黑磷材料现状及其在医药领域中的应用研究

余 丹，饶 哲

(中国医药集团联合工程有限公司，湖北 武汉 436073)

在常见的三种磷同素异形体(红磷、白磷和黑磷)中，黑磷是形态最为稳定的一种形态。和石墨烯类似，黑磷也为层状结构，但不同的是，同一层内的磷原子不在同一平面上，是一种蜂窝状的褶皱结构，而非平面结构。层内具有较强的共价键，还留有单个的电子对，因此每个磷原子都是饱和的，层与层之间靠范德华力作用[1]。由于具有层状结构，因此黑磷也通过类似石墨烯的方式进行剥离，或者以直接合成方式进行制备。

所谓二维材料就是原子层或者近似原子层厚度的薄片，其导电和热传导被限制在该平面内，同时由于原子层充分暴露，这使得材料的性质与三维本体材料完全不同。实际上，对于二维材料，国家出台了明确的标准，即GB/T 30544.13-2018纳米材料术语第13部分：石墨烯及相关二维材料，该标准中明确二维材料的厚度应小于10个原子层，厚度属于超薄纳米尺度，且每一层之间都紧密键合且结构有序[2]。

目前，材料领域有非常多的二维材料，能够剥离或者具备剥离条件的材料就达到1 800多种[3]，因此，二维材料远不止石墨烯和黑磷两种。宏观黑磷材料照片见图1，黑磷层状结构和石墨烯层状结构见图2。

图1 宏观黑磷材料照片

图2 黑磷层状结构和石墨烯层状结构[4]

早在1914年，Bridgman利用白磷在1.2GPa和200℃的条件下首次制备出黑磷材料，随后的一百余年时间里，研究者尝试用不同的方法来降低合成的难度，制备更大尺寸的黑磷材料并研究黑磷材料的特性，试图找到材料最适合的应用领域。除了制备材料以外，另一个重要的问题则是如何更加高效地对材料进行剥离，制备二维材料。

1 黑磷材料的研究现状

科技论文和专利数量变化趋势可以直观地反映一种新型材料研究及应用情况。利用Web of science数据库分析发现，近5年来有3 013篇与黑磷制备相关的英文科技论文，从区域上来看，70%的论文均为我国作者所撰写，其次为美国和欧洲。可见，在当今科研领域，黑磷材料研究主要集中在中国、美国和欧洲，并且也是当前的材料科学领域研究热点。

从专利申请量来看，2013年之前关于黑磷材料制备方面的专利，每年的申请量不超过8项，多数年份甚至只有1～2项，可见在2013年之前该领域的创新积极性不高，科研及产业投入相对薄弱。2013年以后，该领域开始步入专利爆发期，年专利申请量约为200项。作为对比，同为先进材料的石墨烯材料，其专利爆发期在2009年，当年的专利申请量为123项，最高峰时专利申请量为12 572项。专利呈指数级的增长，并且周期跨越10年之久，这也证明石墨烯材料明显已经从单纯的科研材料进入产业化阶段。因此，从专利方面可以看出，相比石墨烯材料，黑磷材料领域的研发投入虽然有所增加，但是依然停留在科研阶段，实现产业化还尚需时日。2004～2020年黑磷和石墨烯材料专利申请数量变化趋势见图3。

图3 2004～2020年黑磷和石墨烯材料专利申请数量变化趋势

从专利申请人分布的情况可以看出，目前国内在黑磷方面研究比较深入的单位主要是深圳大学、昆明理工大学、深圳先进技术研究院，考虑到深圳先进技术研究院和湖北中科墨磷科技的关系，实际在黑磷方面持有专利最多的单位应为深圳先进技术研究院。国内黑磷材料领域的主要研发机构见图4。

图4 国内黑磷材料领域的主要研发机构

湖北兴发集团与中国科学研究院深圳先进技术研究院合作，组建了湖北中科墨磷科技，主营黑磷相关产品研发、生产、销售，目前已经具备公斤级黑磷样品制备能力。同时两家也成立了联合实验室，进行大规模二维黑磷制备研究，目前已成功制备超小黑磷量子点和黑磷纳米片层材料。另外，郑州安正智能公司具备百克级二维黑磷晶体生产能力。相关的研发进展见表1。

表1 主要研发机构及研发阶段

2 黑磷制备进展

黑磷的制备条件是逐渐从高压转变为低压。早期的Bridgman都是在超高压的条件下，将白磷转化为黑磷，压高达1.2GPa[5]。因为白磷有毒，且易燃，2007年Lange等采用Au、Sn、SnCl4作为催化剂，以红磷为原料，将其加热至600℃并保持120～240 h后，自然冷却即可得到黑磷晶体[6]。经过多次改进后，目前黑磷制备过程只需要Sn、SnCl4作为催化剂便可进行制备。目前，中科院深圳所已经可以进行公斤级制备。

而二维黑磷材料的制备也可以分为两种方式：第一种方式是直接合成二维材料；另一种是首先制备块状黑磷材料，然后通过合适的方式从块状黑磷材料上剥离出二维黑磷材料。

直接合成方式中，化学气相沉积和湿化学合成是主要的制备方法。首先通过化学气相沉积法在衬底材料上制备出红磷薄膜，然后在400～900℃、催化剂条件下，将红磷转化为黑磷。通过红磷薄膜的厚度来控制最终二维黑磷材料的厚度。另外，湿化学法是以红磷粉末为原料，以乙醇为溶剂，在400℃下热处理，可以制备得到二维黑磷材料。到目前为止，相比剥离法，利用直接合成法制备二维黑磷材料还存在比较多的问题，且制备的质量也有待提高。

块状黑磷剥离法制备二维黑磷的方法主要有3种：机械剥离法、液相超声剥离法、等离子汽液法，其中机械剥离法是最常用的方法，二维黑磷材料制备方法对比见表2。由于黑磷层状结构直接依靠范德华力连接，因此，使用胶带可以从块状黑磷表面剥离出层状黑磷，然后通过清洗和转移便可以得到二维黑磷材料。整个过程不使用化学试剂，不需要热处理，可以最大程度上保持材料的完整性。但是该方式制备效率低，适合实验室研究。液相剥离法是在特定溶液体系依靠剪切力、超声空化作用以及溶剂、溶质分子的插层作用，使得层状材料层间范德华力弱化，并剥离出少层材料，而此过程中同一平面内分子间的共价键则不会被破坏。液相剥离法在二维材料制备中应用广泛，但是也存在一些问题，比如产率较低、获得片层大小分布太大、有机溶剂/表面活性剂残留等。等离子体汽液剥离是利用等离子体在与液体媒介接触时会产生大量的活性粒子，活性粒子可以穿透相界面进入体相中并发生反应，最终实现对块状黑磷材料的剥离。

表2 二维黑磷材料制备方法的对比

3 在生物医药领域的应用前景

二维材料独特的结构及电学性质，使其在生物环境监测、疾病诊断和治疗等领域被广泛研究。二维材料的理化性质与其制备方法、表面功能化等密切相关，并高度影响其在生物医药领域的应用。

众所周知，长久以来，肿瘤是医药领域的研究热点，将黑磷作为功能性材料引入癌症药物的开发，如利用其生物相容性、抗菌性和可降解性以及高的比表面积来负载靶向药物，并应用于光热疗法。

Shao等[7]采用黑磷纳米片与聚己内酯热敏水凝胶相结合，用于肿瘤术后的光热疗法系统材料，结果发现，能够在近红外辐射下凝胶快速凝胶化并清除肿瘤切除手术后伤口周围残留的肿瘤组织，药物降解后所形成磷酸盐、二氧化碳和水则从体内排出。

Chen等[8]将介孔二氧化硅涂覆在黑磷纳米片上，并采用表面活性剂调整溶剂的表面张力，经过组装后得到有序介孔二氧化硅硅夹心黑磷纳米片复合材料，将复合材料装载阿霉素(DOX)后用于化疗—光热联合治疗乳腺癌。结果表明，该复合材料明显地改善治疗效果，并且对细胞和脏器均无明显毒性。这种方法在提高黑磷分散性的同时，也提高了药物的装载效率。

Tao等[9]以聚乙二醇与黑磷纳米片为原料制备得到聚乙二醇化黑磷纳米片，并将这一材料通过叶酸处理后得到多功能化的药物载体，并应用于肿瘤细胞靶向治疗。结果表明，该复合材料表现出了更高的体外靶向效应，并且明显改善了细胞提取效率。此外，国内中科院深圳先进技术研究院在黑磷医药方面有深入研究，相关课题组基于二维黑磷，开发了一系列光热肿瘤治疗制剂，二维黑磷及量子点因其较高的吸光系数和光热转换效率，能够在近红外光照下迅速产生热量，使得周围环境升温，从而杀死癌细胞，结合二维黑磷的生物可降解性、生物相容性好、大比表面积等优势，黑磷成为了一种理想的生物医药载体。

随后，Yu 课题组(2019)[10]深入研究了黑磷化学生物活性，通过实验验证了其作为高选择性化疗纳米药物的可能性。此外，Yu 课题组(2018)[11]还针对黑磷的不稳定性，在黑磷表面原位生长了氧化铋，黑磷/氧化铋生物材料具有良好的放疗增敏效果。

4 结语

自石墨烯发现以来，二维原子晶体的研究迎来了蓬勃发展的契机。二维黑磷原子晶体因其独特的量子限域效应、大比表面积等特性，在电子器件、光电子器件、能源催化以及生物医药等领域具有广大的应用前景。在过去的十几年中，吸引了包括物理学、化学、材料科学、纳米技术以及生物医学等众多领域中无数科学家以及科学团体的关注。

虽然二维黑磷材料的相关研究目前已经取得了很多的研究成果，但实际需求以及快速发展的科学技术仍然面临着诸多挑战。而其中最大的挑战无疑就是黑磷材料的规模化制备问题。高质量黑磷材料大规模制备是开发高性能光、电子学器件的基础；而功能化修饰的功能结构黑磷材料则可进一步拓展其应用领域，使其能适应不同的体系进行功能整合，实现性能提升或功能多元化。相比于石墨烯，黑磷材料需要解决规模化制备方面的瓶颈后才能在产业化利用方面实现突破。