Adv. Funct. Mater.综述：黑磷在生物医学和生物传感的研究进展

【背景介绍】

2D纳米材料如石墨烯、类石墨烯及其衍生物等由于其超薄结构、大的表面体积比、优异的热和电子传导性、敏感的光响应性和强大的机械柔韧性，从而使其具有许多优于大体积相对应物的优点。同时，各种合成和改性方法使得2D纳米材料具有可控制的尺寸和丰富的功能，使其在生物成像、疾病治疗诊断和生物传感领域显示出巨大的吸引力。然而，目前石墨烯及其类似物在生物应用方面还存在一些问题。比如：石墨烯的零带隙限制了其在生物器件中的应用，而含有重金属离子的过渡金属二硫化物（TMDs）在体内的长期滞留则对生物体造成巨大的威胁。
层状黑磷（BP）作为2D纳米材料家族的一名新秀，自2014年首次被发现以来，在能量存储与转换、光电子器件、生物医学、生物传感等领域引起了广泛的研究兴趣。层状BP纳米结构包括BP纳米薄片、BP量子点和BP纳米粒子，纳米BP具有优异的表面活性、可调谐的带隙、高的载流子迁移率、温和的开/关比率、良好的生物相容性及生物降解性等特性，使得纳米BP在生物医学和生物传感领域具有独特的吸引力。尽管层状BP有这些特别吸引人的优势，但其在应用时仍然面临着巨大的障碍。比如，当暴露于环境空气或水溶液中时，层状BP会发生快速降解产生无毒的PxOy，逐渐失去原有的性能，这种环境不稳定性极大地阻碍了它在光电子和传感领域的应用。但也正因为如此，层状BP在生物医学领域应用时，即使其暴露于生理环境中都不会带来长期毒性和生物体排泄不良的风险，因为它易于降解。显然，与其他2D纳米材料相比，层状BP是一种具有突出生物降解性和生物相容性的高竞争性纳米剂。

【成果简介】

最近，北京大学郭少军研究员团队综述了黑磷（BP）材料在生物医学和生物传感方面的最新研究进展。以“Recent Advances on Black Phosphorus for Biomedicine and Biosensing”发表于Adv. Funct. Mater.期刊上。作者首先简述了二维纳米材料的优点以及纳米BP的特性，随后着重介绍了纳米BP的合成方法和功能化方法。紧接着作者从荧光成像、热成像和光声成像三个方面进行总结基于纳米BP的生物成像应用，同时也综述了利用纳米BP进行光疗以及和其他治疗手段协同的疾病治疗应用。而对于纳米BP在生物传感器方面的应用，作者则按照电化学生物传感器、场效应晶体管（FET）生物传感器、荧光生物传感器、化学发光生物传感器、电致化学发光生物传感器和比色生物传感器等不同的检测方法进行逐个介绍。最后，作者对纳米BP在生物学领域的应用现状和前景进行了展望。

【图文解读】

1、引言

图一、纳米BP在生物医学和生物传感领域的发展时间轴
2、纳米BP的制备

2.1、机械剥离法

图二、机械剥离法制备FLBP
（a）少层黑磷（FLBP）的辅助机械剥落示意图；

（b）左侧为常用的透明胶带微劈裂法剥落FLBP，右侧为Au辅助法剥落FLBP；

（c）在10个不同的样品上，FLBP的总面积；

（d~e）多层BP经Ar⁺等离子体薄化前后的光学图像；

（f）（b）中等离子体处理的薄片的反射图像；

（g）少层BP的透射电镜图，插图显示其SAED模式。

2.2、液相超声剥离法

图三、液相超声剥离法制备B P纳米片
（a）NaOH-NMP剥离制备BP纳米片的示意图；

（b~c）BP纳米片在（b）12000 rpm、（c）18000 rpm离心后的TEM图；

（d）12000 rpm和18000 rpm离心后，BP纳米片在水中的拉曼光谱；

（e）设计的封头超声装置结构示意图；

（f）在5000 rpm离心前后，具有不同沸点的各种剥落溶剂中的BP浓度；

（g）在5000rpm离心后，具有不同表面张力的各种剥落溶剂中的BP浓度。

2.3、其他剥离方法

图四、溶剂热法制备的BP量子点（BPQDs）
（a）溶胶-热法制备BPQDs的示意图；

（b~d）BPQDs的TEM图，放大TEM图和HRTEM图；

（e）通过TEM确定的100个BP QDs的横向尺寸统计分析图。

3、纳米BP功能化

3.1、物理封装

图五、水溶液中BPQDs和BPQDs/PLGA的稳定性评价
（a~b）BPQDs和BPQDs/PLGA NSs在水中存放不同时间后的吸收光谱。插图：纳米粒子溶液丁达尔现象和在808纳米时的吸收比(A/A0)的变化；

（c~d）BPQDs和BPQDs/PLGA的拉曼散射光谱；

（e~f）BPQDs和BPQDs/PLGA在水中存放不同时间后，用808 nm激光（1 w cm⁻²）照射10 min后的光热曲线。

3.2、化学修饰

图六、与磺酸钛配体配位的BP纳米片
（a）TiL₄的结构和TiL₄与BP的表面配位；

（b~c）暴露于空气0、6、24、48和72 h后，裸BP和TiL₄@BP在水中的吸收光谱；

（d~e）裸BP和Si/SiO₂上的TiL₄@BP薄片的光学图像，在室温下暴露于潮湿空气0 h（左）、12 h（中）和24 h（右）。

4、纳米BP的生物医学应用

4.1、生物成像

4.1.1、荧光成像

图七、纳米BP体内外荧光生物成像
（a~f）PBS、裸BPs、NB@BPs孵育MCF-7细胞的明场图及其相应的荧光成像图；

（g）不同时间点经尾静脉注射NB@BPs处理后的MCF-7模型荷瘤裸鼠荧光成像图；

（h）近红外辐照后，水凝胶和纤维素/BPNS组的温度变化图；

（i）辐照过程中温度随时间的变化图。

4.1.2、热成像

4.1.3、光声（PA）成像

图八、纳米BP体内外光声成像
（a）不同激发波长下TiL4@BPQDs的PA成像图；

（b）不同激发波长下TiL4@ BPQDs的PA信号及其相应的吸收强度；

（c）在680 nm不同光密度下，TiL4@BPQDs和AuNRs的PA成像图；

（d）在680纳米不同光密度下，TiL4@BPQDs和AuNRs的相应信号强度；

（e）聚乙二醇化BP纳米颗粒溶液（第一行）的体外光声图像，以及静脉注射聚乙二醇化BP纳米颗粒后不同时间间隔的肝脏、肾脏和肿瘤的体内光声成像图，并与相应的处理前图像进行了比较。

4.2、光治疗

4.2.1、光热治疗

图九、纳米BP体内光热治疗
（a）用钙黄绿素AM（活细胞染色，绿色荧光）和PI（死细胞染色，红色荧光）染色的细胞的荧光图像；

（b）各种处理后C6细胞和MCF-7细胞的相对存活率；

（c）肿瘤处随时间变化的温度升高；

（d）注射裸BPs和NB@BPs后，用1.5 W cm⁻²的808 nm近红外激光照射MCF-7模型荷瘤裸鼠10分钟后的治疗效果图。

4.2.2、光动治疗

图十、纳米BP体内光动治疗
（a）含BP纳米片的DPBF在空气中的吸收光谱随时间的变化；

（b）在TEMP存在的不同条件下BP纳米片的ESR光谱；

（c）不同浓度的超薄BP纳米薄片在激光照射和不照射处理下细胞活性；

（d）不同条件下细胞内氧化DCF荧光；

（e~f）不同治疗方法下小鼠肿瘤的生长曲线和实际肿瘤图像。

4.3、协同治疗

4.3.1、光热增强的化学疗法

图十一、光热增强的化学疗法治疗骨肉瘤
（a~b）BP-BG支架制作原理示意图及骨肉瘤消融的逐步治疗原理及随后的BP-BG支架诱导的骨再生；

（c）基于骨组织的密度变化对颅骨的微CT图像进行3D重建；

（d~e）用黑色（左）和白色（右）底物分别获得（d）BP-BG和（e）BG组的CT图。

图十二、光热增强的化学疗法治疗骨肉瘤
（a）BP纳米片作为可穿透（血脑屏障）BBB的纳米捕获剂的示意图，通过捕获Cu离子用于ND治疗来减少氧化应激的产生；

（b）在不同浓度BP纳米片下的光热效应；

（c）光热效应促进了BP纳米片的体外BBB穿透能力。插图:体外血脑屏障模型示意图；

（d）在808 nm激光照射下BP的体内光热效应:1）BP，2）NIR，3） BP+NIR；

（e）以伊文思蓝为血脑屏障完整性指标，治疗后老鼠大脑的代表性图片；

（f）不同处理后脑的近红外（NIR）荧光成像：1）Cy5-PEG-BP，2）Cy5-PEG + NIR，和3）Cy5-PEG-BP + NIR。

4.3.2、协同光/化学/基因疗法

图十三、协同光/化学疗法
（a）用于癌症协同治疗的BP-DOX的示意图；

（b）在1 W cm^-2的808 nm激光照射下BP和BP-DOX在水中的光稳定性，以ICG作为对照；

（c）不同DOX浓度下BP纳米片的DOX负载能力

（d）小鼠肿瘤生长曲线（左）和代表性肿瘤的数码照片（右）。

4.3.3、化学/光免疫疗法

图十四、（左）超声破泡法制备BP纳米片及（右）肿瘤的化学光免疫治疗示意图

5、纳米BP的生物传感器应用

5.1、电化学生物传感器

（a）基于pLL-BP纳米杂化的电化学生物传感器用于H₂O₂检测的原理；

（b）在20×10^-3 M pH 7.5 PBS中的Hb-pLL-BP-GCE，pLL-BP-GCE和Hb-pLL-GCE的循环伏安图（CV）；

（c~d）Hb-pLL-BP修饰的电极以及pLL-BP，Hb-pLL和Hb-pLL-BP修饰的电极在20×10^-3 M pH 7.5 PBS N₂饱和下加入2×10^-3 M H₂O₂前后的的CV图。

5.2、场效应晶体管（PET）生物传感器

图十六、基于纳米BP的PET生物传感器
（a）用于IgG检测的BP FET生物传感器原理图；

（b）传感器对不同浓度IgG的动态响应；

（c）以灵敏度作为目标蛋白质浓度的函数图绘制。

5.3、荧光生物传感器

图十七、基于纳米BP的荧光生物传感器
（a）用于巯基检测的BPQDs基荧光传感策略示意图；

（b）基于IFE机制用于AChE活性检测的BPQDs基荧光传感策略示意图；

（c）FL生物传感系统定量检测不同浓度的AChE（0，0.20，0.40，0.60，0.80，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，5，6，10，15，20 unit L⁻¹)；

（d）FL强度与AChE活性之间的线性关系。

5.4、化学发光生物传感器

图十八、BPQDs-H₂O₂-ClO-CL系统可能的机制

5.5、电致化学发光荧光生物传感器

图十九、基于纳米BP的电致化学发光生物传感器
（a~b）在中性条件下，Ru(bpy)₃²⁺在裸GCE和BPQD/GCE下的CVs和ECL性能；

（c）在有和没有DA的BPQD/GCE下，Ru(bpy)₃²⁺的ECL曲线；

（d）DA浓度对ECL强度的影响。

【小结】

综上所述，作者总结了层状BP的制备、功能化及其在生物医学和生物传感方面的最新研究进展。作为一种先进的2D纳米材料，层状BP拥有多种制备方法，其不同寻常的优势也被不断地利用起来。由于BP表现出层依赖的PL效果，808 nm激光照射下层状BP表现出优异的光热转换效率。因此，层状BP被广泛用于荧光成像、光热成像以及光声成像。而660 nm激光照射的超薄层状BP产生细胞毒性ROS，表明有着显著的光动力效应。因此，层状BP可以用于光动/热治疗。最重要的是，层状BP的光热效应有助于药物释放，并且可以通过控制激光照射的持续时间来定时调节药物释放。因此其光疗法也可以与其他疗法如化疗、免疫疗法、基因疗法相结合的协同治疗。此外，在生物传感应用中，受益于层状BP良好的电化学催化活性、BPQDs的独特荧光性质以及H₂O₂-ClO-CL系统显示出增强的CL性能等，其在电化学生物传感器、荧光生物传感器、化学发光生物传感器和电致化学发光荧光生物传感器中均展现出极佳的检测效果。
作者指出，尽管近年来纳米BP发展迅猛，但层状BP的合成及其在生物医学和生物传感方面的应用仍面临诸多挑战。首先，制备可控尺寸、超薄结构和可靠稳定性的层状BP仍面临着诸多问题，因此迫切需要探索高效和新颖的制备方法以获得高质量层状BP。其次，层状BP对周围环境的不稳定性极大地阻碍了其光热效应和光电性质，通过物理包封以及化学修饰的手段提高层状BP稳定性的同时，也需要平衡治疗效果与体内残留的问题，因此对层状BP需进行适度修饰即可。再者，先前报道的基于层状BP的生物医学应用过度局限于癌症相关疾病，应多考虑其他一些疾病如心血管疾病等方面的潜在应用。最后，与其他2D纳米材料相比，层状BP的生物传感器方向的探索仍处于起步阶段，纳米BP的功能策略仍主要集中在聚合物改性方面，因此开发多功能层状BP纳米复合材料以及各种便携式BPFET生物器件，将会为BP生物传感平台的创新发展提供广阔的应用前景。

文献链接：Recent Advances on Black Phosphorus for Biomedicine and Biosensing（Adv. Funct. Mater. 2019, 1900318）

本文由我亦是行人编译。

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