Adv. Mater.报道：硅烯的湿化学剥离合成和生物可降解纳米医学

【背景介绍】

众所周知，硅（Si）不仅是地壳中含量较为丰富的元素，而且是生命体系和半导体工业中必不可少的、环境相容性良好的化学元素。硅是合成胶原蛋白和弹性蛋白所必需的，也是头发、骨骼或皮肤等器官和组织的重要成分。其中，2D硅烯材料不同于其他形态的硅材料，它具有独特的物理化学优势。由外延生长方法合成的硅烯主要有三个缺点：（1）量产合成方向的限制；（2）垂直尺度的不均匀性；（3）从衬底材料上转移二维层状材料的困难性。目前通过化学法合成2D硅烯的实验进展仍然未克服一下三个方面的困难：二维纳米片合成后容易以freestanding的形式存在、大规模量产合成和结晶性良好的高质量二维纳米片。但是，由于传统Si基纳米材料本身缺乏多功能化的应用，硅基纳米材料的应用在很大程度上仅限于作为药物递送系统的载体。同时，硅基生物材料作为典型的无机材料，其固有的较差的生物降解性也阻碍了其在体内外生物医学中应用和临床转化。

【成果简介】

最近，中国科学院上海硅酸盐研究所的施剑林研究员和陈雨研究员（共同通讯作者）报道了通过合理设计和湿化学剥离方法获得2D硅烯纳米片，将传统的0D纳米颗粒纳米系统转化为2D硅烯纳米片（SNSs），使其具有用于光触发治疗和诊断成像的物理化学性质，以及其优异的生物相容性和生物可降解性能。利用基于DFT的分子动力学（MD）计算探讨了特定模拟生理条件下，2D硅烯与模拟生理环境相互作用的机理和降解行为。本文介绍了一种具有生物降解性、生物相容性和多功能性的全新2D硅基生物材料（硅烯），它具有很好的临床应用前景。研究成果以题为“Silicene: Wet-Chemical Exfoliation Synthesis and Biodegradable Tumor Nanomedicine”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文解读】

图一、2D硅烯纳米片的合成与表征
（a）合成2D硅烯纳米片的方案；

（b）硅烯纳米片剥离工艺的示意图，包括温和氧化和超声分层；

（c）原始CaSi₂的SEM图像；

（d-g）CaSi₂的HR-STEM图像、元素映射、相应的元素-线性扫描图谱和SAED图案；

（h-l）多层硅烯的SEM图像、TEM图像、HRTEM图像和相应SAED图案；

（m-n）几层或单层硅质纳米片的明场和暗场TEM图像；

（o-q）合成的硅烯纳米片的元素映射、HR-STEM图像和相应SAED图案。

图二、2D硅烯纳米片的组成和体外生物降解性
（a-e）不同降解持续时间的硅氧烷纳米片的照片、吸收光谱、质量消光系数、拉曼强度分析和TEM图像；

（f）在不同的降解持续时间中的硅烯Si 2p区域的XPS分析；

（g）硅酸中键合基团的定量分析；

（h）在含有O₂和H₂O的环境系统中，单层硅氧烷的代表性反应降解路径；

（i）单层硅氧烷降解的氧化和崩解过程；

（j-k）消光系数残留和硅烯烷纳米片和传统2D材料族在水中储存不同时间后的拉曼强度残留；

（l）不同2D纳米材料的拉曼强度残差与消光系数残差的比较。

图三、2D生物可降解硅烯纳米片的光热转换性能和光热加速降解
（a）在不同浓度的硅烷中分散在水中的硅氧烷的吸光度光谱；

（b）计算1064 nm激光照射下的光热转换效率；

（c）在不同功率密度、1064 nm激光照射下，分散的硅氧烷水悬浮液的光热转换加热曲线；

（d）在不同浓度的1064 nm激光照射下，硅质分散的水性悬浮液的光热转换加热曲线；

（e）原子层结构的快照与最小能量途径相匹配用于在不同温度、含水环境中的硅烯纳米片的光热加速生物降解行为；

（f）光热转换加热曲线和硅氧烷水溶液的相应数字照片、红外热图像显示出不同的光热转化温度；

（g-k）通过光热处理在相应温度下的硅氧烷水溶液的吸光度光谱、质量消光系数、具有不同放大率的TEM图像、硅氧烷降解的相应示意图和流体动力学尺寸和单分散性分析。

图四、体内毒性评估和药代动力学、生物分布分析
（a）体内毒性评估模型的示意图；

（b）各种处理后28天内CD-1小鼠的时间依赖性体重曲线；

（c）基于在1、7和28天收集CD-1小鼠的主要器官的H＆E染色图像的组织学分析；

（d）在各种处理后的1、7和28天，CD-1小鼠的血液生化和血液学参数；

（e）在各种处理后28天内CD-1小鼠的核心血液学、肝脏和肾脏生化参数；

（f）在SNSs-BSA后注射不同持续时间内，CD-1小鼠累积的Si排泄；

（g）在不同时间点注射Cy5.5标记的硅烯-BSA后，从携带4T1肿瘤的小鼠收获的主要器官和肿瘤的荧光图像；

（h）静脉注射给小鼠后SNSs-BSA的血液循环曲线。

图五、体内光热癌症治疗和光声成像
（a）SNSs-BSA治疗评估的体内治疗方案；

（b-c）红外热图像和激光照射期间NIR-II和SNSs-BSA+NIR-II组中4T1-荷瘤小鼠肿瘤区域的相应温度升高；

（d）不同处理后裸鼠的时间依赖性体重曲线；

（e）各种处理后裸鼠的体内4T1肿瘤增殖曲线；

（f）处理后21天的小鼠的肿瘤重量；

（g）不同处理后小鼠的存活曲线；

（h）H＆E染色和TUNEL染色用于病理学变化，抗原Ki-67染色用于各组肿瘤切片中的细胞增殖；

（i）处理后16天内携带4T1肿瘤的小鼠及其肿瘤部位的数字照片；

（j-k）体外PA图像和作为浓度函数的SNSs-BSA溶液的PA值；

（l-m）体内PA值时间演变和尾静脉注射后不同时间间隔肿瘤区域的PA图像。

图六、基于2D硅烯作为可生物降解的生物纳米剂，通过光热消融引发细胞死亡的体内机制
（a-b）体内流式细胞术凋亡测定和在各种处理下从携带4T1肿瘤的小鼠的肿瘤组织分离的细胞的相应定量分析；

（c）通过qPCR分析各组肿瘤组织中Bax、Bcl-2和β-肌动蛋白的mRNA水平；

（d）热图显示各组中差异表达基因的mRNA表达水平；

（e）在组I-VIII中裂解肿瘤组织后通过蛋白质印迹检测的Bax、Bcl-2和β-肌动蛋白的蛋白质水平。

【小结】

综上所述，作者采用一种简便、可伸缩的两步液相/气相脱层法，结合逐步温和氧化引发脱层和气化诱导脱层工艺成功地制备了一种具有明显可降解性的新型2D硅烯纳米片(SNSs)，并证明了其在近红外生物膜中对小鼠肿瘤异种移植物的体内高效肿瘤光疗作用。超薄的硅烯纳米片有极高的光热转换效率，同时具有较高的光声对比度。SNSs具有良好的环境可降解性和强大的光热促进降解性。利用DFT分析揭示了在特定的模拟生理条件下，硅烯与水、氧等相关分子相互作用的机理及其降解产物。特别揭示了以2D硅烯为光纳米材料的PTT引发细胞死亡的内在机理。总之，该研究通过合理设计2D硅烯的多功能性，探索其相关的理化性质，特别是在癌症的光疗方面，大大拓宽了其应用前景。

文献链接：Silicene: Wet-Chemical Exfoliation Synthesis and Biodegradable Tumor Nanomedicine（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201903013）

通讯作者简介

施剑林：中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师。曾任上海硅酸盐研究所所长，高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室主任。1983年本科毕业于南京工业大学，1989年于上海硅酸盐研究所获博士学位。国家杰出青年基金获得者（1996），教育部长江学者特聘教授（2008），国家“万人计划” 领军人才。国家重点纳米专项“半封闭空间机动车排放污染物治理的关键纳米技术”（2013-2017）首席科学家。

长期从事先进陶瓷制备科学与烧结理论、介孔结构纳米材料可控合成与催化和生物应用研究，近年提出纳米催化医学研究新方向。发表SCI论文480余篇，他引31,000余次，H-index为102，2015-2018年连续入选科睿唯安（Clarivate）全球高被引作者，授权中国发明专利近50项；出版《现代无机非金属材料工艺学》、《先进陶瓷物理化学原理与技术》、《无机光学透明材料--透明陶瓷》三本专著。以第一完成人获国家自然科学二等奖一项（2011）、上海市自然科学奖一等奖两项（2008，2014）和上海市科技进步奖一等奖一项（2009）等科技奖励。 另获两院院士评选中国十大科技进展（2005）、中国青年科技奖、中科院青年科学家奖、上海市自然科学牡丹奖、上海市科技精英等荣誉。
陈雨：中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、博士生导师；国家自然科学基金优秀青年基金获得者，国家“万人计划”青年拔尖人才，国家重点研发计划“青年科学家”专项首席科学家（纳米专项），上海市优秀学术带头人，中国科学院上海硅酸盐研究所“所百人计划”入选者。陈雨是中国抗癌协会青年理事会理事、中国化学会青年委员会委员、中国超声医学工程学会超声分子影像学专业委员会委员、中国医师协会超声分子影像及人工智能专业委员会委员、中国医药生物技术协会纳米生物技术分会第二届委员会委员、中国抗癌协会纳米肿瘤学专业委员会第一届青年委员会委员、中国科学院青年联合会委员、《Science Bulletin》Executive Board Members、《Materials Today Chemistry》Editorial Board Member、《无机材料学报》编委、《Chinese Chemical Letters》青年编委等。主要研究工作围绕生物医用微/纳功能材料的可控制备、生物学效应及其在生物医学中的应用。以第一或通讯作者共发表论文100余篇，包括Nature Communications (2), Chemical Reviews (1), Chemical Society Reviews (2), Accounts of Chemical Research (1), Advanced Materials (20), J. Am. Chem. Soc. (4), Angew. Chem. Int. Ed. (1), Nano Letters (2), Advanced Functional Materials (4), ACS Nano (9), Nano Today (1), Chem. (1) 等，论文被引用11000余次，H-index为55，入选2018年科睿唯安“全球高被引科学家”。

本文由CQR编译。

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