氧化鎢納米材料制備及其光生物效應中抗腫瘤作用的研究

馬定虎，侯 進，宋裕虎，李璐瑤

（西安醫學院基礎醫學部，陜西 西安 710021）

常見的鎢納米材料主要包括硫化鎢、硒化鎢、氧化鎢等，其中氧化鎢價格廉價、性質穩定、形態多樣且易于合成。通過改變實驗條件、原料及比例可以制備不同形態的氧化鎢納米材料，如氧化鎢納米線、納米片、納米棒及中空的納米管等，這些納米材料具有不同的物理和化學性質，在氣體檢測、光催化、儲能等方面有良好的應用前景。近年來研究表明氧化鎢納米材料具有良好的光熱效應，可以誘導腫瘤細胞的凋亡，促進了其在生物領域的應用。本文就氧化鎢納米材料的制備方法、光生物效應作一綜述，以期為其臨床應用提供參考。

1 氧化鎢納米材料的制備方法

氧化鎢包括化學計量比的氧化鎢和氧缺陷結構的氧化鎢（混合價態氧化鎢），生物領域常用氧缺陷結構的氧化鎢。WO3-x 納米材料的常用制備方法及優缺點如下：①氣相法通過化學氣相沉積或者物理氣相沉積的方法制備出呈放射式花狀結構的納米線或納米帶，是目前制備氧化鎢納米材料最常用的方法之一，但一般制得的產物多為一維結構[1]。②高溫固相還原法通過高溫固相還原法合成具有良好形態的氧化鎢納米顆粒，生產工藝單，生產效率高等優點，存在的最大問題就是合成溫度高、能源消耗大、生產成本高[2]。③水熱合成法通過改變前驅體和還原劑的物料比、反應時間和反應溫度，能夠合成不同形態的混合價態氧化鎢納米材料，該方法晶體生長具有更高的生長速率以及均勻性，經濟環保、操作簡便且產物粒徑小、純度高、操作簡單、對反應儀器要求相對較低[3，4]，是當前最常用的方法，已有研究已經通過該方法合成不同大小的氧化鎢納米棒[5]。

2 氧化鎢納米材料的光生物效應

當前，癌癥已超過心血管疾病成為人類主要的致死疾病。有效預防和治療癌癥是人類面臨的重大挑戰和亟待解決的難題。傳統的癌癥治療方法包括手術切除、化療和放療，均不能徹底避免腫瘤復發[6，7]。質子治療是最新出現的治療手段，可以靶向深部腫瘤，減少對正常組織的輻射暴露，然而這項技術需要的設備成本很高，限制了其使用[8]。

2.1 光生物療法概述 光生物療法通過將納米材料注射進入生物體內，然后利用靶向作用聚集在腫瘤組織附近，并在外部光源（一般為近紅外光）的照射下將光能轉化為熱能或產生自由基，通過局部高溫和大量氧自由基的方式殺死腫瘤細胞或者誘導其凋亡，能顯著減少患者疼痛、增強治療效果，并顯著降低對身體的毒副作用，成為近年來新興的一種腫瘤治療技術。光生物療法可分為光熱治療（PTT）和光動力治療（PDT）。PTT 利用納米材料作為光轉換劑分布于腫瘤區域，通過對NIR 輻射的吸收，升高腫瘤區域局部溫度，而PDT 在腫瘤局部產生活性氧（ROS）破壞腫瘤細胞[9,10]。納米顆粒通過增強滲透性和滯留性（EPR），向腫瘤部位選擇性積聚，可以降低組織毒性，且對正常組織的損傷較小；同時，光熱和光動力治療是微創技術，對設備的要求低、成本廉價、操作簡便且容易控制。由于生物體組織對紅外光的吸收和散射相對較弱，其對組織的穿透能力主要取決于入射光的強度和光熱治療劑的光熱轉換效率。

2.2 氧化鎢納米材料 隨著研究的深入，越來越多的光轉換劑用于腫瘤治療。具有超大共軛體系的有機分子化合物，如菁類染料、N-雜卟啉類染料等，具備優異的近紅外光吸收性能，在腫瘤治療中得到廣泛應用[11]，但這類化合物的穩定性較差，在水溶液中或光誘導下易變性，使性能下降。

2.2.1 金屬基納米材料 金屬基納米材料包括金、鈀等貴金屬，可以通過調控金屬納米顆粒的粒徑大小和形貌，制備出所需的、具有特定吸收波長的納米金光轉換材料，但是這種材料在多次激光照射后會發生形貌變化，光穩定性較差。碳材料包括一維結構的碳納米管[13]以及二維結構的石墨烯材料[14]，近紅外吸收較弱，光熱轉換效率并不高，但是這類材料的比表面積非常巨大，在藥物的運載和功能復合材料制備等方面應用潛力巨大。與上述3 類光熱轉換試劑不同，金屬氧族尤其是氧化鎢納米材料具有如下幾個方面的特點：①可供選擇的材料類型較多，可以適應多種治療所需要求；②制備較簡單，價格相對廉價；③一般都具有較好的光穩定性和熱穩定性；④具有很好的光熱轉換效率，可以與貴金屬材料媲美；⑤某些納米材料不但光熱性能優異，而且還具有多種成像屬性，如良好的磁學性能、優異的X 射線衰減能力、光學、聲學特性，可以作為MRI、CT、熒光成像、超聲成像等造影試劑在腫瘤診斷方面具有潛在應用；⑥某些材料在激光照射下還可以在表面生成ROS，可以聯合PTT-PDT。

2.2.2 缺陷氧化物材料 鎢元素是（n-1）d5ns1構型，具有正六、正五、正四、零價等多種價態，因此存在多種氧化物形式，其中較常見和穩定的是氧化物（帶隙2.7eV）。一般高價氧化物不具有強的近紅外光吸收響應，但是氧化鎢中正六價的金屬離子較易被還原成低價態（如正五、正四價），這種氧缺陷的存在會導致材料表面容易富集負電子，具有與金屬類似的局部等離子共振效應（LSPR），在光熱治療中具有重要應用[15]。因此，氧缺陷結構的氧化鎢（WO3-x），如WO2.72（W18O49）、WO2.8（W5O14）、WO2.83（W24O68）、WO2.9（W20O58）等具有很強的近紅外光吸收響應，可以作為光熱轉換試劑用于光熱治療當中。研究發現[16，17]，基于W 對X 射線具有較強的衰減能力，這類缺陷氧化物還具有很強的CT 成像能力，并且在放射線治療當中也具有應用。也有研究表明[18]，這類材料在近紅外光激發下可產生一定濃度的ROS 氧自由基，在光動力治療中也具有應用。此外，缺陷氧化物材料（WO3-x）可以通過在合成反應中控制反應條件制備,也可通過陽離子摻雜來制備，如將一些半徑較小的陽離子（如NH4+、Li+、Na+、K+、Cs+、Rb+）摻雜到金屬氧化鎢中，獲得系列光學性能和電學性能特異的材料，如（NH4）xWO3[5]、Na0.3WO3[19]、CsxWO3[20,21]、RbxWO3[22]。Yong Y 等[23]報道了一種BSA 改性的鎢多酸納米材料BSA-GdW10O36（GdW10NCs），不僅具有CT/MRI雙模造影成像效果，而且可以用于光熱-放療聯合治療。多數光熱材料在近紅外短波長附近有較好的吸收，但是在近紅外線的長波長端沒有產生較好的吸收。

2.3 氧化鎢納米材料光生物效應的臨床應用Macharia DK 等[24]采用1064 nm 激光（生物第二窗口）照射，發現（NH4）xWO3納米顆粒產生明顯的高溫效應，導致癌細胞凋亡和壞死，證明了（NH4）xWO3納米立方體是一種很有前途的光熱材料，可有效消融實體瘤并抑制其遠處轉移。Hou J 等[5]采用水熱法合成了（NH4）xWO3/PEG 納米棒，結果顯示在808 nm 激光照射下，（NH4）xWO3/PEG 納米棒表現出高效的光熱轉換，并在近紅外照射下，其作為一種光熱劑可誘導細胞壞死，從而抑制SUM-159 和MCF-7 乳腺癌細胞的生長，表明大直徑（NH4）xWO3/PEG 納米棒在固體腫瘤治療中具有很大的應用前景。Chen Z 等[25]利用溶劑熱合成的方法制備了親水性的W18O49納米線材料，并研究了該材料的光熱轉換性能，結果顯示W18O49納米線在近紅外區的吸收自500 nm 后呈遞增趨勢，另采用0.72 W/cm2的980 nm 激光照射2.0g/L 的W18O49分散液，5 min 內溶液的溫度上升了近35 ℃，將該濃度下的該材料用于荷瘤鼠的體內光熱治療，發現腫瘤的組織內細胞基本上被殺死。在此之后，具有不同形貌和組成的WO3-x納米相繼被報道用于光熱治療。另研究還發現[17]，鎢對X 射線具有較強的衰減能力，這類缺陷氧化物還具有很強的CT 造影成像能力，并且在放射線治療當中也具有應用。且氧化鎢材料在近紅外光激發下可以在其表面產生一定濃度的氧自由基，在光動力治療中也具有應用[18]。但氧化鎢納米材料的安全性報道很少,體外研究表明氧化鎢納米材料具有很低的細胞毒性，但是僅在細胞水平層面評估毒性是遠遠不夠的，目前還沒有報道對氧化鎢納米材料的生物安全性進行進一步的評估。此外，氧化鎢納米材料的合成方法復雜性以及氧化鎢納米材料形態結構的單一性也阻礙了其在生物領域的應用。

3 總結

氧化鎢納米材料在生物領域中具有很大的應用潛力，但目前氧化鎢納米材料研究多限于生物光熱治療的“第一窗口”（650～950 nm）。因此，開發和應用對生物光熱治療的“第二窗口”（1000～1350 nm）范圍內吸收性能優異且高效光熱轉換效率的氧化鎢納米材料，將會大大促進其在生物光熱治療方面的研究發展，實現對生物體內腫瘤組織產生更強的治療效果。