一直以來，癌癥都是威脅人類健康的主要殺手之一。目前臨床上治療癌癥的方法（如化療、手術切除和放療等）會給病人帶來極大的痛苦和嚴重的副作用。因此，臨床急需能夠有效治療癌癥的無創(chuàng)手段。由于超聲具有無創(chuàng)性、極低的能量衰減和較高的穿透生物組織能力，在臨床上已經(jīng)被廣泛應用于疾病診斷和治療，如超聲成像和聲動力療法等。
其中聲動力療法的主要機理是超聲的能量能夠觸發(fā)聲敏劑產生活性氧（ROS），從而殺傷病體細胞。
而鈦酸鋇（BTO）是一種寬帶隙的鐵電半導體，其結晶相主要是立方相和四方相。其中四方相BTO（T-BTO）是典型的壓電材料，在壓力作用下會產生極化，內部的電子和空穴會發(fā)生分離并產生電壓，能夠催化氧化還原反應。為了解決當前臨床癌癥治療的問題，中科院上海硅酸鹽研究所施劍林院士團隊創(chuàng)造性的首次將超聲與T-BTO壓電納米顆粒結合用于腫瘤治療。
T-BTO在超聲條件下能夠產生極化，并產生較高的內部電場，從而有效促進ROS的產生，能夠有效的殺死腫瘤細胞。由于該治療方法具有無創(chuàng)性、穩(wěn)定性能特點，未來有望取代現(xiàn)有的臨床腫瘤療法，大幅減輕癌癥病人的痛苦。該研究以題目為“Piezocatalytic Tumor Therapy by Ultrasound-Triggered and BaTiO3-Mediated Piezoelectricity”的論文發(fā)表在《Advanced Materials》上。
【T-BTO的制備】由于這項研究工作中能夠殺死腫瘤細胞的物質是ROS，而ROS在一定的電壓下才能產生。因此，作者首先利用水熱法制備了具有立方相的BTO，隨后對其進行退火處理得到了具有壓電性的T-BTO，如圖1所示。得到的T-BTO的直徑分布為106.91 ± 49.72 nm。
【T-BTO-Gel用于催化亞甲基藍的分解】
為了驗證壓電催化效應的存在，作者首先研究了T-BTO在超聲條件下對于亞甲基藍的分解作用。從圖2中所示，經(jīng)過10min的超聲處理，亞甲基藍幾乎沒有分解（吸收峰強度Anorm= 92.96%，圖2a）。加入T-BTO的樣品經(jīng)過10min超聲處理后，Anorm降低到了58.64%。
此外，T-BTO在熱凝膠中后仍然保持了較好的催化效率，Anorm為57.59%，說明熱凝膠的存在沒有影響T-BTO的催化作用。為了更直觀的研究催化作用，作者采用ESR分析了各個樣品在不同條件下的自由基含量，其中，只有T-BTO-超聲的樣品存在明顯的?OH和?O2?峰，說明是超聲引發(fā)了T-BTO的壓電催化效應。
【T-BTO壓電催化的機理】
為了驗證壓電催化效應起因，作者首先用PFM驗證了T-BTO的壓電性，如圖3a所示。T-BTO展示出了典型的蝴蝶曲線，說明了壓電相的存在。但T-BTO的自發(fā)極化較低，不足以催化產生ROS。隨后，他們利用COMSOL模擬發(fā)現(xiàn)，在超聲條件下，T-BTO上下表面的電勢差能夠達到0.45 V，足以使T-BTO的能帶發(fā)生傾斜，從而引發(fā)壓電催化反應產生?OH和 ?O2?。
【T-BTO-Gel殺死乳腺癌細胞的定量結果】
為了更直觀的檢驗T-BTO的治療效果，他們首先對比了不同濃度T-BTO-Gel對于乳腺癌細胞的作用，發(fā)現(xiàn)僅僅增大T-BTO的濃度不會引起癌細胞數(shù)量的降低。而對其進行超聲處理后，癌細胞的存活率僅為12.6%。從圖4d也能夠更直觀的看出，T-BTO-Gel+US處理后，大部分癌細胞都被殺死，紅色的數(shù)量較多。同時T-BTO-Gel+US處理后的ROS（呈現(xiàn)綠色）數(shù)量明顯較多，與樣品中癌細胞的死亡數(shù)量結果一致，也說明了壓電催化T-BTO產生的ROS能夠有效的殺死癌細胞。
【T-BTO-Gel治療小鼠腫瘤的效果】
隨后，他們利用T-BTO-Gel的壓電催化療法治療小鼠腫瘤。如圖5b所示，與對照組相比，T-BTO-Gel超聲治療的小鼠腫瘤在第五天后消失，并且沒有復發(fā)。此外，照片中也可以明顯的看出，T-BTO-Gel+US治療后小鼠的腫瘤明顯消失。同時，壓電催化治療后的小鼠能夠生活40天，明顯優(yōu)于其余四組的小鼠，也說明T-BTO-Gel具有良好的生物相容性和顯著的壓電催化治療效果。
總結：作者將超聲療法與壓電鈦酸鋇結合，首次開發(fā)出無創(chuàng)壓電催化療法用于消除腫瘤。該方法顯示出了較好的生物相容性和顯著的治療效果。有望未來用于替代傳統(tǒng)的臨床癌癥療法，極大減輕病人的痛苦并降低帶來的副作用。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202001976
