黑磷纳米材料的制备以及在生物医药领域的研究进展

韩哲 朱建强

1天津医科大学第二医院口腔科300200；2天津医科大学第二医院泌尿外科300200

0 引 言

黑磷（black phosphorus,BP）是一种结构类似于石墨烯的晶体，是磷元素的同素异形体，可稳定存在于自然界中。黑磷纳米片作为一种新型二维纳米材料，因其具有较大的比表面积、良好的生物相容性、优异的光热性能等特点，在疾病治疗、药物载体、临床检测等生物医药领域受到广泛关注。目前研究发现黑磷纳米级材料分为零维的黑磷量子点和二维的黑磷纳米片。黑磷原子层间由范德华力相互作用层状材料，每个磷原子间通过共价键结合，形成褶皱的蜂窝状结构。与石墨烯相比，黑磷具有更多的褶皱，因此具有更大的比表面积，使其在生物载药等方面具有更大的优势[1]。同时，黑磷作为二维半导体材料，具有较宽的可调节带隙，带隙可由层数调控（0.3～2.0 eV）[2]，使其在紫外、红外和可见光光谱中具有广泛的光吸收性能，这种独特的光学特性使黑磷在光动力学治疗、光热治疗、光声成像等领域展现了良好的应用前景。此外，黑磷纳米片易降解成无毒的磷酸盐等，表现出良好的生物安全性能，使其成为未来生物医学应用的理想选择。

黑磷是磷元素中最稳定的一种原子，在一般条件下，其他变体不易转变为黑磷。1914年，美国科学家 Bridgman 等[3]首次经高温高压（200 ℃，1.2 GPa）成功开发出由白磷制得块状黑磷。随后，科学家们不断改进制备方法，致力研究出简单高效的制备方法，但目前制备黑磷的技术尚不能达到工业化生产的要求，此外，黑磷纳米材料在空气中易氧化也限制了其在临床科学中的应用开发。

黑磷是一种层状材料，层内通过化学键相连，层间是微弱的范德华力相互作用，因此可通过不同的方法对块状黑磷进行剥离得到二维黑磷纳米片以及零维的黑磷量子点两种形式的新材料。2004年，科学家首次利用机械剥离的方法成功制备了二维黑磷纳米片；2015年，零维黑磷量子首次被发现并制备[4]。黑磷量子点与二维黑磷纳米片层由于尺寸和厚度不同，其性质上也存在一些不同。本文主要综述了二维黑磷片层的制备方法及在生物医药领域的相关应用研究进展。

1 黑磷纳米片层的制备方法

1.1 机械剥离

二维材料层间通过范德华力的相互作用进行连接，层间作用力相对较弱，因此普遍可以通过机械剥离的方法通过施加机械力于块体材料，借助剪切力获得单层或多层的黑磷纳米材料。采用机械剥离法，Liu 等[5]利用胶带对块体黑磷进行反复黏贴，得到了0.8 nm 厚的单层黑磷片。Li 等[6]成功制备了低至几纳米的薄层黑磷纳米片。Lu 等[7]通过机械剥离法制备二维黑磷，并利用Ar+等离子体减薄法制备了稳定的单层黑磷纳米片。采用机械剥离法得到的黑磷纳米片纯度高、缺陷少；但其产量低，目前仍限于实验室制备，这也限制了其工业化生产及应用。并且黑磷纳米片在大气环境下不能稳定存在，需要在无水无氧的条件下制备，否则会立即消失。

1.2 超声液相剥离

机械剥离法获得的纳米黑磷产量低，尚未达到人们的预期。液相剥离法是将层状材料放置到特定的溶剂中，利用超声提供相应能量，从而制得薄层黑磷片[8]。目前液相超声剥离的方法也已广泛用于制备薄层黑磷纳米片。在超声波剥离制备中N-甲基吡咯烷酮（N-methyl pyrrolidone，NMP）被广泛用于剥离溶剂。Brent 等[9]利用NMP 溶液通过超声法获得黑磷纳米片层，随剥离时间的增减，可获得双层甚至单层纳米黑磷。Hanlon 等[10]应用N-环己基-2-吡咯烷酮（CHP）溶剂，将块状黑磷经超声波作用得到少层的黑磷纳米片，再通过离心分离出来不同尺寸的黑磷纳米片。研究表明，高超声功率和延长超声时间均可促进其单分散性。而且通过离心等方式，可较好地调控获得的片层浓度和大小。Guo 等[11]分别利用NMP 溶液和NAOH/NMP 混合溶液进行剥离，对比发现，利用碱性溶液剥离纳米黑磷的方法,得到了薄层甚至单层的黑磷纳米材料。该方法制备的二维黑磷具有良好的稳定性；但超声所需时间较长，能耗较高，存在一定的局限性。

1.3 电化学剥离

电化学剥离即通过双极电极剥离制备黑磷纳米片层。电化学剥离法是一种简单、稳定、高效的制备方法。目前，利用电化学剥离法制备石墨烯、二硫化钼等二维材料已经形成一定规模。随着研究的不断深入，电化学剥离法也成功地制备出纳米级黑磷材料。Erande 等[12]利用电化学剥离的方法并通过离心获得了黑磷纳米片。Ambrosi 等[13]采用电化学阳极剥离的方法成功剥离出较薄的二维黑磷，但阳极剥离得到的纳米黑磷氧化程度较高。随后，Xiao 等[14]提出采用电化学阴极剥离的方法制备巨块黑磷中得到了氧化程度较小的纳米级黑磷。

1.4 激光脉冲沉积法

Yang 等[15]用脉冲激光沉积的方法制备了黑磷。研究表明，在合适的温度下，可制备出薄层二维黑磷。这种制备方法目前并不能得到质量很高的薄层黑磷材料，但为黑磷的制备提供了一个全新的制备方向。纳米材料的制备方法中较为成功和使用最多的就是液相剥离法和机械剥离法，但更多的仍停留在实验室阶段，距离大规模工业化生产及广泛的临床应用还需投入更多的研究。

2 黑磷纳米材料在生物医药领域的相关应用

2.1 影像检测

光声成像（photoacoustic imaging,PAI）是一种新兴的生物成像方式，可克服超声成像（如斑点伪影）和光学成像（如有限的穿透深度）的缺点，结合两者优点的非侵入性生物医学成像技术，依靠生物组织对光的特异性吸收进行成像，能够获得高对比度和高分辨率成像[16]。黑磷纳米材料因其独特的性能，具有近红外吸收能力可作为光声造影剂[17-18]，结合光声成像与光热治疗用于抗肿瘤治疗。有研究者应用聚乙二醇修饰的黑磷纳米粒，可有效地将红外光转换为热量，并表现出出色的光稳定性，将光声成像联合光热治疗对癌细胞进行光热消融，达到癌症治疗的目的[19-20]。光声成像与光热疗法相结合可为癌症的准确诊断和治疗提供完美的解决方案[21]。Yan 等[22]研究发现黑磷纳米材料具有淬灭荧光染料的荧光特性。黑磷纳米片与荧光核酸适体的复合物可作为探针有效地检测肿瘤细胞的存在。此外，黑鳞纳米材料的体表面比大，可与蛋白质或DNA 等其它生物分子结合，利用电化学或酶联免疫等方法用于生物分子的检测。因此，通过对黑磷纳米材料的恰当修饰可广泛应用于生物监测，从而为癌症治疗提供新思路和新方法。

2.2 药物递送

纳米药物递送（drug carrier）的药物能通过某些特定的方式以达到靶向传递、控制释放，提高药物体内循环时间和体内分布，提高药物的溶解度以及利用率，而且经过特殊设计的纳米药物载体可拥有众多的特殊功能，在很大程度上能弥补传统载药系统的不足[23-24]。二维黑磷具有二维波浪状结构，与石墨烯相比具有更多的褶皱结构，这使得黑磷纳米片具有更髙的比表面积，可用于药物负载。黑磷纳米片带有负电荷的磷酸根结构，通过静电作用，可与带正电的药物分子结合[25]。Chen 等[26]研究发现将阿霉素通过静电作用吸附于二维黑磷纳米片上，其负载量可达9.5 倍左右的阿霉素。实验研究表明，负载药物的二维黑磷通过光热治疗、光动力治疗以及化疗的联合治疗对肿瘤细胞有非常明显的杀伤效果。Wang 等[27]通过使用人血清白蛋白作为剥离剂和封端剂的一种仿生合成方法制备黑磷白蛋白复合体，再与紫杉醇结合，可用于热疗增强细胞内药物输送和化学—光热联合治疗，以有效加载紫杉醇作用，从而增加化学治疗的加载、递送、细胞摄取和化学—光热联合抗肿瘤作用。Zeng 等[28]研究发现，经聚多巴胺修饰的黑磷纳米片层可有效将P-gp siRNA和阿霉素转运到肿瘤细胞中，并在一定程度上改善肿瘤细胞耐药性，该药物递送系统可有效地用作耐药癌症的靶向化疗。研究表明，改性后的黑磷纳米材料能更高效地传递放、化疗药物，协同光热/光动力治疗以更高效地治疗癌症并改善其耐药性。

2.3 光热/光动力治疗

2.3.1 光热治疗

光热治疗（photothermaltherapy，PTT）是通过应用纳米材料产生的特定波长的近红外激光照射，利用光热转换产生热能，引起局部高温从而引起肿瘤细胞凋亡。近红外光具有极强的组织穿透力，对正常组织的损伤较小。与传统治疗方法如放疗、化疗相比，光热治疗具有精确度高及对正常组织细胞损害小等优势，是一种高效、微创的肿瘤治疗新方法[29]。黑磷纳米片层可实现带隙可调控性,使其能有效吸收800 nm 附近的近红外光并产生光热效应，具有独特的光热转换特性，一方面可用于肿瘤的光热治疗，另一方面也能驱动药物释放；同时因为磷是生物体内必须元素，使其在生物医学领域具有不可比拟的优势[30]。并且由于比表面积大、宽阔吸收带以及光热转换效率高等优点使黑磷在抗肿瘤治疗中有很广泛的应用前景[31]。科学家们提出通过修饰黑磷纳米片来改善其稳定性。Zeng 等[28]提出聚多巴胺修饰黑磷纳米片层,用作耐药癌症的靶向化疗、光热疗法的多功能协同系统。Yang 等[32]通过Fe3O4纳米颗粒和金纳米颗粒负载到黑磷纳米片上形成一种新型复合材料，在抗肿瘤治疗中表现出了良好的光热和光动力治疗效果。中南大学Liu 团队与北京大学Guo 等合作，研究发现黑磷纳米片可将阿霉素的化疗与黑磷的光热和光动力活性有效结合，用于协同光热治疗、光动力治疗和化疗，实现3 种治疗模式的联合，在抗肿瘤方面取得重要的进展，以实现精准治疗癌症[26]。

2.3.2 光动力治疗

光动力治疗（photodynamic therapy，PDT）是利用光敏剂吸收近红外光光能，产生活性氧物质（ROS），诱导肿瘤细胞凋亡或坏死[33]。光动力治疗不仅可应用于体表肿瘤的治疗，同样也可应用于通过内镜、光纤找到的部位（如颅内、口腔、膀胱等腔道内）肿瘤的治疗。由于传统光敏剂避光时间长，生物相容性差，组织选择性差，且易引起过敏反应，因此限制了其在医学上的应用。有研究发现，黑磷纳米片是高效的光敏剂，在波长660 nm 的近红外光照下，可产生ROS，并对肿瘤细胞产生较强的毒性，此外，研究显示该纳米片可被降解，具有良好的生物安全性能[34]。Guo 等[35]利用聚乙二醇（PEG）修饰黑磷纳米片层，观察到在光照下可有效地产生ROS。同时体外和体内试验均表明黑磷纳米片通过光动力效应表现出优异的抗肿瘤效果。Zhang 等[36]将黑磷纳米片作为光敏剂通过聚醚酰亚胺与金纳米颗粒杂化，形成复合体，不仅充分利用金纳米颗粒的局部装载能力而且显著增加了ROS 产量，同时增强黑磷纳米片的光吸收促进光动力效应。与传统光敏剂相比，二维黑磷在生理条件下会氧化降解为安全无毒的磷酸根和亚磷酸根等[37]，因此具有较好的生物相容性。黑磷良好的理化性能使其能够广泛应用于不同部位肿瘤的治疗，从而提高肿瘤的治疗效果。

2.4 骨组织修复

老龄化社会骨缺损的病患越来越多，除外因先天及外伤导致的骨缺损，退行性病变的患者也逐渐增多。骨组织再生及修复一直是科学家的研究热点，但术后成骨性能及抗菌性能也受到广泛关注。黑磷不仅有助于抑制癌症进展[38]，而且由于其能够氧化成磷酸根阴离子而诱导新的骨组织形成，磷酸根粒子和钙离子结合，可形成羟基磷灰石前体，从而发挥其对癌细胞的抗增殖作用，同时通过刺激前成骨细胞分化可促进诱导新形成组织的发育[39]。Tang 等[40]研究发现采用离子霉素和黑磷处理可诱导细胞内钙水平升高，并且通过黑磷纳米片的修饰增加骨的形成，显示出黑磷纳米材料巨大的修复或再生能力。中国科学院深圳先进技术研究院研究发现黑磷修饰的骨组织支架可有效杀伤细菌，达到良好的抗菌的效果，并表现出良好的成骨性能[41]。黑磷纳米材料在骨缺损的修复及骨组织周围炎症方面具有良好的疗效[42]，因此在骨组织修复及口腔种植相关方面具有广泛的应用前景。

2.5 联合应用

黑磷纳米材料是一种良好的光声造影剂，具有良好光热治疗及光动力治疗的能力，且可负载化疗药物，通过多模式协同用于肿瘤的检测、诊断和治疗。清华大学副教授梅林等研制出负载化疗药物阿霉素的“黑磷纳米片载体系统”[30]，该系统负载化疗药物高，协同光热治疗能够有效抑制肿瘤细胞。

3 结 语

黑磷纳米材料作为新型二维纳米材料，拥有蜂窝状的褶皱片层结构，具有更大的比表面积和良好的生物相容性，表现出了良好的应用前景。目前黑磷纳米材料的制备尚存在一定的局限性，从实验室阶段转向大规模工业化生产还需不断地发展研究。临床医药研究大部分处于体外及小型动物实验阶段，但其在生物医药领域的良好前景有目共睹，尤其在抗肿瘤治疗以及骨组织修复方面。随着生物医学工程及分子生物学的不断发展，黑磷应用研究必将有实质性突破性的进展，在癌症化疗和骨组织修复中具有很大的临床应用潜力。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突