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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，腫瘤細胞陸續(xù)凋亡。哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院無機功能材料應用基礎研究團隊完成的這一實驗，揭示了一種精準、高效的“壓電催化”抗癌治療新機制。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、安全性高，以更穩(wěn)定氧化還原反應結果的動態(tài)控制，為壓電材料靶向腫瘤治療設計提供了新思路。相關成果發(fā)表于《先進材料》雜志。

15日，該團隊骨干成員、哈工程生物醫(yī)學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。其主要機理是響應腫瘤部位的特異內(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，可以高效實現(xiàn)腫瘤細胞的氧化損傷及細胞死亡。

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，治療效率偏低。該團隊從材料結構設計入手，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、晶體結構和化學組成。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)能帶結構，使有毒活性氧的產(chǎn)生更具能量優(yōu)勢。

詳細的體外細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納米片將顯著誘導超聲輻射觸發(fā)的細胞毒性和壓電催化腫瘤清除。在細胞層面，超聲處理后可明顯觀察到細胞死亡，同時在細胞內(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)超聲引導抗癌治療劑的設計制備、機理突破和療效評估等方面具有重要借鑒意義。

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