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低頻率超聲波作用在乳腺癌小鼠身上5分鐘后，覆蓋在腫瘤部位上的“裝甲”開始啟動，形成一個強(qiáng)大的內(nèi)置電場，原地催化產(chǎn)生能清除腫瘤的活性氧。2小時后，腫瘤細(xì)胞陸續(xù)凋亡。哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院無機(jī)功能材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究團(tuán)隊完成的這一實驗，揭示了一種精準(zhǔn)、高效的“壓電催化”抗癌治療新機(jī)制。與使用高毒性化療藥物治療方法相比，該催化腫瘤治療方法高效、特異性強(qiáng)、安全性高，以更穩(wěn)定氧化還原反應(yīng)結(jié)果的動態(tài)控制，為壓電材料靶向腫瘤治療設(shè)計提供了新思路。相關(guān)成果發(fā)表于《先進(jìn)材料》雜志。

15日，該團(tuán)隊骨干成員、哈工程生物醫(yī)學(xué)材料與器件研究所所長蓋世麗教授介紹，惡性腫瘤發(fā)病率逐年遞增，開發(fā)安全且高效的治療方式成為多方關(guān)注的焦點。近三年，壓電催化治療成為一個新的研究熱點。其主要機(jī)理是響應(yīng)腫瘤部位的特異內(nèi)場微環(huán)境或外源性激光、超聲作用場，利用無毒/低毒納米材料引發(fā)瘤內(nèi)原位催化反應(yīng)，可以高效實現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的氧化損傷及細(xì)胞死亡。

BiO2-x納米片在超聲作用下壓電催化、聲熱和酶催化治療腫瘤的機(jī)制示意圖。哈工程供圖??

但在實際探索中，壓電催化治療研究仍處于起步階段，由于納米材料獲得的能量不足以啟動氧化還原反應(yīng)，治療效率偏低。該團(tuán)隊從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，利用缺陷工程策略制備了富含氧空位的BiO2?x納米片，并首次應(yīng)用于癌癥的壓電催化治療、酶催化治療和聲熱治療的協(xié)同作用。

?BiO2?x納米片形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。哈工程供圖

BiO2?x納米片注射后，仿佛給患病部位穿上了“裝甲”。超聲激活條件下，“裝甲”啟動，形成內(nèi)置電場，加速電子和空穴分離，隨后在原位催化產(chǎn)生有毒的羥基自由基和超氧陰離子等活性氧物種，從而達(dá)到腫瘤清除的目的。根據(jù)有限元建模模擬，內(nèi)置電場能夠調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)，使有毒活性氧的產(chǎn)生更具能量優(yōu)勢。

詳細(xì)的體外細(xì)胞水平評估和小鼠體內(nèi)腫瘤異種移植評估都表明，可注射的BiO2?x納米片將顯著誘導(dǎo)超聲輻射觸發(fā)的細(xì)胞毒性和壓電催化腫瘤清除。在細(xì)胞層面，超聲處理后可明顯觀察到細(xì)胞死亡，同時在細(xì)胞內(nèi)檢測到了生成的活性氧物種。在動物層面，通過瘤內(nèi)注射BiO2?x納米片，超聲后觀察到顯著的腫瘤清除效果，且對小鼠正常器官以及血液指標(biāo)都無影響，表明具有較好的體內(nèi)生物安全性。

專家評價指出，該成果對實現(xiàn)超聲引導(dǎo)抗癌治療劑的設(shè)計制備、機(jī)理突破和療效評估等方面具有重要借鑒意義。

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