哈工程研发新型纳米片并首次用于癌症压电催化、酶催化和声热治疗

科技日报记者 李丽云 通讯员 李颖超

低频率超声波作用在乳腺癌小鼠身上5分钟后，覆盖在肿瘤部位上的“装甲”开始启动，形成一个强大的内置电场，原地催化产生能清除肿瘤的活性氧。2小时后，肿瘤细胞陆续凋亡。哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院无机功能材料应用基础研究团队完成的这一实验，揭示了一种精准、高效的“压电催化”抗癌治疗新机制。与使用高毒性化疗药物治疗方法相比，该催化肿瘤治疗方法高效、特异性强、安全性高，以更稳定氧化还原反应结果的动态控制，为压电材料靶向肿瘤治疗设计提供了新思路。相关成果发表于《先进材料》杂志。

15日，该团队骨干成员、哈工程生物医学材料与器件研究所所长盖世丽教授介绍，恶性肿瘤发病率逐年递增，开发安全且高效的治疗方式成为多方关注的焦点。近三年，压电催化治疗成为一个新的研究热点。其主要机理是响应肿瘤部位的特异内场微环境或外源性激光、超声作用场，利用无毒/低毒纳米材料引发瘤内原位催化反应，可以高效实现肿瘤细胞的氧化损伤及细胞死亡。

BiO2-x纳米片在超声作用下压电催化、声热和酶催化治疗肿瘤的机制示意图。哈工程供图  

但在实际探索中，压电催化治疗研究仍处于起步阶段，由于纳米材料获得的能量不足以启动氧化还原反应，治疗效率偏低。该团队从材料结构设计入手，利用缺陷工程策略制备了富含氧空位的BiO2−x纳米片，并首次应用于癌症的压电催化治疗、酶催化治疗和声热治疗的协同作用。

BiO2−x纳米片形貌、晶体结构和化学组成。哈工程供图

BiO2−x纳米片注射后，仿佛给患病部位穿上了“装甲”。超声激活条件下，“装甲”启动，形成内置电场，加速电子和空穴分离，随后在原位催化产生有毒的羟基自由基和超氧阴离子等活性氧物种，从而达到肿瘤清除的目的。根据有限元建模模拟，内置电场能够调节能带结构，使有毒活性氧的产生更具能量优势。

详细的体外细胞水平评估和小鼠体内肿瘤异种移植评估都表明，可注射的BiO2−x纳米片将显著诱导超声辐射触发的细胞毒性和压电催化肿瘤清除。在细胞层面，超声处理后可明显观察到细胞死亡，同时在细胞内检测到了生成的活性氧物种。在动物层面，通过瘤内注射BiO2−x纳米片，超声后观察到显著的肿瘤清除效果，且对小鼠正常器官以及血液指标都无影响，表明具有较好的体内生物安全性。

专家评价指出，该成果对实现超声引导抗癌治疗剂的设计制备、机理突破和疗效评估等方面具有重要借鉴意义。