中科院长春应化所Adv. Mater.:多功能纳米复合材料Fe@γ-Fe2O3@H-TiO2的多面应用——从光催化到多模态成像介导的癌症光热治疗

【引言】

二氧化钛因为具有较高的折射率和紫外光吸收，在颜料、食物着色和防晒产品中有广泛的应用。近年来，随着对二氧化钛的研究不断深入，二氧化钛的应用前景也在不断拓展。在环境领域，二氧化钛可充当光催化剂降解有机染料；在生物医药领域，基于二氧化钛的纳米材料被应用在体内成像、癌症治疗、蛋白质分离和杀菌等方面。然而，由于二氧化钛自身在可见光和近红外波段（Vis-NIR）吸收的缺乏，基于二氧化钛的纳米材料在光化学领域的应用受到了很大限制。因此，提高基于二氧化钛的纳米材料在Vis-NIR的吸收强度，对开拓二氧化钛材料的应用有很重要的意义。

【成果简介】

近日，中科院长春应用化学研究所林君教授课题组，通过一步还原法获得氢化TiO₂(H-TiO₂)和铁磁材料(Fe@γ-Fe₂O₃)复合的多层核壳结构纳米材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂。H-TiO₂壳在可见光/近红外光区(Vis-NIR)具有增强的光学吸收和转换能力，同时Fe@γ-Fe₂O₃内核具有较强的磁性。太阳光照射下H-TiO₂可有效降解有机染料，同时Fe@γ-Fe₂O₃更便于光催化剂Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的磁性分离和回收；由于H-TiO₂和γ-Fe₂O₃之间存在更多的电子跃迁途径，与γ-Fe₂O₃复合后H-TiO₂具有更强的光热转换效率，可实现磁靶向传递的增强光热治疗；Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂纳米复合材料兼具磁共振成像、光热成像和光声成像的三模态医学造影功能，可用于肿瘤的体内诊断和监测。该成果以题为"Rational Design of Multifunctional Fe@γ-Fe2O3@H-TiO2 Nanocomposites with Enhanced Magnetic and Photoconversion Effects for Wide Applications: From Photocatalysis to Imaging-Guided Photothermal Cancer Therapy"发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1 图示多功能、多层结构的纳米复合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂在光催化剂、光热试剂和三模态成像探针中的应用

图2 材料性能表征

A.纳米复合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的TEM图

B.纳米复合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的HAADF-STEM图和EDS线扫描

C.纳米复合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的HRTEM图

D.TiO₂和H-TiO₂的EPR图

E.TiO₂和H-TiO₂的DRS图

F.TiO₂和H-TiO₂的光学带隙

G.纳米复合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的磁化曲线

H.TiO₂、H-TiO₂和Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂光催化分解甲基蓝

I.Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂光催化分解甲基蓝前后的照片

图3 TiO₂、H-TiO₂和纳米复合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的光化学性能表征

A.TiO₂、H-TiO₂和纳米复合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的光热行为

B.不同浓度的Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂水溶液的光热升温表征

C.Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂水溶液的升降温曲线

D.Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂水溶液在降温过程中的时间与-ln(θ)线性图

E.H-TiO₂和γ-Fe₂O₃之间的电子通路

图4 细胞实验

A.与不同浓度Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂在黑暗中共培养的HeLa细胞的存活率

B.与不同浓度Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂共培养的HeLa细胞，经808 nm激光光照5分钟后的细胞存活率

C.与不同浓度H-TiO₂在黑暗中共培养的HeLa细胞的存活率

D.纳米复合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂和H-TiO₂的光毒性比较

图5 动物实验

A.纳米复合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的小鼠体内磁共振成像

B.纳米复合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的小鼠体内光热成像

C.纳米复合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂的小鼠体内光声成像

D.治疗期间各组的小鼠体重变化

E.治疗期间各组的小鼠体内肿瘤相对体积变化

F.治疗后各组小鼠的离体肿瘤照片

【小结】

本文设计合成了一种多功能的多层核壳结构纳米复合材料Fe@γ-Fe₂O₃@H-TiO₂。该纳米复合材料可在太阳光催化下分解甲基蓝并可磁分离回收再利用；同时，该材料可作为近红外响应的光热肿瘤治疗试剂，其光热转化效率可达20.58%；除此之外，该材料可实现小鼠体内的核磁共振成像、光热成像和光声成像的三模态医学成像。

文献链接：Rational Design of Multifunctional Fe@γ-Fe2O3@H-TiO2 Nanocomposites with Enhanced Magnetic and Photoconversion Effects for Wide Applications: From Photocatalysis to Imaging-Guided Photothermal Cancer Therapy(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201706747)

【团队介绍】

林君课题组自2000 年以来一直从事纳-微米结构发光材料的控制合成、形态结构和性能调控及其在显示照明及生物医学领域的应用基础研究。在各种稀土发光材料的形貌控制技术、发光薄膜及其图案化技术、特色FED发光材料、多功能稀土上转换发光材料在生物成像和药物控制传递与释放等方面做出了具有原始创新和国际影响的研究工作。曾经/正在承担科技部973项目子课题、 国家自然科学基金杰出青年基金项目、重点项目以及若干面上项目和国际合作项目。 2009年和2014年分别获吉林省科技进步一等奖和吉林省自然科学一等奖。 至今已在国内外核心期刊如Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Mater. Today、 J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Chem. Mater.等上面发表学术论文500 余篇，截止目前这些论文共被他人引用32000余次；获授权中国发明专利8项。

本文由材料人学术组gaxy供稿，材料牛整理编辑。  

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