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“青年千人计划”专家张晗解析“梦幻材料”黑磷及其应用成果——智能黑磷水凝胶
时间:2018-02-08 16:51:35来源:千人智库
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提要:2018年1月,以张晗教授为首的研究团队成功制备出新型抗癌药物新载体——智能黑磷水凝胶,相关成果发表在美国科学院院刊《PNAS》上,这一发现推进了癌症精准治疗的实现。
“青年千人计划”专家张晗解析“梦幻材料”黑磷及其应用成果——智能黑磷水凝胶

图:以近红外光响应黑磷水凝胶为载体的癌症药物治疗示意图(PNAS封面图)

2018年1月,以张晗教授为首的研究团队成功制备出新型抗癌药物新载体——智能黑磷水凝胶,相关成果发表在美国科学院院刊《PNAS》上,这一发现推进了癌症精准治疗的实现。《千人》杂志特邀张晗教授为我们解析“梦幻材料”黑磷及其应用成果——智能黑磷水凝胶

智能黑磷水凝胶——进军精准医疗

《千人》:以您为首的研究团队成功制备出新型抗癌药物新载体——智能黑磷水凝胶,充分利用其优越的激光响应优势,可携带抗癌药物,实现精准治疗癌症。该成果以 Novel concept of the smart NIR-light–controlled drug release ofblack phosphorus nanostructure for cancer therapy 为题于2018年1月2日发表在美国科学院院刊《PNAS》上,请详细叙述下智能黑磷水凝胶的用途及其对癌症治疗方面产生的影响

张晗:智能黑磷水凝胶可以通过无创方式注射到体内肿瘤组织,在近红外光的照射下,材料内的黑磷能够产生局部高热,这些热量一方面可以用于肿瘤的光热治疗,另一方面也能够驱动药物的释放。释放药物的速率可以通过激光的光场强度、照射时间、黑磷浓度等多种参数进行自动、可控地精确调控,最终达到治疗肿瘤的效果。术后该材料自动降解为天然无毒产物,可以极大地改善患者的生存质量。目前,这一成果已经在裸鼠模型上被成功实现,下面将进一步开展相关的临床研究。我们的研究结果预示“智能黑磷水凝胶”将极大提高精准医疗效果,给新型纳米药物载体的开发带来一次新的进展。基于黑磷在生物医学上所具备的独特优势,结合先进激光技术,交叉协调创新,有望为肿瘤癌症的治疗提供新的思路和视野。如果该研究能成功临床转化,有望加速人类治愈癌症的进程

 智能黑磷水凝胶工作原理示意图。智能黑磷水凝胶在近红外光照射下,可控地释放内含抗癌药物,诱导癌细胞凋亡。

 

《千人》:智能黑磷水凝胶这一突破性发现是否意味着打开了黑磷在生物医药领域的应用市场?黑磷在生物医学上的应用是否会更加广泛?这将对生物医药领域产生何种影响?

张晗:黑磷水凝胶在生物医学领域,更具体地说,精准医疗领域的应用仅仅是开始。我们更希望把已取得的成果看成新的起点,继续加强在基础理论方面的研究,并以此为契机,不断突破自我,抢占国际技术制高点。可以肯定的是,黑磷今后在生物医学上的应用将会更加广泛,其涉及的医学手段将从成像诊断到精准治疗,针对的病症从普通的抗菌消炎到癌症治疗,从普通脑瘤到脑部肿瘤等等,很可能对整个生物医学领域产生颠覆性影响。

 

《千人》:黑磷因何种独特性质能应用于生物光子学?您对黑磷在生物医药领域的应用方式有哪些设想?

张晗:黑磷用于在生物光子学主要由以下几方面原因:首先,黑磷本身是很好的光敏化剂,可用于肿瘤的光热、光动力疗法和光声成像;作为药物载体,二维黑磷纳米片有大的比表面积且载药效率可达950%,药物通过非化学键吸附到黑磷纳米片时,药物的活性、靶向性都不受影响,保证了它作为药物载体的基本要求;黑磷的光热效应可以作为药物精准可控释放的驱动力;其次,黑磷EPR效应的被动靶向性以及对黑磷进行表面进行修饰后具有的主动靶向性,可以将药物精确地运送到肿瘤内部,实现肿瘤的靶向治疗;更为重要的是,黑磷优异的生物相容性和生物降解性,更为其生物光子学应用创造了得天独厚的条件。

 

《千人》:根据黑磷在生物医学上所具备的特有优势,再结合先进激光技术,是否有望为癌症患者的治疗提供新思路?请您谈谈您的看法。

张晗:常规药物载体的释放速率难以精准控制,难以使药物浓度维持在合理范围,因此疗效欠佳,限制了进一步临床应用。因此,亟需研发新型智能药物载体实现药物的精准与可控释放。黑磷除了具有上述诸多优势外,由于其本身具有的优良的光学特性,如:近红外光响应特性,高光热转化效率等,可以通过光热作用作为驱动力实现药物的精准可控释放。因此,黑磷结合先进激光技术,有望实现肿瘤的精准治疗。

黑磷将“转战”人工智能芯片

《千人》:您在中国人民政治协商会议第十二届广东省委会第一次会议上以“以材料革新抢占人工智能硬科技制高点”为题进行了发言,请问黑磷是否可以在人工智能等未来科技中发挥重大的作用?

张晗:在没有人类参与的情况下由机器来为人类服务一切的人工智能是人类追求的终极目标。人工智能大体上可以分三部分展开,即人工智能算法、人工智能芯片和人工智能机器。也就是说人工智能需要有思想、承载思想的大脑和实现思想的手脚。黑磷作为具有极高电子输运性质的材料,被誉为可以取代硅的新一代半导体核心材料将会在第二部分-人工智能芯片方面起到重要作用。基于黑磷的场效应管器件的载流子迁移率极高,而且开关比也比较高。此外,我们在对基于黑磷的场效应管进行电学性质研究时发现,当在黑磷表面修饰上金属离子后,这个场效应管器件就具有了电荷存储的性能。那么,加上之前的开关性能,基于黑磷的场效应管就同时具备了计算和存储的功能,这是对之前计算(CPU)和存储(内存)分开模式的电脑结构的一种革新。可以预见,集计算和存储于一身的黑磷基电子器件将会把电子计算领域推向超快、超小、低能耗和智能的方向。因此,我相信黑磷在人工智能发展中的智能芯片方面将会发挥非常重要的作用

人物简介

张晗:“青年千人计划”专家、深圳大学特聘教授、博士生导师。

2006年7月,武汉大学本科毕业,获理学学士学位;

2011年7月,新加坡南洋理工大学博士研究生毕业,获工学博士学位;

2012年,入选中组部“青年千人计划”;

2013年至今,于深圳大学任特聘教授、深圳市黑磷光电技术工程实验室主任。首届基金委优青、省杰青、民盟中央委员、广东省政协委员等。主要从事二维材料信息光电子与生物光子技术研究研究,近五年来,以通信作者发表中科院一区论文50余篇,包括PNAS、NatureCommunications等,封面论文超过20篇。论文总SCI引用超过1万次,H-index超过50。两篇论文入选入选中国百篇最具影响力国际学术论文。所取得研究性科研成果多次入选“激光领域十大技术进展”,被美国军方、诺贝尔奖得主、美国院士等在Nature、Science等期刊高度评价及重点关注。担任《Photonics Research》等多个SCI期刊副主编以及中国激光杂志社青年编委会秘书长等。

2015年,率先探索出了针对黑磷的液相制备新方法,并首次利用黑磷实现了光纤激光器的锁模;

2016年,首次探索到黑磷可在生物医学领域上发挥重要作用;

2017年,成功制备出基于黑磷的光声成像造影剂;

2018年,提出并实现了基于智能黑磷水凝胶的光热治疗癌症技术。

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作者系何叶

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