哈工程杨飘萍团队Nano Letters：光刻蚀法制备氧空位压电纳米片用于超声“解锁”肿瘤协同治疗

压电动力疗法(PzDT)是一种利用机械能触发压电材料极化的肿瘤治疗方法。在超声（US）的作用下，空化气泡破裂产生的巨大压力作为压电声敏剂的机械力来源具有可实现的潜力。压电材料内部可形成内置电场，导致能带弯曲、电子-空穴对分离以及在肿瘤微环境中进行氧化还原反应。其中，载流子浓度、载流子复合速率和压电材料的活性位点会影响材料的压电性能，进而影响PzDT的效率。可以通过多种方法来提高PzDT的效率，例如利用掺杂工程来改变晶体结构、相组成和晶粒尺寸。掺杂工程不仅可以影响材料的压电性能，同时一些掺杂离子可以与肿瘤微环境中过表达的H₂O₂发生反应，生成有毒性的·OH，从而大大提高活性氧（ROS）的产率。氧空位工程在提高纳米材料的催化性能方面起着极其重要的作用。氧空位可以显著改变半导体的电子结构，提高电荷输运能力，特别是在二维纳米材料中，氧空位可以大大增强催化性能。氧空位可分为表面氧空位和体相氧空位。表面氧空位可以作为反应底物在材料表面的吸附和活化位点，提高材料的催化活性和反应速率。因此，制造表面氧空位以提高化学动力学治疗（CDT）的反应速率的方法是非常有吸引力的。氧空位可以在导带或价带边缘引入新的局域态，有效地调制能带结构，抑制表面的电荷复合，使电子和空穴更容易分离。因此，制备带有氧空位的压电型声敏剂可以优化肿瘤治疗效果。

BiOCl (BOC)是一种特殊的三元氧化物，因其毒性低、化学稳定性好、电子结构易于调节而被广泛使用。独特的各向异性层状结构有助于形成具有高度暴露表面的二维纳米片。二维材料的原子大多位于材料表面，更容易在材料表面吸附原子或构造缺陷，从而加速反应。此外，BOC具有明显的压电特性，由于其内部正电荷中心和负电荷中心不重合，在外力作用下产生电荷分离，从而实现机械能向电能的转变。

近期，哈尔滨工程大学杨飘萍团队设计了具有表面氧空位的二维Cu掺杂BiOCl纳米片(SV-CBOC NSs)用于协同抗癌治疗(图1)。通过光蚀刻策略构建在这些钙钛矿结构纳米片上构建表面氧空位，作为电子陷阱，能有效抑制电子与空穴的复合。利用US产生的压力来调制纳米片内部的极化状态，形成内置电场，从而提高电子与空穴的分离效率。电子可以还原O₂生成O₂^·−，从而杀死肿瘤细胞。同时，Cu掺杂和电子向Cu²⁺的转移可以增强H₂O₂分解，从而增强·OH的生成能力，生成更多的ROS。PzDT、SDT和CDT的这种完美结合加剧了对肿瘤细胞的杀伤作用，为US介导的肿瘤多模式治疗提供了新的方向和参考。

图1 SV-CBOC NSs的制备及其协同治疗机制示意图。

图2 制备的BOC和SV-CBOC NSs的表征。a) SV-CBOC NSs的TEM和元素映射。b, c) SV-CBOC NSs的高分辨率TEM图像和晶面间距。d) SV-CBOC NSs对应的SAED图。e) SV-CBOC NSs的EDS图谱和背景基线。f) XRD谱图。g) BOC和SV-CBOC NSs的粒径分布。h) BOC的晶体结构。i) SV-CBOC的XPS测量谱。j- 1) SV-CBOC的Bi 4f, O 1s和Cu 2p的高分辨率XPS光谱。

图3 a) SV-CBOC NSs的CDT、PzDT和SDT示意图。b, c)不同条件下DMPO捕获的·OH和O2·−的ESR谱。d) ESR谱显示了BOC、CBOC、SV-BOC和SV-CBOC NSs的缺陷结构。e) TA探针检测SV-CBOC NSs在US作用下生成·OH能力的荧光光谱。f) SV-CBOC NSs在US照射下随时间的变化TMB吸光度。g) DHR123探针检测在US下SV-CBOC NSs产生O2·−的荧光光谱。h) SV-CBOC NSs在US照射下处理后DTNB的时间依赖性吸光度谱。i) BOC和SV-CBOC NSs的能带隙。j) SV-CBOC NSs的Mott-Schottky曲线。k) BOC和SV-CBOC NSs的压电电流曲线。l) SV-CBOC NSs的PFM表征（振幅蝴蝶环和相位滞后环）。m) SV-CBOC NSs在US刺激下的声压电效应示意图。n) BOC和SV-CBOC NSs的能带理论示意图。

图4 a)不同孵育时间间隔后4T1癌细胞对FITC标记SV-CBOC NSs的细胞摄取。b)不同处理下4T1癌细胞的细胞活力。c) JC-1探针中单体和聚集体的荧光相关性。d)不同处理后Calcein-AM和PI染色的4T1癌细胞共聚焦图像。e)不同处理后Annexin V-FITC/PI染色细胞的流式细胞术凋亡分析。f, g)不同处理细胞的O2·−和ROS水平。h)流式细胞术分析不同处理后4T1细胞胞内ROS生成情况。i) ATP测定试剂盒测定不同处理后4T1癌细胞的相对ATP水平。j)不同处理后4T1细胞GSH耗竭情况。

图5 a) SV-CBOC NSs成像详细流程图。b) SV-CBOC NSs在不同浓度PBS中溶解的体外CT伪彩图像。c)不同浓度的SV-CBOC NSs体外CT值。d)注射SV-CBOC溶液前后荷瘤小鼠体内CT图像及相应沿肿瘤切片CT值。e)不同时间间隔静脉注射SV-CBOC NSs后4T1荷瘤小鼠体内横切面、心脏、肝脏CT图像。f) 静脉注射SV-CBOC NSs后随时间变化的肿瘤区域CT值。g) SV-CBOC NSs抗肿瘤作用示意图。h)静脉注射SV-CBOC溶液3、6、12、24、48 h时Bi在主要组织和肿瘤中的生物分布情况。i)静脉注射SV-CBOC溶液后的血液循环曲线。j)静脉注射SV-CBOC的血液循环消除率曲线。k)不同处理组荷瘤小鼠在治疗过程中的个体肿瘤生长曲线(n = 5)。l)各处理组小鼠体重(n = 5) m)相应的切除肿瘤照片。n)不同治疗组肿瘤组织H&E、TUNEL染色图像。

杨飘萍团队通过掺杂工程和缺陷工程策略设计了具有大量表面氧空位的超薄CBOC NSs。US刺激触发压电响应，促进ROS生成，同时加速Cu (II)向Cu (I)的转化和GSH的氧化。光刻蚀后产生表面氧空位，大大提高了催化效率，减小了带隙，提高了载流子的分离率。通过Cu掺杂，增加了ROS的生成，降低了肿瘤微环境中的H₂O₂，进一步增强了治疗效果。这项研究不仅将US信号转化为电信号，还与其他治疗方式相结合，达到有效的抗肿瘤效果，通过掺杂工程和缺陷工程，增强了压电材料在肿瘤治疗领域的应用前景。

相关工作以“Oxygen vacancy piezoelectric nanosheets constructed by photo-etching strategy for ultrasound “unlocked” tumor synergistic therapy”为题发表在Nano Letters上。哈尔滨工程大学杨飘萍教授、冯莉莉副教授，解放军总医院许荣宸副主任医师为本文通讯作者。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c01656