復(fù)旦大學(xué)李曉民教授團(tuán)隊JACS: 基于界面限域各向異性組裝策略精準(zhǔn)構(gòu)筑方形二維介孔納米片

第一作者：柳敏超

通訊作者：Mohamed F. Mady，李曉民

通訊單位：復(fù)旦大學(xué)，卡塔爾大學(xué)

論文DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.5c18433

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二維介孔納米材料合成雖獲諸多進(jìn)展，但其組分、形貌、橫向尺寸及厚度的精準(zhǔn)調(diào)控仍是難點(diǎn)。本文提出界面限域各向異性組裝策略，成功合成結(jié)構(gòu)參數(shù)精細(xì)可調(diào)的方形二維介孔納米片，其組分（金屬離子摻雜介孔聚多巴胺或二氧化硅）、橫向尺寸（100~200 nm）、厚度（14~25 nm）及面內(nèi)介孔孔徑（8~20 nm）均可精準(zhǔn)調(diào)控。該策略以截角菱形十二面體（TRD）ZIF-8納米顆粒為晶種，引導(dǎo)介孔膠束在其六個{100}晶面選擇性組裝；方形晶面的幾何限域作用誘導(dǎo)膠束界面有序排列，形成二維片狀結(jié)構(gòu)并繼承晶種方形形貌。刻蝕ZIF-8晶種后，納米片仍維持規(guī)整方形二維形貌及介孔孔道結(jié)構(gòu)。該方法普適性良好，可制備結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)、摻雜不同金屬離子的多樣化二維介孔納米材料。為驗(yàn)證可行性，本研究制備鋅/鐵摻雜介孔聚多巴胺（mPDA-Zn2+/Fe2+）方形納米片，其兼具規(guī)整二維結(jié)構(gòu)、近紅外（NIR）光熱性能與類芬頓催化活性，可實(shí)現(xiàn)協(xié)同治療。相較于傳統(tǒng)球形同類材料（最大反應(yīng)速率1.08×10-8 mol·L-1·s-1），該納米片最大反應(yīng)速率達(dá)2.11×10-8 mol·L-1·s-1，提升近一倍，腫瘤抑制率最高達(dá)90%，抑瘤效果顯著。綜上，本研究建立了結(jié)構(gòu)參數(shù)可精準(zhǔn)調(diào)控的方形二維介孔納米片制備新方法，為其在生物醫(yī)學(xué)及其他領(lǐng)域的應(yīng)用開辟新契機(jī)。

背景介紹

二維（2D）納米材料因具有極高的縱橫比，形成了獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)與優(yōu)異的理化性質(zhì)，兼具大比表面積、特殊表面化學(xué)特性及顯著量子尺寸效應(yīng)，顯著區(qū)別于傳統(tǒng)納米顆粒與塊體材料。這些優(yōu)勢使其成為化學(xué)、材料科學(xué)、納米技術(shù)及生物學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，二維介孔材料通過融合二維結(jié)構(gòu)固有優(yōu)勢與介孔特性脫穎而出，不僅優(yōu)化了分子、離子及電子的面內(nèi)傳輸路徑，還提升了活性表面位點(diǎn)的可及性，有效突破傳統(tǒng)二維材料的固有局限，拓寬了其在各類先進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用場景。

目前已開發(fā)多種二維介孔材料合成策略，涵蓋自上而下的機(jī)械剝離、化學(xué)剝離法，及自下而上的超分子自組裝、硬模板法等，但這類策略普遍難以精準(zhǔn)調(diào)控關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。自下而上策略中，膠束自組裝是構(gòu)建二維介孔納米材料的高效可調(diào)控方法。借助表面活性劑與前驅(qū)體的協(xié)同作用，該方法能更好地控制孔道有序性與骨架結(jié)構(gòu)。尤其通過引入平面/固液界面，可引導(dǎo)膠束/低聚物復(fù)合物組裝為結(jié)構(gòu)規(guī)整的二維納米片，此界面導(dǎo)向法已成功制備出金屬、碳、二氧化鈦、二氧化硅等多種二維介孔材料，但其仍存在橫向尺寸不規(guī)則、結(jié)構(gòu)精度有限等問題亟待解決。

本文出發(fā)點(diǎn)

盡管在二維（2D）介孔納米材料的合成方面取得了顯著進(jìn)展，但對其成分、形態(tài)和尺寸參數(shù)（包括組分分布、橫向尺寸、厚度和介孔幾何結(jié)構(gòu)）的精確控制仍然是一項(xiàng)尚未解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在本研究中，我們開發(fā)了一種合理的界面限制各向異性組裝策略，以合成具有可調(diào)結(jié)構(gòu)特征的方形二維介孔納米片。所得納米片具有可調(diào)節(jié)的金屬離子摻雜聚合物或二氧化硅成分，橫向尺寸在100~200 nm之間，厚度為14~25 nm，面內(nèi)介孔直徑為8~20 nm。在

本文亮點(diǎn)

1. 本研究通過界面限域各向異性組裝策略，可控合成了二維介孔納米方片；該材料的組成（金屬離子摻雜介孔聚多巴胺或二氧化硅）、橫向尺寸（100~200 nm）、厚度（14~25 nm）及面內(nèi)介孔孔徑（8~20 nm）均實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)調(diào)控。

2. 二維介孔聚多巴胺-鋅離子/亞鐵離子（mPDA-Zn2+/Fe2+）納米方片兼具均一的二維介孔結(jié)構(gòu)、近紅外光熱性能與Fe2+的類芬頓催化活性，其催化活性因二維結(jié)構(gòu)得到顯著增強(qiáng)，對腫瘤的抑制率達(dá)約90%，充分彰顯了該材料的協(xié)同治療潛力。

圖文解析

圖1：二維mPDA-Zn2+/Fe2+納米方塊的表征。

圖1為二維 mPDA-Zn2+/Fe2+納米方片的合成與表征。二維介孔聚多巴胺（mPDA）納米方片在水/乙醇水相、1,3,5三甲基苯（TMB）與2,3,6 -三甲基苯酚（TMP）混合油相構(gòu)成的乳液體系中合成；因TRD ZIF-8納米顆粒{100}和{110 晶面的鋅離子配位環(huán)境差異顯著，由F127表面活性劑、PDA低聚物及TMB擴(kuò)孔劑組成的膠束，會各向異性組裝于其六個{100} 晶面，在該晶面的空間限制下，膠束組裝為二維片狀結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)復(fù)刻{100}晶面的方形幾何形貌，進(jìn)而形成ZIF-8&mPDA 納米雜化物。該雜化物是由TRD ZIF-8模板和其{100}晶面上的六個mPDA納米方片構(gòu)成，其形貌與{100}晶面的方形結(jié)構(gòu)高度匹配，而八個{110}晶面則保持裸露，無mPDA沉積。選擇性刻蝕去除TRD ZIF-8模板后，得到形貌均一的方形二維mPDA納米片，其橫向尺寸約180 nm、厚度約20 nm，片內(nèi)均勻分布垂直于方形平面的介孔（平均直徑20 nm），形成規(guī)整的介孔網(wǎng)絡(luò)；該納米片正面為高度有序、垂直取向的介孔通道，結(jié)構(gòu)規(guī)整性優(yōu)異，反面則存在部分孔堵塞，形成不對稱表面結(jié)構(gòu)。經(jīng)測定，mPDA納米方片的比表面積為480 m2/g，采用BJH法計算的孔徑分布為10~20 nm；Mapping 表征結(jié)果顯示，鐵離子與鋅離子在方形納米片內(nèi)呈均勻分布。

圖2：二維mPDA-Zn2+/Fe2+納米方塊的尺寸調(diào)控。

圖3：二維mPDA-Zn2+/Fe2+納米方塊介孔尺寸與厚度調(diào)控。

圖2和圖3為二維 mPDA-Zn2+/Fe2+納米方片在尺寸、孔徑及厚度上的精準(zhǔn)調(diào)控表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該納米方片的尺寸可在100~200 nm范圍內(nèi)精準(zhǔn)調(diào)控，其調(diào)控規(guī)律由ZIF-8晶種{100}晶面的暴露比例決定；通過調(diào)節(jié)油相中TMB/TMP的比例，可調(diào)控擴(kuò)孔劑油滴尺寸，進(jìn)而精細(xì)制備出孔徑為8、12、20 nm的系列納米方片；此外，控制多巴胺前驅(qū)體的反應(yīng)時間，還可將納米方片的厚度在14~25 nm 區(qū)間內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。該調(diào)控方法不僅適用于有機(jī)二維聚合物介孔納米方片的合成，還可拓展至無機(jī)二維介孔二氧化硅納米方片的制備。

圖4：二維mPDA-Zn2+/Fe2+納米方塊的催化性能與光熱特性的體外表征。

圖4評估了二維mPDA-Zn2+/Fe2+納米方片的類芬頓活性與光熱效果。實(shí)驗(yàn)以TMB為探針對·OH的生成情況進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示二維納米方片組的吸光度始終高于納米球組，表明其類芬頓活性更優(yōu)。經(jīng)米氏方程進(jìn)一步分析動力學(xué)參數(shù)，兩種材料的米氏常數(shù)（Km）計算值相近，最大反應(yīng)速率（Vmax）卻相差近兩倍；這說明二者對底物的親和力相似，但二維納米方片結(jié)構(gòu)相較傳統(tǒng)球形納米結(jié)構(gòu)，能顯著提升催化效率與類芬頓活性。此外，該納米方片還表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱性能與光熱穩(wěn)定性，其光熱轉(zhuǎn)換效率約為19.7%，證實(shí)其可作為光熱劑實(shí)現(xiàn)局部高熱的誘導(dǎo)。

圖5：二維mPDA-Zn2+/Fe2+納米方塊體外細(xì)胞毒性和活性氧生成評估。

圖5通過CCK-8細(xì)胞活力檢測、活/死染色、流式細(xì)胞定量及ROS熒光探針定量實(shí)驗(yàn)，評估了二維mPDA-Zn2+/Fe2+納米方片的體外細(xì)胞毒性與胞內(nèi)活性氧生成能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中性培養(yǎng)基中，一定濃度的該納米方片對HEK293T和CT26細(xì)胞均無顯著毒性；而在100 μM H2O2存在的中性與酸性條件下，其在酸性環(huán)境中的細(xì)胞毒性顯著高于中性環(huán)境。近紅外光照射下，僅50 μg/mL的低顆粒濃度下，癌細(xì)胞殺傷效率即接近85%，表明近紅外光介導(dǎo)的光熱效應(yīng)與Fe2+催化活性的協(xié)同作用可顯著增強(qiáng)治療效果。活/死細(xì)胞染色及共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）表征進(jìn)一步驗(yàn)證了該協(xié)同效應(yīng)：單獨(dú)Fe2+介導(dǎo)的類芬頓催化或光熱效應(yīng)僅能誘導(dǎo)部分細(xì)胞毒性，二者聯(lián)用可產(chǎn)生協(xié)同增強(qiáng)的腫瘤細(xì)胞殺傷效果，證實(shí)光熱療法與化學(xué)動力學(xué)療法在誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡、實(shí)現(xiàn)高效抗腫瘤療效方面具有顯著的協(xié)同作用。同時，ROS熒光探針測試結(jié)果顯示，該納米方片中的Fe2+可通過與H2O2的芬頓反應(yīng)，顯著提升細(xì)胞內(nèi)活性氧的生成水平。

圖6：二維mPDA-Zn2+/Fe2+納米方塊體內(nèi)抑瘤效果評估。

圖6評估了二維mPDA-Zn2?/Fe2?納米方片的體內(nèi)抗腫瘤治療效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，單獨(dú)生理鹽水處理或近紅外光照射，對腫瘤生長無顯著抑制作用；單獨(dú)使用納米方片雖能觀察到一定的腫瘤生長抑制效果，但在第14天腫瘤出現(xiàn)明顯復(fù)發(fā)；而納米方片與808 nm激光照射聯(lián)用，可顯著抑制腫瘤增殖。此外，整個治療期間各實(shí)驗(yàn)組小鼠體重均無顯著變化，間接證明該二維納米方片具有良好的生物安全性。上述結(jié)果表明，納米方片單藥治療有一定抑瘤效果，與光熱療法聯(lián)用后，對腫瘤生長的抑制作用可顯著增強(qiáng)。腫瘤組織的蘇木精-伊紅（HE）染色及免疫組織化學(xué)染色結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，經(jīng)納米方片處理并輔以近紅外光照射的小鼠，其腫瘤組織中凋亡細(xì)胞數(shù)量更多，癌細(xì)胞增殖及腫瘤內(nèi)血管生成均被有效抑制，這也為腫瘤生長的顯著抑制提供了機(jī)制支撐。

總結(jié)與展望

綜上，本研究開發(fā)界面限制各向異性組裝策略，成功制備出方形二維介孔納米片，其組分（金屬離子摻雜介孔聚多巴胺/二氧化硅）、橫向尺寸（100~200 nm）、厚度（14~25 nm）及面內(nèi)介孔尺寸（8~20 nm）等結(jié)構(gòu)參數(shù)均可精準(zhǔn)調(diào)控，該方法能可控構(gòu)建均一、高設(shè)計性且多功能的二維結(jié)構(gòu)。該納米方片的獨(dú)特二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是其功能性能提升的關(guān)鍵，所制備的二維mPDA-Zn2+/Fe2+納米方片不僅擁有19.7%的優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換效率，其易接觸的表面與高孔隙分散性還能充分暴露Fe2+活性位點(diǎn)，進(jìn)而催化高效類芬頓反應(yīng)產(chǎn)生活性氧；該納米方片的最大反應(yīng)速率達(dá)2.11×10-8 M/s，為同成分球形材料（1.08×10-8 M/s）的兩倍。概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證實(shí)，二維mPDA-Zn2+/Fe2+納米方片可實(shí)現(xiàn)光熱與催化治療的顯著協(xié)同效應(yīng)，腫瘤抑制率近90%。本研究不僅展現(xiàn)了合理設(shè)計的二維介孔納米材料的抗腫瘤應(yīng)用潛力，更確立了功能性二維系統(tǒng)精準(zhǔn)、可編程構(gòu)建的新范式；所開發(fā)的界面限制各向異性組裝策略，在催化、儲能、智能診斷及先進(jìn)治療平臺等領(lǐng)域的下一代二維納米材料開發(fā)中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)信息

Minchao Liu, Hongyue Yu, Yufang Kou, Jia Jia, Yan Yu, Farah M. El-Makaty, Tiancong Zhao, Shuai Wang, Dongyuan Zhao, Mohamed F. Mady*, Xiaomin Li*. Tailoring Square-Shaped 2D Mesoporous Nanosheets via an Interface-Confined Anisotropic Assembly Strategy, JACS, 2026

DOI: 10.1021/jacs.5c18433

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c18433

作者介紹

李曉民，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授，2014年博士畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)，入選國家自然科學(xué)基金青A項(xiàng)目（原國家杰出青年基金）、教育部長江學(xué)者（青年）、上海市青年拔尖人才等，曾獲上海市自然科學(xué)一等獎、中國稀土協(xié)會科學(xué)技術(shù)一等獎、中美納米醫(yī)藥與納米技術(shù)學(xué)會Rising Star Award、英國皇家化學(xué)會Emerging Investigators。主要從事多孔納米復(fù)合材料設(shè)計合成及其納米-生物交互作用研究，尤其是在非對稱結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料可控制備及生物應(yīng)用方面。已發(fā)表 SCI論文120余篇，其中包括第一或通訊作者論文Nat. Chem. (2)、Nat. Synth.、Nat. Rev. Mater.、PNAS、J. Am. Chem. Soc. (12)、Nat. Commun.（7）、Angew. Chem. Int. Ed. (6)、Sci. Adv.、Chem、Adv. Mater.等，論文總被引12000余次。

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