VISQUE应用案例7硅烯湿化学剥

硅基生物材料在生物医学工程中发挥着不可或缺的作用，但由于硅本身缺乏固有的功能，硅基纳米材料的应用在很大程度上仅限于作为药物传递系统的载体。同时，硅基生物材料作为典型的无机材料，其固有的生物降解性差，这也阻碍了其在体内生物医学应用和临床转化的进一步发展。在此，作者通过对二维硅质纳米片的合理设计和湿化学剥离合成，将传统的0D纳米颗粒体系转化为二维材料体系—硅质纳米片（SNSs），它具有光触发治疗和诊断成像的独特理化性质，具有良好的生物相容性和生物降解性。结合基于DFT的分子动力学（MD）计算，我们探讨了有机硅与生物环境相互作用的机理及其在特定模拟生理条件下的降解行为。本文介绍了一种新型二维结构硅基生物材料，它具有生物降解性、生物相容性以及多功能性，有望在临床上得到应用。

Figure1.二维硅烯纳米片的合成与特性表征。（a)二维硅烯纳米片的合成原理；（b）硅烯纳米片剥离工艺的示意图，包括温和氧化和超声分层；（c）原始CaSi2的SEM图像，比例尺5μm；（d）HR-STEM图像，比例尺1nm；（e)元素映射，比例尺1nm；（f）相应的元素-线性扫描图谱，比例尺和（g）SAED图案，比例尺10nm-1；（h，i）多层硅烯的SEM图像，比例尺分别为2μm，1μm；（j）TEM图像，比例尺50nm；（k）HRTEM图像，比例尺1nm和（l）相应SAED图案，比例尺5nm-1；（m-n）几层或单层硅烯纳米片的明场和暗场TEM图像，比例尺0.5μm；（o-q）合成的硅烯纳米片的元素映射、HR-STEM图像和相应SAED图案，比例尺分别为nm，1nm，5nm-1

Figure2.二维硅烯纳米片的组成和体外生物降解性。（a-e）不同降解持续时间下（0，3，7和14天），硅烯纳米片的照片、吸收光谱、质量消光系数、拉曼强度分析和TEM图像（80μgmL-1）；（f）在不同的降解持续时间下，硅烯Si2p区域的XPS分析（3和14天）；（g）分别在降解持续3天和14天时，硅烯中键合基团的定量分析；（h）在含有O2和H2O的环境系统中，单层硅烯的代表性反应降解路径。用DFT计算得到的单层硅质环境生物降解行为的最小能量途径（MEP）。硅烯纳米片在K温度下与水相环境（H2O和O2）反应。（i）单层硅烯降解的氧化和崩解过程；（j-k）硅烯纳米片和传统二维材料族(MnO2,MoS2,BN,GO,BP,MXene,C3N4)在水中储存不同时间后的消光系数残留和拉曼强度残留；（l）不同二维纳米材料的拉曼强度残差与消光系数残差的比较

Figure3.二维生物可降解硅烯纳米片的光热转换性能和光热加速降解。（a）以不同浓度（从高到低为：56，28，14，和7μgmL-1）分散在水中的硅烯的吸光度光谱。a中插图：nm下硅烯的消光系数。（b）计算nm（NIR-II）激光照射下的光热转换效率。黑线：近红外激光（加热期）和（冷却期）照射下，硅烯水分散体的光热性能。蓝线：通过线性拟合冷却期的时间相关数据，确定系统热转换时间常数（τs）。（c）在不同功率密度(0.5，0.75，1.0，和1.5Wcm-2)，nm（NIR-II）激光照射下，硅烯混悬液（40μgmL-1）的光热转换加热曲线。（d）在近红外激光（nm，1.0Wcm-2）照射下，不同浓度（0，5，10，20，和40μgmL-1）的硅烯混悬液的光热转换加热曲线。（e）在不同温度（，，，和K）下，水相环境（H2O和O2）中硅烯纳米片光热加速生物降解行为的最小能量途径对应的原子层结构快照。（f）硅烯水溶液（μgmL-1）的光热转换加热曲线（10min）和相应数字照片、红外热图像显示出不同的光热转化温度（25,37,60,和90°C）。（g-k）硅烯降解的吸光度光谱、质量消光系数、具有不同放大率的TEM图像和相应示意图，以及硅烯水溶液在光热处理相应温度（25,37,60,和90°C）下的流体动力学尺寸和单分散性分析。i中图片比例尺均为nm

Figure4.体内毒性评估，药代动力学和生物分布分析。（a）体内毒性评估模型的示意图。（b）经不同处理（第一组：对照组；第二组：仅含SNSs-BSA；第三组：SNSs-BSA+日光）后，CD-1小鼠28天内的时间依赖性体重曲线。（c）经不同处理（第一组：对照组；第二组：仅含SNSs-BSA；第三组：SNSs-BSA+日光）后，对注射1、7和28天收集的CD-1小鼠的主要器官进行HE染色图像的组织学分析。（d）经不同处理（第一组：对照组；第二组：仅含SNSs-BSA；第三组：SNSs-BSA+日光）后，注射1、7和28天的CD-1小鼠的血液生化和血液学参数。光学图像比例尺相同，均为μm。（e）经不同处理后注射28天的CD-1小鼠的核心血液学、肝脏和肾脏生化参数。（f）在注射SNSs-BSA后的不同持续时间（0.5,2,6,12,24,和48h）内，CD-1小鼠累积通过粪便和尿液的Si排泄量。（g）在不同时间点注射Cy5.5标记的硅烯-BSA（0.5,2,6,12,24,和48h）后，4T1荷瘤小鼠身上的主要器官和肿瘤的荧光图像。（h）对小鼠静脉注射后，SNSs-BSA的血液循环曲线（n=3）。经计算，T1/2约为1.82h

Figure5.体内光热治疗癌症和光声成像。（a）SNSs-BSA体内治疗方案的疗效评估。（b-c）激光照射期间，NIR-II和SNSs-BSA+NIR-II组中4T1荷瘤小鼠肿瘤区域的红外热图像及相应温度升高。（d）经不同处理（对照组，仅NIR-II，仅SNSs-BSA，SNSs-BSA+NIR-II）后裸鼠的时间依赖性体重曲线（n=5，平均值±标准偏差）。仅处理一次。（e）经不同处理后，裸鼠的体内4T1肿瘤增殖曲线（n=5，平均值±标准偏差）。（f）处理21天后的小鼠的肿瘤重量。（g）不同处理后的小鼠存活曲线。（h）HE染色和TUNEL染色观察病理学变化，抗原Ki-67染色观察各组肿瘤切片中的细胞增殖情况。图片比例尺均为50μm。（i）处理16天后4T1荷瘤小鼠及其肿瘤部位的数字照片。（j-k）体外PA图像和SNSs-BSA溶液PA值-浓度函数（硅含量为0、0.、0.05、0.1和0.2mgmL-1）。（l-m）尾静脉注射后不同时间间隔（0,2,6,12,24,和48h）的肿瘤区域PA图像及体内PA值随时间演变图

Figure6.基于二维硅烯作为可生物降解的生物纳米剂，通过光热消融引发细胞死亡的体内机制。（a-b）经不同处理后，体内流式细胞术凋亡测定和从4T1荷瘤小鼠肿瘤组织中分离出细胞的相应定量分析。分组：对照组，仅NIR-II，仅SNSs-BSA，SNSs-BSA+NIR-II（0.75Wcm-2），SNSs-SBA+NIR-II(1.0Wcm-2)和SNSs-SBA+NIR-II(1.25Wcm-2)。（c）通过qPCR分析各组（第一组：对照组，第二组：仅SNSs-BSA，第三组：仅NIR-II（1.0Wcm-2），第四组：SNSs-BSA+NIR-II（0.1Wcm-2），第五组：SNSs-BSA+NIR-II（0.25Wcm-2），第六组：SNSs-BSA+NIR-II（0.5Wcm-2），第七组：SNSs-BSA+NIR-II（0.75Wcm-2），第八组：SNSs-BSA+NIR-II（1.25Wcm-2）肿瘤组织中Bax、Bcl-2和β-肌动蛋白的mRNA水平。（平均值±标准差，每组n=3）。（d）热图显示各组中差异表达基因的mRNA表达水平。所有数据均以平均值±标准差（每组n=3）表示，*P0.05，**P0.01，**P0.（双尾t检验）。（e）在I-VIII组中，裂解肿瘤组织后通过Westernblot检测Bax、Bcl-2和β-肌动蛋白的蛋白质水平

结论：

SNSs具有良好的环境降解性和光热促进降解性。结合密度泛函理论（DFT）分析，本文揭示了在特定模拟生理条件下，硅烯与水、氧等相关分子相互作用的机理及其降解过程。同时，还揭示了基于以二维硅烯为光纳米材料的PTT所引发细胞死亡的内在机制。这项工作通过合理地设计二维硅烯的多功能性，探索其相关的理化性质，特别是在癌症的光疗方面，极大地拓宽了它的应用前景。

中国科学院上海硅酸盐研究所的施剑林研究员和陈雨研究员为文章的共同通讯作者，林翰博士为第一作者，文章以题为“Silicene:Wet-ChemicalExfoliationSynthesisandBiodegradableTumorNanomedicine”发布在国际著名期刊Adv.Mater.上。

文中的活体荧光成像部分使用了VISQUE?InvivoSmart超灵敏小动物荧光成像系统，Smart系列的小动物超灵敏荧光成像系统是由全球领先的科研级CCD生产商——vieworks.lnc公司设计并生产的小动物实时活体成像系统。具备高分辨率，智能实时，高采集速度的强大优势受到了广大客户群体的一致认可，可广泛应用于各种需要荧光功能进行的活体内示踪研究等。

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VISQUE?系列小动物光学成像系统可广泛应用但不仅限于以下荧光和生物发光成像实验中：

1.使用生物发光成像功能追踪肿瘤转移过程；

2.使用荧光或生物发光对实体肿瘤进行成像；

3.评估脑血流，下肢血流，淋巴管等的结构和功能；

4.新药或者药物递送系统的药代动力学研究；

5.评估新药或者肿瘤治疗方案在关节炎，动脉粥样硬化，自身免疫性疾病，血管生成等作用中的疗效。

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