西南大學團隊製備BxC/C二面體量子片，有望用於腫瘤光熱治療

「光熱治療是一種新型的腫瘤治療模式，其效果的發揮依賴於光熱轉化劑的性能。本文製備的 BxC/C 二面體量子片具有超高的光熱轉化效率，有望在腫瘤光熱治療中展現出一定的應用前景。」對於自己的新論文，西南大學材料與能源學院副教授劉輝表示。

圖 | 劉輝（來源：劉輝）

該研究的背景在於，癌症因其複雜性、多樣性和異質性，已成為當前嚴重威脅人類健康的重大疾病之一。光熱療法（Photothermal therapy，PTT）因具有良好的時空可控性、無創或微創性等優點，是臨床上治療腫瘤的一種很有前途的選擇，被稱為「腫瘤綠色療法」。

另外，採用光熱治療可以對常規的放療、化療以及中藥治療起到協同、增敏的作用，還能激活機體的免疫力，增強機體對腫瘤細胞的排異反應。所以惡性腫瘤，尤其是晚期的惡性腫瘤，採用熱療既能殺死腫瘤細胞，又能夠維持病人的生命質量。

因此，開發具有近紅外（Near-infrared，NIR）光響應能力的高性能光熱劑（Photothermal agents，PTAs）對實現高效腫瘤光熱治療具有重要的臨床指導意義。目前，各國專家和學者正在努力探索和合成新的光熱轉化劑，通過功能化修飾，以期望達到理想的腫瘤治療效果。典型的例子有自組裝金鏈、選擇性蝕刻鉑立方體、聚吡咯納米顆粒、共軛小分子，以及碳納米材料等。

值得一提的是碳點（Carbon dots，CDs），因其具有相對較窄的 HOMO 和 LOMO 能帶隙（0.4~1.2 eV），在近紅外激光照射下，可吸收光和激發電子，由低激發態轉變為激發態，已發展成為一種廣受關注的光熱轉化劑。

對於碳點，吸收的能量在從激發態回到低激發態時通過非輻射振動弛豫耗散而產生熱量。然而，有相當數量的吸收能量以熒光發射的形式分散，這往往會顯著降低光熱轉換效率（Photothermal conversion efficiency，PCE），將其限制在 36-38% 左右。

（來源：Small Methods）

一般來說，為了在腫瘤區域產生足夠的熱，需要較強的能量密度（> 1.5 W cm-2）和高劑量的光熱轉化劑，但這將導致不良的生物安全問題。基於此，劉輝團隊期望通過調控其電子結構來抑制熒光性能，以期望達到提高光熱轉換效率的目的。但該策略具有相當的挑戰性，超出了已報道的納米技術的範圍。

近日，相關論文以《具有 Z-Scheme 增強機制的 BxC/C 二面體超薄量子片在 NIR-II 生物窗口下的光熱-免疫治療》（Janus-like BxC/C Quantum Sheets with Z-Scheme Mechanism Strengthen Tumor Photothermal-Immunotherapy in NIR-II Biowindow）為題，發表在 Small Methods 上 [1]，Shi-Yu Lu 擔任第一作者，劉輝擔任最後通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Small Methods ）

本文報道了一類由聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）修飾的 BxC/C 二面體量子片（BxC/C JQSs），其在近紅外區通過 Z 型光生電子-空穴分離，完全抑制熒光發射。Z 型 BxC/C 二面體量子片的異質結構，使 NIR 驅動的熱電子從 C 快速注入到共軛 BxC/C 中，實現光到熱的特異轉換。

（來源：Small Methods ）

其中，BxC/C 二面體量子片可以實現 60.6% 的超高光熱轉化效率，超過了大多數報道的非金屬光熱轉化劑，甚至接近報道的最佳金屬基光熱轉化劑。此外，BxC/C-PEG 二面體量子片在體內表現出良好的光熱穩定性和生物相容性，展現出在光熱治療中的良好潛力。注射後，在激光照射下，BxC/C 二面體量子片可通過協同光熱免疫治療，取得有效的腫瘤消除效果，同時對正常組織沒有產生不良反應。

（來源：Small Methods ）

在審稿過程中，審稿人認為：「材料設計很有趣。BxC/C JQSs 的光熱性能和生物相容性得到了很好的評價。此外，這種新的 Z 型 BxC/C-PEG JQS 通過生物窗口的協同光熱免疫療法在體外和體內顯示出有效的腫瘤消除結果，對正常組織的損傷可以忽略不計。這項工作有助於碳材料在腫瘤治療中的應用。」

還有審稿人評論：「新的 Z 型 BxC/C-PEG JQSs 由於無金屬結構而表現出出色的生物相容性，並通過協同光熱免疫療法在體外和體內顯示出有效的腫瘤消除效果。」

在該項目的實施過程中，主要涉及材料的設計與製備、表面修飾、光熱性能測試、細胞毒性檢測，以及活體抗腫瘤性能研究等幾個階段。最重要的是材料的設計與製備階段。基於目前碳材料在光熱治療中的缺陷，劉輝團隊認為從電子傳遞的角度出發，有望解決並提高碳材料的光熱轉化效率。

（來源：Small Methods ）

Z 型異質結構是一類具有獨特性能的材料結構，通過設計將兩種不同組分有機整合，有望改變電子行為，進而調控材料性能。不同於文獻中報道的方法，劉輝團隊創新性地發展了一種製備異質結的方法。利用生物質明膠為碳源、以硼酸為硼源，在高溫下溶解再結晶，隨後進行退火處理。在實驗過程中，通過調控碳源/硼源的比例，對產物的生長機理進行探究，對產物的形貌進行優化。隨後對其進行表面修飾，提高水溶性和生物相容性，最終得到性能優良的 BxC/C 二面體量子片。

（來源：Small Methods ）

在製備出形貌均一的 BxC/C 二面體量子片後，對其生長機理的解釋困擾了該團隊很長時間。在某一次休息思考中突然有所啟發，創造性地提出了「切豆腐」生長模型。將初始的生物質明膠碳比作一塊「豆腐」，將融化的硼酸液體比作「剪刀」。

在高溫條件下，液體的「剪刀」對固體的「豆腐」進行切割。當「剪刀」越多時，越容易將「豆腐」切開切勻。由於「剪刀」是流動的，在降溫後，會和「豆腐」結合在一起。因此，造就了不同硼/碳比例下的不同產物形貌。特別的，在適當的比例下「剪刀」和「豆腐」結合成為形貌均一的異質結產物。

（來源：Small Methods ）

這種新型的無金屬光熱劑在進一步的多功能腫瘤治療中，如藥物傳遞、金屬離子負載、免疫佐劑整合等方面顯示出巨大的潛力，可進行進一步的探索和挖掘。例如，在光熱治療中，造成的細胞損傷會釋放腫瘤相關抗原，引發免疫原性細胞死亡。這些抗原會呈遞給樹突狀細胞，進而激活 T 淋巴細胞。免疫系統的激活，可以防止腫瘤遷移，消除轉移瘤。這可以作為一個潛在的研究方向，探究 BxC/C 二面體量子片在消除轉移瘤模型中的性能。

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參考：

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.