深大张晗&南理工陈翔AFM综述：过渡金属硫属化物在传感、肿瘤治疗应用中的现状、挑战和前景

CYM 4年前 (2020-11-02) 8987浏览

【引言】

过渡金属硫属化物（TMDCs）在化学、生物传感和肿瘤治疗中扮演着重要角色，但目前TMDCs在传感器的大规模制造、肿瘤治疗的临床表现上均存在挑战。

针对此问题，深圳大学张晗教授和南京理工大学陈翔教授（共同通讯作者）讨论、总结了TMDCs在生物、化学传感器和肿瘤治疗领域的最新应用，对比了不同元素组成、相结构、微观形貌结构对材料性能的影响及其应用的差异。旨在评估TMDCs在传感和肿瘤治疗领域的技术成熟度，并提出集传感与治疗为一体的智能诊疗系统将成为TMDCs未来的应用方向。该论文“Transition Metal Dichalcogenides for Sensing and Oncotherapy: Status, Challenges, and Perspective”发表在《Adv. Funct. Mater.》期刊上。

【图文导读】

图1  TMDCs的元素组成、结构和应用的关系示意图

一、TMDCs材料与传感器

TMDCs具有大比表面积、可调节的带隙、合适的电学性能和低细胞毒性等特点，是一种良好的的传感器备选材料。影响传感器性能的因素包括TMDCs的元素组成、相结构和微观形貌。

元素组成：主要影响带隙、化学稳定性、生物相容性和分子亲和性。其中硫族元素是TMDCs生物毒性的主导因素，也是导致TMDCs降解的主要诱因。不同过渡金属元素与探针分子的亲和性不同。

相结构：主要分为半导体性的2H相和金属/半金属性的1T相。高电导率使1T-TMDCs成为荧光生物传感器的理想选择，而2H-TMDCs常用于各类晶体管传感器。2H-1T相变的研究则为多类型集成生物传感器开辟了一条新途径。

微观形貌：TMDCs可以分为二维薄片/薄膜（横向尺寸>100 nm）、纳米片（NSs，<100 nm）、纳米点（NDs）、纳米纤维（NFs）和纳米棒（NRs）。多数情况下，TMDCs形貌会决定传感器结构设计。

图2  不同元素（a-c）、相结构（d-f）TMDCs荧光传感器性能比较

二、生物检测：不同结构的TMDCs传感器

TMDCs纳米片和纳米点尺寸较小，可以均匀分散在溶液中或吸附于传感平台，也可以与纤维状或棒状材料结合构建传感器，更适合用于电化学、荧光、化学发光和比色生物传感器。从传感器结构上可以被统称为纳米换能单元生物传感器（Nanoscale TMDC-Based Transducing Component Biosensors）。

图3  基于纳米换能单元的TMDCs传感器（a-b）WS2纳米纤维传感器；（c）MoS2纳米棒传感器电荷转移机理；（d-e）WS2纳米片传感器

图4  TMDCs形貌对器件结构和传感应用的影响

在场效应晶体管生物传感器（FET Biosensors）中往往采用二维薄片/薄膜的TMDCs，材料横向尺寸已经达到毫米级甚至厘米级。该传感器具有较高的灵敏度、较低的探测下限（LOD）和响应时间。但是复杂单元的微尺度结构令其制造成本较高，易受到外界干扰。

图5 （a-c）用于氨基酸检测的MoS2 FET传感器；（d-e）MoS2 FET传感器循环生物检测过程的原理图与连续测量的S-t响应信号

三、TMDCs肿瘤治疗

图6  TMDCs单一和联合治疗肿瘤

TMDCs由于其高生物相容性、刺激反应性和固有的治疗效果，非常适合用于多种肿瘤治疗和生物成像。

单一治疗主要包括光热治疗（PTT）、光动力治疗（PDT）、基因治疗（GT）、免疫治疗（IT）、化学药物治疗（cT）等。基于TMDCs作为光热/光声诱导剂和药物载体，可以实现刺激响应型药物靶向释放和成像引导治疗。由于肿瘤的类型、病理分级、侵袭性和组织/器官的异质性很大，结合多种治疗方式优点的联合治疗用于改善癌症治疗。

影像引导治疗可避免正常组织损伤，提高治疗效果。因此，具有成像能力的TMDCs材料更受青睐。

图7  不同靶向修饰物的PCT纳米诊疗平台

图8  不同肿瘤治疗方式（单一、双联、三联治疗）的效果

图9  基于TMDCs的多模态成像引导治疗

图10  实际应用（a）用于肿瘤PDT的无线节拍器；（b）用于控制药物释放的摩擦式纳米发电机

图11  TMDCs应用前景展望

【小结】

综上所述，近年来开发了多种基于TMDCs的可穿戴和可生物降解的生物传感器，可以评估温度、电势、血压、O2含量和激素水平等关键生理指标。下一代智能生物传感器应该能够同时检测多个相互关联的目标分子，然后通过集成逻辑电路读取这些分子以进行快速诊断。未来基于TMDCs的肿瘤治疗研究应集中在以下几个方面：1、准确的靶向性、可控的治疗剂量；2、可控治疗进展和预后；3、能同时治疗多种肿瘤的多样化平台；4、完善生物降解性，以避免潜在的长期毒性。将生物传感和治疗集成为诊断-治疗一体化的可以极大地拓宽TMDCs的生物医学应用。

深圳大学王路得博士、南京理工大学许多、蒋连福博士为论文共同第一作者。本论文的通讯作者为深圳大学张晗教授、南京理工大学陈翔教授。

文献链接：“Transition Metal Dichalcogenides for Sensing and Oncotherapy: Status, Challenges, and Perspective”(Adv. Funct. Mater.，2020，10.1002/adfm.202004408)

团队简介

南京理工大学 二维电子材料与器件课题组

陈翔，南京理工大学材料学院教授、院长助理。2014年博士毕业于北京科技大学，师从张跃院士。2014年-2018年，获韩国政府BK21国家博士后奖学金资助，在韩国延世大学从事博士后、研究教授工作，合作导师为Jong-Hyun Ahn教授和John A. Rogers院士，现为“二维电子材料与器件课题组”负责人，主要研究方向：新型二维电子材料的晶圆级可控合成及其在集成电子学、柔性电子学、生物电子学中的应用。主持和参与国家重大科学研究计划、基金委重点项目、国际合作专项项目、韩国国家研究基金会领导者研究员支持项目、韩国先进软电子中心全球前沿项目、江苏省科技计划项目多项。迄今已取得一批有国际影响力的研究成果，授权中美韩国家发明专利5项，在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等期刊发表SCI论文30余篇，SCI他引总和1400余次，H因子21，封面文章4篇。目前担任Mater. Today、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、J. Am. Chem. Soc.等期刊的审稿人。

课题组主要依托南京理工大学“新型显示材料与器件工信部重点实验室”。该实验室由国家杰青、“万人计划” 领军人才曾海波教授创建，2016年获工信部认定，依托“材料学”与“光学工程”国家重点学科、“军用关键材料”国防特色学科，面向光电成像显示等军民重大需求，立足光电材料与器件领域前沿，开展多学科交叉前瞻性基础研究，开发军民应用关键技术，培育卓越人才。该实验室面积3500余平方米，实验室设备费原值4500万以上，拥有先进的计算仿真系统、材料可控合成系统、材料表征检测系统、以及相关电子器件性能分析与测试系统。

陈翔 教授

深圳大学 二维材料孔雀团队

张晗，深圳大学特聘教授、博士生导师。2006年本科毕业于武汉大学，获理学学士学位；2011年博士研究生毕业于新加坡南洋理工大学，获工学博士学位。2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2012年国家优秀青年科学基金获得者，2018年入选全球高被引用科学家、获教育部科技二等奖、获中国产学研合作创新奖（个人），2019年获得美国光学学会fellow、深圳市自然科学奖，广东省特支计划领军人才。主持（完成）国家自然科学基金青年科学基金项目、深港创新圈项目、深圳市发改委等国家级项目32项，省级18项，其他项目60项。发表SCI论文300余篇，70余篇ESI高引用论文，总引用次数> 32000，H因子102。

课题组依托深圳大学二维材料国际合作联合实验室。该实验室于2017年获教育部批准成立，是二维材料研究领域第一个国际合作联合实验室。联合实验室集中了深圳大学光电协同创新中心、新加坡国立大学先进二维材料和石墨烯研究中心、美国罗格斯大学材料科学与工程系等多个科研机构的研究资源，并邀请澳门大学应用物理及材料工程研究所和沙特阿拉伯国王科技大学的二维材料研究实验室加入，形成资源、优势互补。长期与美国纽约医学院曹义海院士团队、美国纽约州立大学Paras N. Prasad教授团队保持高级战略合作伙伴关系。

张晗 教授

文献推荐

  1. CVD-grown monolayer MoS2in bioabsorbable electronics and biosensors, Nature Communications, 2018, 9, 1690.
  2. Degradation behaviors and mechanisms of MoS2crystals relevant to bioabsorbable electronics, NPG Asia Materials, 2018, 10, 810.
  3. Biodegradable and Bioabsorbable Sensors Based on Two-Dimensional Materials, Journal of Materials Chemistry B, 2020, 8, 1082-1092.
  4. Highly Flexible Hybrid CMOS Inverter Based on Si Nanomembrane and Molybdenum Disulfide, Small,2016, 12, 5720.
  5. Lithography-free plasma-induced patterned growth of MoS2and its heterojunction with graphene, Nanoscale, 2016, 8, 15181.
  6. MoS2-Based Tactile Sensor for Electronic Skin Applications, Advanced Materials,2016, 28, 2556.
  7. Ultrasmall Black Phosphorus Quantum Dots: Synthesis and Use as Photothermal Agents. Angewandte Chemie,International Edition, 2015, 54, 11526-11530.
  8. Black Phosphorus: Black Phosphorus Nanosheets as a Robust Delivery Platform for Cancer Theranostics. Advanced Materials, 2016, 29, 1603276.
  9. Black phosphorus quantum dot based novel siRNA delivery systems in human pluripotent teratoma PA-1 cells. Journal of Materials Chemistry B, 2017, 5, 5433.
  10. TiL4-Coordinated Black Phosphorus Quantum Dots as an Efficient Contrast Agent for In Vivo Photoacoustic Imaging of Cancer. Small, 2017, 13, 1602896.
  11. MXene-Enabled Electrochemical Microfluidic Biosensor: Applications toward Multicomponent Continuous Monitoring in Whole Blood.Advanced Functional Materials, 29, 2018, 1807326.
  12. Eradication of tumor growth by delivering novel photothermal selenium-coated tellurium nanoheterojunctions. Science Advances, 2020, 6, eaay6825.

 本文由CYM供稿。欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenvip。

标签：
分享到