《Adv Mater》：通过异质结材料提高声动力疗法效率！

来源：材料科学与工程

用于治疗癌症和细菌感染的非侵入性治疗策略已经引起了极大的关注。尽管包括光热和光动力疗法在内的光疗已经得到了广泛的研究，但光疗的致命弱点是其深入组织的能力有限。超声波(US)疗法是为了解决光疗法的缺点而开发的，因为US可以穿透皮肤下超过5厘米，而不受人类皮肤或结缔组织的影响。到目前为止，最具代表性的超声策略是声动力疗法(SDT)。然而，肿瘤深部组织或感染部位的低氧微环境限制了SDT效率。

近日，湖北大学刘想梅教授和天津大学吴水林教授（共同通讯），提出可生物降解的RP材料，通过US界面工程技术，在半导体和金属之间构建一个异质结界面来解决这一问题。相关论文以题为“Ultrasonic Interfacial Engineering of Red Phosphorous–Metal for Eradicating MRSA Infection Effectively”于12月22日发表在Advanced Materials上。

研究结果显示，通过开发金属-红磷(RP)的超声界面工程，与单独的金属相比，在25分钟的连续超声(us)激发下，其声热能力明显提高了20℃以上。当超声波穿透2.5 cm的猪肉组织时，钛-RP可以在原位加热。此外，通过体内声热治疗，在不到20min的超声时间内成功消除了由耐多药金黄色葡萄球菌(MRSA)引起的骨感染，而没有组织损伤。本研究为声热材料的设计指明了一个研究方向，可为超声治疗提供另一种策略，尤其是在生物医学材料领域。

研究人员用化学气相沉积法制备了钛-RP异质结；通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)和能量色散光谱仪(EDS)观察微观形态(图1)。通过场发射电子显微镜可以观察到，在沉积RP后，钛板上有许多均匀凸起和致密的结构(图1a)。截面FESEM显示，RP的厚度约为1.15um，相应的映射图像显示，RP涂层和钛基底之间有清晰的边界(图1b、c)。

图1 钛-RP的表征及声热能力。a)钛-RP表面的FESEM图像。b,c)断层扫描电镜图像和相应的钛RP图像。d) TEM图像、线扫描光谱和钛-RP测绘图像。e)钛-RP界面的HRTEM图像。(e)中钛-RP界面的HRTEM图像。g)α-钛(100)和纤维状P(104)的d距离。h)2 5分钟内连续超声作用下钛-RP薄膜的温度变化。i)在连续通电条件下，三个开关周期内钛-RP的温度上升和下降。j)声热效应潜在机制示意图。

图2 钛-RP聚合物的声热机理。a)连续超声下，钛和钛-RP的超声电流试验。b)连续通电或断电时，钛和钛-RP的电化学阻抗谱。c)在1 MHz的超声下，钛和钛-RP的超声吸收系数。4)钛-RP和抛光钛-RP顶部和底部的照片。e)在连续超声作用下，不同位置的钛-RP和抛光钛-RP的温度变化。在(e)中连续超声波作用下，不同位置的钛-RP和抛光钛-RP的最终温度。g)钛-RP聚合物声热能力的机理。通过单向方差分析(ANOVA)和事后Tukey检验分析统计差异:*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，和ns(不显著)。

图3 钛-RP表面多孔硅涂层的构建。a)钛-RP-SNO的制备步骤。b)钛-RP-SNO的FESEM图像。c)断层FESEM和EDS下的钛-RP-SNO图像。d)XPS和钛、钛-RP和钛-RP-SNO的表面元素。e)钛、钛-RP和钛-RP-SNO的接触角测试。f)在20分钟内US开启或关闭的情况下，钛-RP-SNO合金释放的NO浓度。g)连续US作用下钛-RP-SNO合金中NO的释放机制。通过单向方差分析和事后图基检验分析统计差异:*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，和ns(不显著)。

总的来说，研究人员通过构建金属/红磷异质结界面，成功地设计了一系列声热材料。受特殊机制的启发，通过引入金属/半导体界面，许多其他衬底可以被赋予声热能力。尽管这种设计仍然局限于大尺寸的不透水植入材料的表面改性，但这一发现克服了传统超声处理的非特异性加热的缺点，为声热材料的设计指明了一个研究方向。