曲广波等在《Chemical Reviews》上合作发表黑磷综述文章

发布时间:2020-02-09  |  【打印】 【关闭

  作为第一个被成功制备的单元素二维半导体,黑磷具有高迁移率、各向异性、可调带隙等独特性能,黑磷纳米材料在催化能源、光电器件、生物医学和阻燃材料等领域具有广泛的应用前景。然而,目前对黑磷与生物系统的相互作用规律和机制的研究十分欠缺,这限制了黑磷纳米材料的高效和广泛应用。近年来,江桂斌课题组在黑磷的生物效应与调控的研究方面取得重要进展。揭示了黑磷的降解及其对水生生物的毒性效应[Environ. Sci. & Tech. (doi.org/10.1021/acs.est.9b05424)] [Environ. Sci. & Tech. Lett. 2020, 7, 35-41]。课题组与喻学锋团队合作率先揭示了化学修饰对黑磷生物效应的影响[Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14488-14493]。在上述研究中团队发现,材料界面的理化性质对黑磷与生物系统的交互作用影响巨大。而黑磷表面三配位的磷原子上存在孤电子对,展现出非常独特的化学和生物活性,表明黑磷的界面性质尤其值得关注。

   

  图1:黑磷-生物系统界面及其相互作用示意图

  基于近年来的研究基础,中国科学院生态环境研究中心江桂斌课题组曲广波等与深圳先进技术研究院喻学锋团队合作,撰写了题为“Property?Activity Relationship of Black Phosphorus at the Nano?Bio Interface: From Molecules to Organisms”(黑磷纳米生物界面的性质-活性关系:从分子到生命体)的综述,发表于化学领域的权威刊物《Chemical Reviews》。在黑磷的应用过程中,黑磷在生物体及微环境中形成了相互作用的复杂界面。黑磷-生物界面的本质是在黑磷表面和生物分子或结构表面之间形成的动态接触区域,这些区域大多存在于在含氧和水的生物微环境中(图1A)。根据生物界面的复杂程度,黑磷-生物界面可分为黑磷-液体、黑磷-分子、黑磷-生物结构、黑磷-细胞和黑磷-生物个体等多个层次的界面(图1A)。进入生物体后,明确黑磷与生物系统在黑磷-生物界面上的相互作用方式对于研究其生物效应与医学应用十分重要(图1B)。这种相互作用这直接影响其在组织中的累积和分布、细胞特异性吞噬与亚细胞的定位以及后续触发的生物学效应。因此,深入理解黑磷-生物界面及其相互作用是提高其应用效率和降低其负面影响的前提。

   

  图2. 黑磷的制备方法、性质和生物医用示意图

  本综述中,研究团队系统讨论了在黑磷纳米材料(黑磷烯)的物理化学特性、界面性质及其相关的生物效应。我们首先全面回顾了近年来黑磷的生物医学应用研究(图2)。除总结了在黑磷-生物界面上形成的相互作用方式外,还综述了黑磷应用过程中可能的多种暴露方式以及进入体内后的生物分布、细胞摄入与细胞内分布。总结了黑磷引起的多种生物效应如免疫效应以及基于免疫调控的医学应用(图3)。

  

 

  图3. 黑磷的暴露途径与免疫效应

  研究团队讨论了黑磷的环境行为和其进入环境后引起的潜在的环境风险。基于对黑磷-生物界面知识的积累与其生物效应的分子机制,研究团队还综述了黑磷纳米材料的安全设计方法和改变黑磷界面理化性质的策略(图4)。特别是如何增强黑磷的化学稳定性和调节黑磷-生物相互作用等(图5),这是影响黑磷生物效应的关键。这篇综述有助于研究者深入理解黑磷-生物界面、生物活性、应用中面临的挑战和相应策略,这些方法将有效促进黑磷这一新型二维纳米材料在各个领域的探索和实际应用。

   

  图4. 黑磷理化性质的调控方法示意图

   

  图5. 黑磷界面性质的调控方法示意图

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.chemrev.9b00445 

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