治療和雙模式成像引導(dǎo)下的治療，極大提高腫瘤治療效率.因此，TMDCs材料將來(lái)有望應(yīng)用在更廣泛的生物學(xué)領(lǐng)域，激發(fā)出更多的生物應(yīng)用潛能.