【背景介紹】
眾所周知，報道剝離硅（Si）不僅是硅烯地殼中含量較為豐富的元素，而且是化學合成和生生命體系和半導體工業中必不可少的、環境相容性良好的降解化學元素。硅是納米牛合成膠原蛋白和彈性蛋白所必需的，也是醫學頭發、骨骼或皮膚等器官和組織的材料重要成分。其中，報道剝離2D硅烯材料不同于其他形態的硅烯硅材料，它具有獨特的化學合成和生物理化學優勢。由外延生長方法合成的降解硅烯主要有三個缺點：（1）量產合成方向的限制；（2）垂直尺度的不均勻性；（3）從襯底材料上轉移二維層狀材料的困難性。目前通過化學法合成2D硅烯的納米牛實驗進展仍然未克服一下三個方面的困難：二維納米片合成后容易以freestanding的形式存在、大規模量產合成和結晶性良好的醫學高質量二維納米片。但是材料，由于傳統Si基納米材料本身缺乏多功能化的報道剝離應用，硅基納米材料的應用在很大程度上僅限于作為藥物遞送系統的載體。同時，硅基生物材料作為典型的無機材料，其固有的較差的生物降解性也阻礙了其在體內外生物醫學中應用和臨床轉化。
【成果簡介】
最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所的施劍林研究員和陳雨研究員（共同通訊作者）報道了通過合理設計和濕化學剝離方法獲得2D硅烯納米片，將傳統的0D納米顆粒納米系統轉化為2D硅烯納米片（SNSs），使其具有用于光觸發治療和診斷成像的物理化學性質，以及其優異的生物相容性和生物可降解性能。利用基于DFT的分子動力學（MD）計算探討了特定模擬生理條件下，2D硅烯與模擬生理環境相互作用的機理和降解行為。本文介紹了一種具有生物降解性、生物相容性和多功能性的全新2D硅基生物材料（硅烯），它具有很好的臨床應用前景。研究成果以題為“Silicene: Wet-Chemical Exfoliation Synthesis and Biodegradable Tumor Nanomedicine”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。
【圖文解讀】
圖一、2D硅烯納米片的合成與表征
（a）合成2D硅烯納米片的方案；
（b）硅烯納米片剝離工藝的示意圖，包括溫和氧化和超聲分層；
（c）原始CaSi2的SEM圖像；
（d-g）CaSi2的HR-STEM圖像、元素映射、相應的元素-線性掃描圖譜和SAED圖案；
（h-l）多層硅烯的SEM圖像、TEM圖像、HRTEM圖像和相應SAED圖案；
（m-n）幾層或單層硅質納米片的明場和暗場TEM圖像；
（o-q）合成的硅烯納米片的元素映射、HR-STEM圖像和相應SAED圖案。
圖二、2D硅烯納米片的組成和體外生物降解性
（a-e）不同降解持續時間的硅氧烷納米片的照片、吸收光譜、質量消光系數、拉曼強度分析和TEM圖像；
（f）在不同的降解持續時間中的硅烯Si 2p區域的XPS分析；
（g）硅酸中鍵合基團的定量分析；
（h）在含有O2和H2O的環境系統中，單層硅氧烷的代表性反應降解路徑；
（i）單層硅氧烷降解的氧化和崩解過程；
（j-k）消光系數殘留和硅烯烷納米片和傳統2D材料族在水中儲存不同時間后的拉曼強度殘留；
（l）不同2D納米材料的拉曼強度殘差與消光系數殘差的比較。
圖三、2D生物可降解硅烯納米片的光熱轉換性能和光熱加速降解
（a）在不同濃度的硅烷中分散在水中的硅氧烷的吸光度光譜；
（b）計算1064 nm激光照射下的光熱轉換效率；
（c）在不同功率密度、1064 nm激光照射下，分散的硅氧烷水懸浮液的光熱轉換加熱曲線；
（d）在不同濃度的1064 nm激光照射下，硅質分散的水性懸浮液的光熱轉換加熱曲線；
（e）原子層結構的快照與最小能量途徑相匹配用于在不同溫度、含水環境中的硅烯納米片的光熱加速生物降解行為；
（f）光熱轉換加熱曲線和硅氧烷水溶液的相應數字照片、紅外熱圖像顯示出不同的光熱轉化溫度；
（g-k）通過光熱處理在相應溫度下的硅氧烷水溶液的吸光度光譜、質量消光系數、具有不同放大率的TEM圖像、硅氧烷降解的相應示意圖和流體動力學尺寸和單分散性分析。
圖四、體內毒性評估和藥代動力學、生物分布分析
（a）體內毒性評估模型的示意圖；
（b）各種處理后28天內CD-1小鼠的時間依賴性體重曲線；
（c）基于在1、7和28天收集CD-1小鼠的主要器官的H＆E染色圖像的組織學分析；
（d）在各種處理后的1、7和28天，CD-1小鼠的血液生化和血液學參數；
（e）在各種處理后28天內CD-1小鼠的核心血液學、肝臟和腎臟生化參數；
（f）在SNSs-BSA后注射不同持續時間內，CD-1小鼠累積的Si排泄；
（g）在不同時間點注射Cy5.5標記的硅烯-BSA后，從攜帶4T1腫瘤的小鼠收獲的主要器官和腫瘤的熒光圖像；
（h）靜脈注射給小鼠后SNSs-BSA的血液循環曲線。
圖五、體內光熱癌癥治療和光聲成像
（a）SNSs-BSA治療評估的體內治療方案；
（b-c）紅外熱圖像和激光照射期間NIR-II和SNSs-BSA+NIR-II組中4T1-荷瘤小鼠腫瘤區域的相應溫度升高；
（d）不同處理后裸鼠的時間依賴性體重曲線；
（e）各種處理后裸鼠的體內4T1腫瘤增殖曲線；
（f）處理后21天的小鼠的腫瘤重量；
（g）不同處理后小鼠的存活曲線；
（h）H＆E染色和TUNEL染色用于病理學變化，抗原Ki-67染色用于各組腫瘤切片中的細胞增殖；
（i）處理后16天內攜帶4T1腫瘤的小鼠及其腫瘤部位的數字照片；
（j-k）體外PA圖像和作為濃度函數的SNSs-BSA溶液的PA值；
（l-m）體內PA值時間演變和尾靜脈注射后不同時間間隔腫瘤區域的PA圖像。
圖六、基于2D硅烯作為可生物降解的生物納米劑，通過光熱消融引發細胞死亡的體內機制
（a-b）體內流式細胞術凋亡測定和在各種處理下從攜帶4T1腫瘤的小鼠的腫瘤組織分離的細胞的相應定量分析；
（c）通過qPCR分析各組腫瘤組織中Bax、Bcl-2和β-肌動蛋白的mRNA水平；
（d）熱圖顯示各組中差異表達基因的mRNA表達水平；
（e）在組I-VIII中裂解腫瘤組織后通過蛋白質印跡檢測的Bax、Bcl-2和β-肌動蛋白的蛋白質水平。
【小結】
綜上所述，作者采用一種簡便、可伸縮的兩步液相/氣相脫層法，結合逐步溫和氧化引發脫層和氣化誘導脫層工藝成功地制備了一種具有明顯可降解性的新型2D硅烯納米片(SNSs)，并證明了其在近紅外生物膜中對小鼠腫瘤異種移植物的體內高效腫瘤光療作用。超薄的硅烯納米片有極高的光熱轉換效率，同時具有較高的光聲對比度。SNSs具有良好的環境可降解性和強大的光熱促進降解性。利用DFT分析揭示了在特定的模擬生理條件下，硅烯與水、氧等相關分子相互作用的機理及其降解產物。特別揭示了以2D硅烯為光納米材料的PTT引發細胞死亡的內在機理。總之，該研究通過合理設計2D硅烯的多功能性，探索其相關的理化性質，特別是在癌癥的光療方面，大大拓寬了其應用前景。
文獻鏈接：Silicene: Wet-Chemical Exfoliation Synthesis and Biodegradable Tumor Nanomedicine（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201903013）
通訊作者簡介
施劍林：中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員，博士生導師。曾任上海硅酸鹽研究所所長，高性能陶瓷與超微結構國家重點實驗室主任。1983年本科畢業于南京工業大學，1989年于上海硅酸鹽研究所獲博士學位。國家杰出青年基金獲得者（1996），教育部長江學者特聘教授（2008），國家“萬人計劃” 領軍人才。國家重點納米專項“半封閉空間機動車排放污染物治理的關鍵納米技術”（2013-2017）首席科學家。
長期從事先進陶瓷制備科學與燒結理論、介孔結構納米材料可控合成與催化和生物應用研究，近年提出納米催化醫學研究新方向。發表SCI論文480余篇，他引31,000余次，H-index為102，2015-2018年連續入選科睿唯安（Clarivate）全球高被引作者，授權中國發明專利近50項；出版《現代無機非金屬材料工藝學》、《先進陶瓷物理化學原理與技術》、《無機光學透明材料--透明陶瓷》三本專著。以第一完成人獲國家自然科學二等獎一項（2011）、上海市自然科學獎一等獎兩項（2008，2014）和上海市科技進步獎一等獎一項（2009）等科技獎勵。 另獲兩院院士評選中國十大科技進展（2005）、中國青年科技獎、中科院青年科學家獎、上海市自然科學牡丹獎、上海市科技精英等榮譽。
陳雨：中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員、博士生導師；國家自然科學基金優秀青年基金獲得者，國家“萬人計劃”青年拔尖人才，國家重點研發計劃“青年科學家”專項首席科學家（納米專項），上海市優秀學術帶頭人，中國科學院上海硅酸鹽研究所“所百人計劃”入選者。陳雨是中國抗癌協會青年理事會理事、中國化學會青年委員會委員、中國超聲醫學工程學會超聲分子影像學專業委員會委員、中國醫師協會超聲分子影像及人工智能專業委員會委員、中國醫藥生物技術協會納米生物技術分會第二屆委員會委員、中國抗癌協會納米腫瘤學專業委員會第一屆青年委員會委員、中國科學院青年聯合會委員、《Science Bulletin》Executive Board Members、《Materials Today Chemistry》Editorial Board Member、《無機材料學報》編委、《Chinese Chemical Letters》青年編委等。主要研究工作圍繞生物醫用微/納功能材料的可控制備、生物學效應及其在生物醫學中的應用。以第一或通訊作者共發表論文100余篇，包括Nature Communications(2), Chemical Reviews(1), Chemical Society Reviews(2), Accounts of Chemical Research(1), Advanced Materials(20), J. Am. Chem. Soc.(4), Angew. Chem. Int. Ed.(1), Nano Letters(2), Advanced Functional Materials(4), ACS Nano(9), Nano Today(1), Chem.(1) 等，論文被引用11000余次，H-index為55，入選2018年科睿唯安“全球高被引科學家”。
本文由CQR編譯。
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