PARTICUOLOGY | 昆士兰大学许志平教授课题组：设计二维纳米材料中的晶格缺陷，强化生物医学性能

天然和仿生颗粒专刊文章

Natural and Biomimetic Particles in Bio-applications

客座编辑：马光辉、魏炜、赵春霞

Engineering lattice defects in 2D nanomaterials for enhancing biomedical performances

Zhi Qi（齐帜）, Li Li, Zhi Ping Xu（许志平）

DOI: 10.1016/j.partic.2021.06.005

Keywords: 2D nanomaterials; Engineering lattice defects; Cancer theranostics; Phototherapy

自2004年首次成功剥离石墨烯以来，研究者们已陆续开发出越来越多的二维（2D）纳米材料。2D纳米材料拥有独特的光学、热学和电子特性，且因其大比表面积、高药物负载量等优点在生物医学工程领域得到广泛研究和应用。2D纳米材料对应的三维形态通常呈现出由范德华力或静电作用而堆积在一起的紧密层状结构。癌症诊断与治疗是2D纳米材料的常见用途之一，如作为核磁共振成像（MRI）的造影剂、药物靶向投递的载体、以及光热（PTT）和光动力学（PDT）疗法的材料等。

通常晶格缺陷能够通过改变其附近的电子结构和化学键而显著提升纳米材料性能。近期研究表明，2D纳米材料上的晶格缺陷能够提升药物负载量和光疗效率，还可以增强计算机断层扫描（CT）、光听觉（PA）和MRI成像等诊察的信号，提高肿瘤诊断和治疗的效果。晶格缺陷通常在材料合成时或多或少自然产生；近期一系列研究表明，晶格缺陷同样可以通过一定的设计步骤人工诱导产生。

近日，昆士兰大学许志平教授课题组在Particuology上发表综述文章，深入总结了2D纳米材料晶格缺陷在生物医学领域的研究进展，并重点讨论了富缺陷2D纳米材料的种类、合成方法和生物应用。

图1. 2D纳米材料的种类、缺陷工程策略、缺陷表征技术及生物应用前景。

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#1

2D纳米材料的结构缺陷

纳米材料的晶体缺陷能够促进电荷传递，也是发生反应的活性部位。相对于3D纳米材料，2D纳米材料由于其较小的厚度和结晶度，在合成过程（如剥离，水热等）中容易产生更多缺陷。2D纳米材料中常见缺陷为点缺陷、线缺陷和面缺陷。在合成过程中，点缺陷通常会自发产生，而线缺陷和面缺陷有时会在晶体不均匀生长时出现。这些缺陷通常可以通过TEM、STEM、STEM-ADF等高分辨率电子显微镜直接观察，或通过XPS和元素分析等手段间接证实。

图2. 2D纳米材料的结构缺陷。

#2

层状氢氧化物 (LDH)

LDH的纵横比一般为5–10，是一种典型的2D纳米材料。LDH由数层二价和三价金属离子的混合氢氧化物构成，因携带三价金属离子而带有正电荷。插层间有平衡正电荷的阴离子，其种类显著影响层间距。因其高效的阴离子交换能力，LDH可以用于投递多种医用分子，如化疗药物、光疗药物、蛋白质与核酸等。LDH也容易与其它纳米材料结合，形成纳米复合体。用于生物医学的LDH通常使用金属离子在碱性溶液进行共沉淀的方法合成。富缺陷LDH的最初研究重点在于增强LDH的电化学性能，如催化速率等。而近期富缺陷LDH有了全新研究领域，即在生物医学方面的应用。研究表明含铜的富缺陷LDH相比结构更完整的LDH拥有更高的光热转化性能和MRI信号强度。对LDH 进行酸处理可使其进一步产生缺陷，显著增强MRI信号和光疗的效果。

#3

过渡金属二硫化物 (TMD)

单层TMD包含过渡金属元素和硫族元素（如硫、硒、碲等）。由于拥有较小的厚度和半导电的导电性能等优势，TMD适用于多种诊疗场景。2D TMD可以通过自上而下和自下而上两种策略合成。自上而下的策略包括溶液剥离法、乳化剂剥离法、热循环剥离法等；自下而上的策略包括化学气相沉淀法、硫代盐热解法、基质生长法等。近期实验表明，在合成2D TMD时改变硫与金属的比例可诱导生成富缺陷的TMD纳米薄片。在生物医学方向，2D TMD可作为治疗癌症的PDT媒介和药物载体，其晶体缺陷可进一步增强治疗效果。

#4

迈克烯 (MXene)

MXene的化学式为M_n+1X_nT_x，其中M为过渡金属元素，X是碳元素或氮元素，而T是表面末端集团（=O，-F，-OH等）。MXene的制备可以通过预先合成3D前体材料MAX（M_n+1AX_n, A 为硼族或碳族元素），再经由氢氟酸刻蚀其中的硼族或碳族元素（A）。MXene也可以通过化学气相沉淀法、脉冲激光沉淀法或盐模板法来制备。用化学气相沉淀法合成时，MXene的厚度和结晶度随合成温度升高而降低，并在晶体表面产生缺位。通过此方法可以合成发荧光的MXene量子点（MQD），在生物成像应用方面有广阔的发展前景。

#5

金属有机框架 (MOF)

MOF是由有机配体和金属阳离子通过配位键自组装形成的有机–无机杂化材料。2D MOF可以通过溶剂热合成法、机械剥离法等方法合成。因其能够整合多种官能团并具有多孔、高强度等特点，富缺陷MOF纳米薄片成为近年来生物医学领域的重点研究材料之一。近期研究表明，MOF纳米薄片上的晶体缺陷能够增强其药物投递、光疗和肿瘤诊断的性能。

#6

其它强化诊疗效果的2D纳米材料

本文还讨论了包括过渡金属氢氧化物（TMH）和氯氧化铋（BiOCl）等可以人工产生结构缺陷的2D纳米材料。2D TMH的合成方法包括使用插层分子剥离、水热法、以及氧化腐蚀等。富缺陷2D TMH可以通过硫化氢和TMH进行气固反应获得。以此方法制成的富缺陷2D TMH或可用于肿瘤诊疗。富缺陷BiOCl可以通过紫外照射原始BiOCl纳米薄片获得。BiOCl上的缺陷可以增强其吸光度和PTT效率，同时还可以放大BiOCl的PA信号，使其成为潜在的诊疗材料。

#7

总结与展望

近期2D富缺陷纳米材料的研究进展已经表明其在疾病诊疗领域拥有巨大的应用潜能。因其加速电子转移的能力和开放的吸附位点，晶格缺陷可以提升2D纳米材料的吸光度、光热转换效率、药物负载能力、MRI信号等性能。未来富缺陷2D纳米材料或被用于实现更多的图像引导疗法和综合疗法。综上所述，2D纳米材料通常富于内源性缺陷，而通过调整反应物比例、酸性刻蚀、水热处理等人工处理手段能更进一步提升晶格缺陷。其它提升纳米材料缺陷度的方法，如离子束刻蚀、电子束刻蚀、化学配体刻蚀等方法仍有待探讨。当然，也有研究表明材料缺陷过多会导致生物相容性降低。未来的研究应在设计生成可控缺陷的同时测试最适合诊疗应用的纳米材料缺陷度。

第一作者

齐 帜

● 齐帜，本科毕业于加州大学戴维斯分校， 2021年从澳洲昆士兰大学获得硕士学位。

通讯作者

许 志 平

● 许志平，本科毕业于中国科学技术大学， 2001年从新加坡国立大学获得博士学位，现任昆士兰大学教授，澳大利亚生物工程与纳米技术研究所资深课题组长。重点研究基于无机纳米材料的癌症诊疗。获得共计两千多万澳元的研究资助。曾在著名期刊Nat.Plants，Adv. Mater.，JACS，Nano Lett.，Angew.Chem.Int.Ed.等发表文章300余篇，并获得超过15000次引用。

供稿：原文作者

编辑：《颗粒学报》编辑部

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