■ 目前，癌症已超过心血管疾病成为人类首要的致死疾病。如何有效预防和治疗癌症是人类面临的重大挑战和亟待解决的难题。新兴肿瘤治疗方法——光热治疗主要依靠光热材料将光能转化为热能，引起光照部位的局部高温，应用于肿瘤部位可杀伤癌细胞从而治疗癌症。这种局部疗法具有简单有效、创口小、身体负担轻等优点，且对人体正常组织副作用小，被誉为“绿色疗法”。近年肿瘤光热疗法得到了极大发展，其中光热材料是发展促进该治疗方式的关键。近红外光可以穿透软组织和血液，具有穿透力强、对健康组织不造成损伤等优点，是光热疗法的优势光源。但目前被报道的大部分光热材料在近红外区的光捕获能力不强，低效的光热转换性能制约了其在肿瘤光热治疗的实际应用。因此开发具有近红外区高光捕获效率的光热材料提高光热疗效具有重要意义。

■ 鉴于此，该合作团队从原子水平切入，设计了二维过渡金属碳化物/氮化物家族MXene（Mn+1Xn, n=1, 2, 3, X=C, N），以金属碳氮化物（Ti3CN）超薄纳米片为示例，阐述了如何构建近红外区高光捕获的光热材料。利用电负性更强的氮的电子注入优势增强MXene的局域表面等离子体共振（LSPR）从而增强近红外吸收。X射线光电子能谱和同步辐射精细吸收谱的测试结果证实了金属碳氮化物的成功制备，紫外-可见-近红外光吸收光谱的测试结果验证了结构氮引入的Ti3CN超薄纳米片具有高效的近红外吸收性能（在808 nm处为36.6 L g-1 cm-1，在1064 nm处为43.5 L g-1 cm-1）。小鼠治疗实验结果表明，应用金属碳氮化物Ti3CN材料的光热疗法治疗小鼠肿瘤后，肿瘤组织完全根除且没有复发，肿瘤抑制率达到100%。该工作从原子组成与物理化学性质之间的关联出发，证实了采用阴离子调制手段用于设计高效光热治疗MXene材料的可行性和有效性，为近红外高光捕获光热材料的设计提供了思路。

■ 作者采用了一种拓扑刻蚀和剥离的方法合成碳氮化物MXene，记为Ti3CN，而不考虑C/N比。首先，用LiF和盐酸选择性地腐蚀陶瓷块体Ti3AlCN中的铝层，形成多层Ti3CN(m-Ti3CN)。随后，将Li+插层在m-Ti3CN层间，然后通过超声作用，导致分层形成水悬浮液中分离的Ti3CN纳米片，即d-Ti3CN。扫描电子显微镜图像显示了从独特的层状块体到明显的手风琴结构的形态转变。超声剥离的d-Ti3CN的厚度为3-5 nm，整体形态适合于生物医学应用。

图1. 金属碳化物d-Ti3CN的制备和表征

■ 作者将BSA吸附在d-Ti3CN纳米片上形成d-Ti3CN-BSA，BSA不改变原有的近红外吸收和表面电荷，提高其在生理环境中的分散稳定性。激光共聚焦扫描显微镜显示d-Ti3CN-BSA在细胞内被有效摄取。d-Ti3CN-BSA本身对癌细胞没有毒性，但是联合808或1064 nm照射可杀死大部分肿瘤细胞，杀伤临界浓度低至6.3 µg mL−1。表明通过MXene的阴离子调制，在体外对癌细胞具有良好的光热抑制作用。

图 2. 癌细胞的体外摄取与光热治疗

■ 静脉注射d-Ti3CN-BSA到4T1荷瘤小鼠后，发现d-Ti3CN主要在肝脏和肿瘤中富集。肝脏最大摄取时间为12h，肿瘤为24h。d-Ti3CN的抗肿瘤性能卓越，照射部位肿瘤迅速升温，可以提高NIR-II区肿瘤区域的最高温度，d-Ti3CN和近红外光治疗3天后，肿瘤消失，仅留下黑色疤痕，并且长期治疗后无复发。

图 3. 体内光热疗法和金属碳化物的生物分布分析

■ 作者开发了一种独特的金属碳氮化物MXene(d-Ti3CN)，用于体内外高效的光子热疗。特别是，阴离子调制允许MXene保持金属结构，但增加了MXene的电子数量。电子结构优化后的d-Ti3CN表现出近红外吸收，在NIR-II区的吸收明显高于其他MXenes。优越的光热性能使得光热疗法在体外和体内都能有效地对抗肿瘤。BSA修饰的d-Ti3CN在NIR-I和NIR-II生物窗口下表现出良好的肿瘤抑制作用。此外，1064 nm照射可达到无瘤治疗效果，且副作用少。研究突出了基于MXene的PTA在原子水平上的合理设计，期待着越来越多的基于这种方法和应用的创新而具有良好的生物应用和临床应用的候选药物出现。

■ 周敏，中国科学技术大学化学与材料科学学院特任教授，博士生导师，2019年入选国家高层次人才计划青年项目。于2012年获得中国科学技术大学博士学位，并在德国伊尔梅瑙理工大学开展博士后研究工作，2019年加入中科大，在Nat. Energy, PNAS, Chem, Joule, JACS, Angew. Chem., Adv. Mater.等国际顶尖期刊上发表60余篇研究论文，近五年被引超6000次，H因子为37。现为期刊J. Semi. 编委，Smart Mater青年编委。

■ 课题组主要研究方向聚焦“功能材料结构基元的空间序构及其在储能领域的应用”，包括在功能材料结构单元的设计、优化及其在二次离子电池、金属气体电池中的原位演化等。热忱欢迎优秀博士后或特任副研究员的加入，并提供优厚待遇与支持。详情请发邮件至[email protected]联系咨询。