凌云云 ，夏云生

1安徽師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，教育部功能分子固體重點實驗室，安徽 蕪湖 241000

2皖南醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，醫(yī)用基礎(chǔ)化學(xué)教研室，安徽 蕪湖 241000

1 引言

納米材料因具有不同于其相應(yīng)塊狀材料和小分子的特殊性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注。其中，金納米粒子(gold nanoparticles，AuNPs)由于可調(diào)的局域表面等離子體共振(Localized surface plasmon resonance，LSPR)、豐富的表面可修飾性、良好的生物相容性，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景1,2。

隨著研究的深入，單一的金納米材料已不能滿足多功能生物應(yīng)用(如腫瘤的多模態(tài)成像、聯(lián)合治療等)的需求?；瘜W(xué)家和材料科學(xué)家將金與其他無機納米材料相結(jié)合，成功制備出多種類型的金納米復(fù)合材料，如金-金屬3、金-半導(dǎo)體4、金-磁性材料5等，且同一類型的復(fù)合材料又存在不同的結(jié)構(gòu)形貌。例如，金-氧化鐵納米復(fù)合材料存在核@殼、蛋黃@殼、核-衛(wèi)星、Janus等結(jié)構(gòu)6。與單一金納米材料相比，其復(fù)合材料具有更大的優(yōu)勢。這是因為，金納米復(fù)合材料既可集成各單個組分的性質(zhì)又有望開發(fā)組分間的協(xié)同性能。例如，金與磁性材料復(fù)合后，兼具金的光學(xué)性質(zhì)和磁性材料的磁學(xué)性質(zhì)，可用于磁分離的光學(xué)檢測以及磁靶向的光熱治療等7；金與半導(dǎo)體復(fù)合后，除保持各自的性質(zhì)外，金的LSPR效應(yīng)可增強半導(dǎo)體對入射光的吸收，用于光催化、太陽能電池、金屬增強熒光、增強光熱治療等4。

癌癥是世界上死亡率最高的疾病，早期診斷和精準(zhǔn)治療顯得尤為重要。金納米復(fù)合材料因集合光、電、磁等性質(zhì)而廣泛應(yīng)用于光熱/光聲成像、磁共振成像、磁熱/光熱治療等領(lǐng)域。如聚乙二醇修飾的二氧化硅@金核@殼納米材料(商品名為AuroLase)已獲得美國FDA批準(zhǔn)，進(jìn)入臨床前實驗研究顯示適用于轉(zhuǎn)移性肺癌的光熱治療8。近三年，ACS、RSC、Wiley三個數(shù)據(jù)庫中有關(guān)金納米復(fù)合材料及其癌癥診療應(yīng)用的綜述性文章有21篇9–29，它們主要研究某一類型(如DNA功能化的金納米材料)或特定功能(如近紅二區(qū)的金納米材料)金納米復(fù)合材料的制備和應(yīng)用。而本文，我們結(jié)合近幾年來課題組在該方面的研究工作，嘗試梳理金納米復(fù)合材料的主要制備方法，基于其集合性質(zhì)和協(xié)同效應(yīng)，闡釋幾種典型的金納米復(fù)合材料(Au-MOF、Au-Fe3O4、Au-Cu2?xS等)在癌癥診療中的應(yīng)用。關(guān)于該綜述，有幾點說明：第一，文中AuNPs的尺寸均大于2 nm，即具有LSPR性質(zhì)的AuNPs，不包括具有分子能級結(jié)構(gòu)的金納米團簇。第二，文中金納米復(fù)合材料包括一步合成法制備的合金、種子生長法制備的金納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及非原位組裝法制備的金納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。但參考文獻(xiàn)中金納米材料的具體名稱我們依然保留原文獻(xiàn)的說法，如異質(zhì)二聚體，超級納米粒子等。且常見的化學(xué)物質(zhì)用化學(xué)式表示。第三，文中金納米復(fù)合材料主要是指金無機納米復(fù)合材料，包括金-金屬、金-半導(dǎo)體、金-磁性材料。最后，本文不是一個全面的綜述，而是對關(guān)鍵的進(jìn)展和應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，可能沒有囊括一些其他有意義的工作。

2 金納米復(fù)合材料的制備

目前，制備金納米復(fù)合材料的方法很多，總體分為物理和化學(xué)法兩大類30,31。這里僅僅討論自下而上(bottom-up)的化學(xué)法制備。根據(jù)各組分的生成時間，金納米復(fù)合材料制備可分為一步合成法、種子生長法和非原位組裝法三類。

2.1 一步合成法

一步合成法是指金納米復(fù)合材料中的兩種或多種組分一起成核生長，常用于制備金-金屬和金-氧化物納米復(fù)合材料。對于金-金屬納米復(fù)合材料，一般采用一步共還原法制備。當(dāng)一種金屬離子的還原電位與金的還原電位接近時，兩者可同時被還原。比如，Au3+/Au (+1.50 V)與Pt2+/Pt (+1.18 V)的還原電位相差最小3，當(dāng)用抗壞血酸(AA)作為還原劑時，可將AuCl4?和PtCl42?同時還原生成AuPt合金32。而當(dāng)兩種金屬離子的還原電位相差比較大時，可通過調(diào)節(jié)兩種金屬前驅(qū)體的濃度比例、還原劑、修飾劑、溶劑及反應(yīng)溫度等實驗條件，來調(diào)控兩種金屬離子的還原速率3。比如，Au3+/Au(+1.50 V)與Ag+/Ag (+0.80 V)和Cu2+/Cu (+0.34 V)還原電位相差較大時，可通過改變反應(yīng)條件來制備AuAg和AuCu合金。Wang等33以1-十八碳烯為溶劑、油胺為還原劑和表面活性劑，在120 °C下一步共還原HAuCl4和AgNO3，形成AuxAg100?x合金。當(dāng)HAuCl4和AgNO3的濃度比為1 : 10時生成Au60Ag40合金?？梢?，反應(yīng)體系中高濃度的Ag+能夠彌補其低的還原速率，使Ag與Au的成核和生長速率相當(dāng)。此外，AuCl4?/Au的還原電位比Au3+/Au要低0.50 V，即配體Cl?有效調(diào)控了相對還原速率。近期，研究者通過使用合適的表面修飾劑和還原劑實現(xiàn)了水相一步合成AuAg合金。如分別采用D/L-青霉胺為表面修飾劑，用NaBH4直接還原HAuCl4和AgNO3一步合成AuAg合金34。Shevchenko等35報道以乙二胺四乙酸二鈉鹽(Na2EDTA)為還原劑，在堿性80 °C條件下共還原HAuCl4和AgNO3生成AuAg合金。通過控制反應(yīng)體系中HAuCl4和AgNO3濃度比例不變，改變Na2EDTA的濃度，來調(diào)控合金中Au、Ag的組成。有文獻(xiàn)報道，研究者通過改變兩種前驅(qū)體的濃度比例，可制備組分可控的AuCu合金。如在N2保護及1-十八碳烯、油酸、油胺、1,2-十六烷二醇存在下共還原(CH3COO)3Au和(CH3COO)2Cu合成出不同組成的AuCu合金(Au、Au3Cu、AuCu、AuCu3、Cu)36。

對于金-金屬氧化物納米材料，一般采用氧化還原共沉淀法制備，即金離子和另一種金屬離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成組成均勻的沉淀，再經(jīng)高溫?zé)崽幚淼玫郊兌容^高的納米材料。Mitsudome等37報道在堿性條件下，將含HAuCl4和Ce(NO3)3的反相膠束溶液與含NaOH的反相膠束溶液混合，在沒有其他還原劑的存在下，Au(III)和Ce(III)發(fā)生氧化還原生成Au(0)和Ce(IV)，經(jīng)煅燒后制備出Au@CeO2核@殼納米材料。

采用一步法制備金納米復(fù)合材料，操作步驟簡單，但適用范圍有限，且對各個組分的形貌尺寸較難調(diào)控。

2.2 種子生長法

制備金納米復(fù)合材料最常用的方法是種子生長法：即先合成一種組分，再以其為種子原位生長另一種(或多種)組分。該方法制備金納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是各組分間晶格的匹配程度和異質(zhì)界面的相互作用。當(dāng)其他組分與金的晶格匹配程度較高時，無需任何連接劑即可在金表面直接外延生長得到金納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)。比如，Au與Ag的晶格高度匹配(失配僅為0.1%)，以13 nm AuNPs為種子、AgNO3為前驅(qū)體、檸檬酸鈉為還原劑，在AuNPs表面直接外延生長得到Au@Ag核@殼納米結(jié)構(gòu)38。Hutzler等39利用透射電子顯微鏡(TEM)原位研究Au@Ag核@殼結(jié)構(gòu)的生長機制，如圖1a，b。以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)穩(wěn)定的金納米棒(AuNRs)為種子、AgNO3為前驅(qū)體，用電子束輻射產(chǎn)生的溶劑化電子及羥基自由基來還原Ag+。原位TEM結(jié)果顯示在Au表面初始成核的Ag，來自反應(yīng)體系中游離的Ag+被還原，而不是Au表面附著的AgBr被還原，進(jìn)一步證實了Ag可在Au表面直接外延生長。除了Ag，Pt40、Pd41、Ru42等貴金屬和一些過渡金屬氧化物與Au的晶格失配程度均很小，都可在Au表面直接外延生長，如圖1c–j。比如，Liu等43以6–14 nm AuNPs為種子、Fe(CO)5為鐵源、1-十八碳烯為溶劑，在油酸、油胺存在下形成Janus Au-Fe3O4納米晶。經(jīng)高角環(huán)形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)表征及相應(yīng)的X射線能譜(EDXS)元素面分布圖，可清晰看到Au-Fe3O4納米晶呈啞鈴型結(jié)構(gòu)，且Au與Fe3O4兩組分都是高結(jié)晶性的。由傅立葉變換(FFT)模式證實Janus的Au-Fe3O4中兩組分均以(111)面外延生長。由于1個Fe3O4晶胞與2 × 2個Au晶胞較為匹配，兩者的晶格失配僅為2.8%，所以Fe3O4(111)面可直接在Au(111)面上外延生長。

圖1 Ag(a,b), Pt(c-e), Fe3O4 (f–j)在Au上直接外延生長Fig. 1 Epitaxial growth of Ag (a,b), Pt (c–e), Fe3O4 (f–j) on Au.

當(dāng)其他組分與金的晶格不匹配時，可利用分子配合物與金屬納米結(jié)構(gòu)之間軟硬酸堿反應(yīng)的熱力學(xué)與動力學(xué)調(diào)控，實現(xiàn)在大晶格失配下其他組分在金納米晶體上的非外延生長44–50。該方法基于軟硬酸堿反應(yīng)在AuNPs上沉積Ag殼，一定條件下轉(zhuǎn)變成Ag2X殼(X = S、Se、Te)，然后基于陽離子交換反應(yīng)制備出多種金屬@半導(dǎo)體的核@殼結(jié)構(gòu)(Au@PbS、Au@ZnS、Au@CdSe、Au@CdTe等)。這一策略有效規(guī)避了傳統(tǒng)外延生長法晶格匹配的限制。在此基礎(chǔ)上，通過改變反應(yīng)條件，如提高Ag2X殼的結(jié)晶性、升高陽離子交換反應(yīng)溫度等，可增大Au和CdX異質(zhì)界面的晶格應(yīng)力，從而精確調(diào)控Au-CdX異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形貌演變，即從核殼結(jié)構(gòu)到異質(zhì)二聚體45。后續(xù)，該研究小組還提出了不同膦配體配位的陽離子交換反應(yīng)46及水相陽離子交換非外延生長法47。

除了考慮晶格的匹配程度，還可通過引入小分子、聚合物等來調(diào)控兩種材料異質(zhì)界面的相互作用來制備金納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)。根據(jù)調(diào)控方式不同，可以分為三類：第一，在界面處嵌入配體/表面活性劑，通過配位鍵將兩種組分連接在一起。基于Au-O、Au-S相互作用，AuNPs表面常見的配體有檸檬酸鈉和巰基小分子，常用的表面活性劑有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)51–54、聚乙二醇(PEG)55等。比如，目前已報道的金-二氧化錳納米復(fù)合材料(Au-MnO2)，主要采用種子生長法制備。一類是以AuNPs為種子，用不同的還原劑(檸檬酸鈉、草酸鉀、杯芳烴等)還原高錳酸鉀(KMnO4)得到不同形貌尺寸的Au-MnO2納米材料56–63。近期，我們課題組63以檸檬酸鈉為還原劑，通過對AuNPs進(jìn)行純化，精細(xì)調(diào)控反應(yīng)體系中檸檬酸鈉濃度(5 mmol?L?1)、KMnO4濃度(0.1–0.6 mmol?L?1)、溫度(35 °C)等實驗條件，合成出一種各向異性、二維飛碟狀(UFO)的AuNP@MnO2超級納米粒子(簡稱AMNS-SPs，由AuNPs和二維MnO2納米片組成)，如圖2所示。經(jīng)原子力顯微鏡(AFM)測得MnO2納米片的厚度約為4.2 nm。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)體系中KMnO4的濃度，可調(diào)控MnO2納米片的直徑(108–230 nm)。且隨著MnO2納米片直徑的增大，MnO2特征吸收峰(～380 nm)的強度逐漸增大，同時AuNPs的LSPR逐漸紅移。由于AMNS-SPs中MnO2納米片厚度超薄(4.2 nm)、直徑較大(230 nm)，且柔軟易變形，為研究其與細(xì)胞的相互作用提供了信號輸出。上述AMNS-SPs的制備僅以單一的檸檬酸鈉為還原劑和穩(wěn)定劑。當(dāng)反應(yīng)體系中同時存在檸檬酸鈉和聚丙烯胺鹽酸鹽(PAH)時，MnO2納米片的厚度可調(diào)控至12 nm，制備出厚MnO2納米片修飾AuNPs的超級納米粒子(簡稱為TAMNS-SPs)。隨著KMnO4濃度的增大，厚MnO2納米片的直徑可從99 nm增至180 nm。另一類是以MnO2為種子、HAuCl4為前驅(qū)體、檸檬酸鈉為還原劑，在PVP的存在下得到AuNPs修飾的MnO2納米花64,65。以上制備Au-MnO2納米材料的反應(yīng)體系，均含有檸檬酸鈉(或檸檬酸鈉和PAH/PVP)，它們不僅充當(dāng)穩(wěn)定劑和還原劑，還是Au-MnO2異質(zhì)界面的連接劑。水相中制備Fe3O4-Au異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，也通常采用種子生長法，以Fe3O4為種子，HAuCl4為前驅(qū)體，檸檬酸作為還原劑和配體66,67。比如，近期報道的一種水相合成Fe3O4-M (M = Au、Ag、Pt)啞鈴型異質(zhì)納米材料的方法，即以Fe3O4為種子，通過控制成核和熟化的條件，原位異質(zhì)生長貴金屬67。作者通過監(jiān)測Fe3O4-Au異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的生長過程和嚴(yán)格的對比實驗，證實了無檸檬酸鈉時Fe3O4表面的Fe2+可充當(dāng)還原劑，還原HAuCl4得到Fe3O4-Au核-衛(wèi)星的納米結(jié)構(gòu)。此外，反應(yīng)體系中檸檬酸鈉加入的順序直接決定了反應(yīng)的產(chǎn)物。當(dāng)Fe3O4與HAuCl4反應(yīng)一段時間后，再加入檸檬酸鈉只得到了自成核的AuNPs；而當(dāng)Fe3O4和檸檬酸鈉先混合，檸檬酸根首先修飾到Fe3O4的表面，很好連接了Fe3O4-Au的異質(zhì)界面，制備出Fe3O4-Au的異質(zhì)二聚體。因檸檬酸鈉含有3個羧酸根，與Au和其他金屬均存在強的配位作用，所以它是合成金納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)最常用的配體。此外，半胱氨酸68、賴氨酸69、對巰基苯甲酸70、水楊酸71、巰基烷酸72,73、硫脲74、殼聚糖75等因含有羧基、氨基、巰基、羥基等基團，均能作為配體來制備金納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖2 配體/表面活性劑作為連接劑制備Au-MnO2異質(zhì)納米材料Fig. 2 Preparation of Au-MnO2 heterogeneous nanomaterials using ligand/surfactant as linkers.

當(dāng)單獨配體不能有效接連異質(zhì)界面時，可采用配體/表面活性劑來共同完成。有研究者76以Au@ZnO核殼結(jié)構(gòu)合成為例，系統(tǒng)地研究了親疏水性不同的巰基配體及PVP對Au@金屬氧化物核@殼結(jié)構(gòu)制備的影響。當(dāng)Au種表面修飾了疏水性的配體4-萘硫酚后，反應(yīng)體系中PVP的存在與否對Au@ZnO核@殼納米材料制備具有決定性影響。當(dāng)PVP存在時，PVP的親水羰基與ZnO相互作用，PVP的非極性亞甲基端與配體4-萘硫酚的疏水端相互作用，使Au-ZnO的界面能顯著降低，進(jìn)而合成出結(jié)構(gòu)清晰的Au@ZnO核@殼納米材料。基于此，作者發(fā)展出一種合成ZnO殼的普適性方法。除ZnO外，該方法還可制備其他金屬氧化物(Fe3O4、MnO、Co2O3、TiO2等)及硫化物(CdS、ZnS)的殼層，體現(xiàn)了該制備策略的普適性。PVP作為表面活性劑還被廣泛用于制備Au-MOF51–53，CuS-Au54等納米材料。

第二，在界面處嵌入中間層(二氧化硅SiO2、聚吡咯PPy等)連接兩種組分。由于SiO2表面有豐富的官能團(如―Si―OH)，可以分別與金屬和金屬氧化物鍵合。比如，Huang等77采用St?ber方法在AuNRs表面包硅得到AuNR@SiO2，再以其為種子在多元醇體系中熱分解三乙酰丙酮鐵(Fe(acac)3)，氧化鐵納米粒子(FexO NPs)沉積在AuNR@SiO2表面。SiO2中間層不僅有效地保護了AuNRs的LSPR性質(zhì)，同時有利于FexO NPs的均勻沉積，見圖3a。有文獻(xiàn)78報道利用導(dǎo)電PPy作為中間層，發(fā)展了一種制備Au@FexO核@殼納米結(jié)構(gòu)的普適性方法。以AuNR@PPy@FexO制備為例，如圖3b所示，首先，陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉(SDS)靜電吸附在AuNRs表面，隨后吡咯單體被嵌在表面活性劑分子層中。在氧化劑過硫酸銨((NH4)2S2O8)作用下，AuNRs表面的吡咯氧化聚合形成AuNR@PPy。進(jìn)一步用親水性聚乙烯醇(PVA)進(jìn)行表面修飾，經(jīng)堿性加熱，前驅(qū)體Fe2+和Fe3+發(fā)生共沉淀反應(yīng)得到AuNR@PPy@FexO納米材料。通過對比實驗證實，PPy作為中間層促進(jìn)了FexO在AuNRs上的均勻包裹。但該方法需要優(yōu)化表面活性劑SDS、Fe2+及Fe3+的濃度，且必須除去自成核的PPy。此外，具有粘附性能的聚多巴胺79等有機聚合物殼均能作為金和其他組分的中間層。

圖3 分別通過中間層SiO2 (a)和PPy (b)制備AuNR@FexO納米復(fù)合材料的示意圖Fig. 3 Schematic diagram illustrating the synthesis of AuNR@FexO nanocomposites based on SiO2 (a),PPy (b) as intermediate layers, respectively.

第三，界面處引入分子間弱作用力來制備金納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該方法最早用于制備無機納米超粒子80。它利用納米粒子之間的靜電斥力和范德華吸引力的平衡，將多分散(20%–30%)的無機納米粒子組裝成單分散(7%–9%)的超級納米粒子。這一自限制組裝策略適用于多種半導(dǎo)體材料(CdSe、CdS、ZnSe、ZnS等)在溶液中的可控組裝，且可用于構(gòu)筑各向同性或各向異性的金@半導(dǎo)體核@殼結(jié)構(gòu)(Au@CdSe、Au@CdS等)。在前期工作基礎(chǔ)上，我們課題組81又提出一種改進(jìn)的自限制組裝策略，能夠在水相中制備出單分散的Au@Cu2–xE (E = S、Se)核@殼結(jié)構(gòu)。為克服過快的反應(yīng)速率及Au與Cu2–xE強的親和力，在AuNPs表面修飾PVP，引入位阻效應(yīng)來調(diào)控納米粒子反應(yīng)/自組裝的動力學(xué)行為。

采用種子生長法制備金納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)，由于金和其他組分的合成過程分開進(jìn)行，因此各組分的形貌尺寸易于調(diào)控，且可通過調(diào)節(jié)金異質(zhì)界面的相互作用進(jìn)而調(diào)控異質(zhì)材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3 非原位組裝法

非原位組裝法是指AuNPs和另一種(或多種)納米粒子分別合成后，通過表面修飾，兩者可借助靜電吸引、主客體反應(yīng)、生物識別、共價結(jié)合等相互作用組裝成金納米復(fù)合材料。

正負(fù)電荷的靜電吸引作用常被用于構(gòu)建金納米復(fù)合材料。該類方法通常將組裝單元分別修飾上帶正電荷的氨基分子(巰基乙胺82,83、3-氨丙基三甲氧基硅烷APTMS84、3-氨丙基三乙氧基硅烷APTES85、聚乙烯亞胺PEI86等)和帶負(fù)電荷的羧基分子(檸檬酸鈉，巰基乙酸，3-巰基丙酸等)。比如，我們課題組82,83早期報道的Au-量子點(quantum dots，QDs)的組裝體，是由巰基乙胺修飾表面帶正電荷的AuNPs和短的巰基羧酸(3-巰基丙酸或巰基乙酸)修飾表面帶負(fù)電荷的QDs，通過氨基-羧基的靜電引力形成的。近期，Xu等84同樣基于靜電作用設(shè)計了一種CdS-Au核-衛(wèi)星納米結(jié)構(gòu)。首先采用水熱法制備CdS納米粒子，然后其經(jīng)APTMS修飾表面帶正電荷，通過靜電引力有效地捕獲表面帶負(fù)電荷的AuNPs。

金和其他組分也可通過主客體反應(yīng)組裝形成金納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。Qu等87基于二茂鐵和β-環(huán)糊精之間主客體相互作用構(gòu)建出Fe3O4-Au核-衛(wèi)星納米結(jié)構(gòu)。我們課題組88采用一步法合成了表面帶β-環(huán)糊精的AuNPs，在四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)客體分子的作用下，借助主客體反應(yīng)和靜電斥力的協(xié)同效應(yīng)實現(xiàn)了一維/二維的可控組裝。

DNA納米技術(shù)的發(fā)展為金納米復(fù)合材料的構(gòu)建提供了新思路。通常AuNPs表面用DNA修飾(常用末端連―SH的DNA通過Au―S鍵共價修飾)，基于堿基配對原則構(gòu)建出金納米復(fù)合材料。比如，QDs和AuNPs分別用兩條序列不同的單鏈DNA修飾，這兩條單鏈DNA為互補鏈或設(shè)計上述兩條單鏈的互補鏈，通過DNA堿基互補連接形成Au-QDs核-衛(wèi)星的納米超結(jié)構(gòu)89,90。近年來，以DNA為模板精準(zhǔn)構(gòu)建等離子體納米結(jié)構(gòu)的研究受到了廣泛關(guān)注91–94。比如，以核酸腳手架為模板，將核殼結(jié)構(gòu)的AuNPs組裝成手性四面體，在四面體內(nèi)部采用ATP的適配體組裝上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子，進(jìn)一步在組裝體表面分別修飾D型和L型谷胱甘肽，利用圓二色光譜和上轉(zhuǎn)換發(fā)光實現(xiàn)對自噬過程的雙信號監(jiān)測91。此外，通過抗原抗體95，生物素-親和素96等生物識別也可用于設(shè)計金納米組裝結(jié)構(gòu)。

相比于上述非共價相互作用，通過共價鍵非原位組裝所形成的金納米復(fù)合材料更穩(wěn)定。比如，Ismaili等97首先通過Au-S鍵在AuNPs表面修飾上3-芳基-3-三氟甲基雙吖丙啶，在光引發(fā)下生成活性的卡賓中間體，隨后與多壁碳管(CNT)中共軛Π鍵的碳骨架發(fā)生加成反應(yīng)形成Au-CNT的復(fù)合物。該復(fù)合物經(jīng)各種溶劑清洗后仍能穩(wěn)定存在。上述通過卡賓加成的共價交聯(lián)方式已成功應(yīng)用于光控小尺寸AuNPs在腫瘤組織內(nèi)選擇性聚集，從而增強腫瘤的光聲成像和光熱治療效果98。此外，Au-S共價交聯(lián)常用于制備Fe3O4-Au核衛(wèi)星納米結(jié)構(gòu)99,100。

非原位組裝法制備金納米復(fù)合材料，其中各個組分是單獨制備的，每一組分的尺寸形貌易于調(diào)控。但因多個組分分別合成且涉及表面修飾的過程，操作步驟繁瑣，干擾因素多；且組裝體所依賴的非共價相互作用如靜電、生物識別等，易受外界環(huán)境的影響(pH、溫度等)，所以其結(jié)構(gòu)較不穩(wěn)定。

3 金納米復(fù)合材料的性質(zhì)及其癌癥診療應(yīng)用

AuNPs的LSPR，源于入射光與AuNPs表面自由電子的相互作用。當(dāng)入射光的頻率與納米粒子內(nèi)部電子的振蕩頻率相同時就會產(chǎn)生強烈的共振，這種共振在宏觀上表現(xiàn)為AuNPs對某些波段光的吸收及散射增強，在光譜中產(chǎn)生明顯的吸收或消光峰(或稱LSPR峰)。因為該效應(yīng)，AuNPs表面電磁場顯著增強(局域電磁場增強)，其強度隨著遠(yuǎn)離金表面而迅速減弱。諸多因素，如納米粒子的組成、大小、形狀、單分散性及周圍介質(zhì)等均能影響其LSPR的強度和位置。比如，通過調(diào)節(jié)金納米棒的長徑比或金納米殼的厚度，可將其LSPR峰從可見光區(qū)連續(xù)調(diào)至近紅外區(qū)。這為光聲成像(photoacoustic imaging，PA)、光熱治療(photothermal therapy，PTT)等應(yīng)用提供了材料基礎(chǔ)。再者，AuNPs的局域電磁場可增強其表面或附近分子的光學(xué)性質(zhì)，因此構(gòu)建了各種表面增強光譜技術(shù)(表面增強拉曼/熒光/紅外等)。此外，金的原子序數(shù)高，具有強的X射線衰減率，可以用于體內(nèi)外的計算機斷層掃描成像(computed tomography，CT)及放射治療。將金和其他無機納米粒子復(fù)合，可進(jìn)一步拓展和增強其性質(zhì)及應(yīng)用。接下來，基于金納米復(fù)合材料的集合性質(zhì)和協(xié)同效應(yīng)，討論幾種代表性的金納米復(fù)合材料在癌癥診療中的應(yīng)用。

3.1 金納米復(fù)合材料的集合性質(zhì)及其癌癥診療應(yīng)用

集合性質(zhì)是指在金納米復(fù)合材料中，金與其他組分之間沒有電子態(tài)的相互作用，各部分很好地保持自身的性質(zhì)，在應(yīng)用上集成了各組分的功能。比如，金與多孔的藥物載體復(fù)合，利用金的光熱性質(zhì)促進(jìn)藥物的釋放，開發(fā)智能型的納米載藥平臺；金與磁性材料復(fù)合，可有效整合光學(xué)和磁性性能，開發(fā)多模態(tài)的成像診療平臺。

多孔納米材料因具有大的比表面積和孔隙，不僅可以負(fù)載藥物活性分子且可避免藥物分子過早被機體降解和清除，是一類非常好的藥物載體。金屬有機框架(Metal-organic frameworks，MOFs)是近年來發(fā)展迅猛的“明星”納米材料。它通常由中心金屬離子或中心金屬團簇與含氮、氧等有機配體通過配位鍵相互連接，自組裝形成具有周期性結(jié)構(gòu)的多孔材料。基于高的比表面積、多孔性以及生物可降解性，MOFs在藥物可控釋放領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。2017年，Li等51將阿霉素(DOX)包載在金棒@類沸石咪唑酯框架(AuNR@ZIF-8)核@殼結(jié)構(gòu)中，有效整合了AuNRs的光熱性能和ZIF-8的藥物負(fù)載性能，構(gòu)建出近紅外光刺激的熱療和化療納米平臺。如圖4所示，AuNR@ZIF-8在0.2 mg.mL?1濃度下，經(jīng)功率1 W.cm?2的808 nm激光照射5 min后，體系溫度由室溫提高到65 °C，表明其具有良好的光熱轉(zhuǎn)換性能。同時，通過對比AuNR@ZIF-8-DOX在不同條件下的藥物緩釋，作者發(fā)現(xiàn)在pH = 5.5的條件下，用808 nm激光照射12 h后，DOX的累積釋放量最高達(dá)到～95%，證實了該納米平臺具有pH和近紅外光刺激響應(yīng)的藥物釋放性能。該AuNR@ZIF-8-DOX納米平臺實現(xiàn)了PTT和化療聯(lián)合療法，對小鼠腫瘤的抑制率明顯高于單獨PTT或者化療。最近，有文獻(xiàn)報道53采用類似的方法構(gòu)建了蛋黃@殼結(jié)構(gòu)的金納米星@類沸石咪唑酯框架(Au@ZIF-8)納米平臺。首先，Au@ZIF-8中的金納米星在近紅外II區(qū)(1000–1350 nm)具有強的LSPR吸收，相應(yīng)地在1064 nm具有更好的光熱轉(zhuǎn)化效率。因生物組織對近紅II區(qū)的光吸收和散射最低，該Au@ZIF-8納米平臺可實現(xiàn)高分辨PA成像和高效的PTT；其次，Au@ZIF-8經(jīng)單寧酸選擇性刻蝕后，得到了具有中空結(jié)構(gòu)的核殼納米粒子，實現(xiàn)了更高效地DOX負(fù)載?？梢姡珹u@ZIF-8-DOX兼具近紅外II區(qū)光熱性能和pH響應(yīng)的藥物釋放性能，用于活體水平的近紅外熱(NIR)、PA雙模成像及PTT、化療的聯(lián)合療法，實現(xiàn)了診療一體化，提高了癌癥治療效果。以上研究表明，利用Au@MOF納米復(fù)合材料中多孔的MOFs作為藥物載體，為設(shè)計刺激響應(yīng)性納米診療平臺提供了新途徑。

圖4 Au@MOF納米載藥平臺用于腫瘤的PTT、化療聯(lián)合治療Fig. 4 Au@MOF drug carriers for combined chemo-photothermal therapy.

近年來，磁性納米材料，特別是四氧化三鐵(Fe3O4)納米粒子，因具有特殊的尺寸效應(yīng)及磁學(xué)性能，在癌癥診療領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用于癌癥診療的Au-Fe3O4納米復(fù)合材料，主要基于Fe3O4的超順磁性和酸性條件下生成活性氧的性質(zhì)。而Au-Fe3O4異質(zhì)二聚體，因能充分體現(xiàn)兩種組分的集合性質(zhì)，受到廣泛關(guān)注。近期，有文獻(xiàn)67報道水相合成的Fe3O4-Au異質(zhì)二聚體，因超順磁性的Fe3O4可顯著縮短周圍水質(zhì)子的橫向弛豫時間；同時，Au的電子密度高，可有效衰減X射線。因此，該二聚體可用于體內(nèi)、體外磁共振(magnetic resonance imaging，MRI)/CT雙模態(tài)生物成像，如圖5所示。與核@殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@Au相比，在Fe3O4-Au異質(zhì)二聚體中Au沒有將Fe3O4完全包裹，不影響Fe3O4納米粒子對水質(zhì)子的橫向弛豫，所以同時提高了二聚體的弛豫效能和X射線衰減效能，進(jìn)而實現(xiàn)高性能雙模態(tài)成像。若將Fe3O4-Au異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)一步組裝，可調(diào)節(jié)其光、磁性能。比如，Song等101將Janus的Au-Fe3O4納米結(jié)構(gòu)組裝形成三種兩親性等離子體-磁性囊泡，通過調(diào)節(jié)Au和Fe3O4表面聚合物刷的親疏水性來調(diào)控兩者在囊泡殼中的位置和取向。與單個Janus組裝單元相比，由于Au間的等離子體耦合和Fe3O4間的磁耦合效應(yīng)，囊泡的光學(xué)吸收、散射及磁性都大大增強。在Au@PS-Fe3O4@PEG雙層囊泡中，Au間距離最近，相應(yīng)的等離子體耦合最強，表現(xiàn)出表面增強拉曼(SERS)和PA信號均最強。在Au@PEG-Fe3O4@PS雙層囊泡中，F(xiàn)e3O4間距離最近，相應(yīng)的磁耦合最強，表現(xiàn)出MR T2成像性能最好。Au@PEGFe3O4@PS雙層囊泡可實現(xiàn)活鼠腫瘤組織高分辨PA和MR T2成像。該團隊在另一項研究102中，將Janus的Au-Fe3O4中Fe3O4表面修飾的聚苯乙烯(PS)用聚(脂質(zhì)過氧化物-乙烯吡啶)(PLHPVP)替代，Au表面依然修飾PEG，自組裝形成Au@PEGFe3O4@PLHPVP雙層囊泡。如圖6所示，在腫瘤酸性微環(huán)境中，由于結(jié)合了H+，PLHPVP從疏水性轉(zhuǎn)化為親水性，使得雙層囊泡解組裝。隨后，H+擴散到Fe3O4表面與其反應(yīng)釋放出Fe2+。酸性條件下，F(xiàn)e2+又可以與脂質(zhì)過氧化物(LHP)反應(yīng)生成活性氧(ROS)，導(dǎo)致氧化應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡；其次，囊泡中粒子間磁耦合和等離子體耦合呈現(xiàn)出比單個Janus更強的T2弛豫和PA信號；再次，囊泡內(nèi)裝載的DOX因囊泡解組裝而釋放，體現(xiàn)了pH響應(yīng)的藥物釋放性能；最后，作者用放射性元素64Cu標(biāo)記囊泡中的Au，并成功用于荷瘤小鼠全身的正電子發(fā)射計算機斷層掃描(positron emission tomography，PET)成像。該納米平臺實現(xiàn)了活體水平多模態(tài)成像(PET、MR、PA等)引導(dǎo)協(xié)同ROS介導(dǎo)的治療和化療。除了作為磁共振成像造影劑外，F(xiàn)e3O4-Au異質(zhì)二聚體還對腫瘤放療具有強的增敏作用103–105。

圖5 Au-Fe3O4異質(zhì)二聚體用于活體水平的MR、CT多模態(tài)成像Fig. 5 Au-Fe3O4 heterodimers for in vivo MR and CT multimodality imaging.

圖6 負(fù)載DOX的雙層磁性等離子體囊泡(Au@PEG-Fe3O4@PLHPVP)癌癥診療示意圖Fig. 6 Schematic illustration of the anticancer effect of doxorubicin (DOX)-loaded bilayered magnetic-plasmonic vesicles (Au@PEG-Fe3O4@PLHPVP).

3.2 基于金納米復(fù)合材料的協(xié)同效應(yīng)及其癌癥診療應(yīng)用

當(dāng)金納米復(fù)合材料中各組分之間存在電子態(tài)的相互作用時，有望獲得優(yōu)于單一組分的協(xié)同效應(yīng)。常見的設(shè)計有金-半導(dǎo)體復(fù)合納米材料，兩組分的相互作用主要體現(xiàn)在兩個方面：一是金和半導(dǎo)體的LSPR相互耦合增強了復(fù)合材料對光的吸收，提高了光熱轉(zhuǎn)化效率，表現(xiàn)為增強的PTT。二是金的能量通過偶極-偶極作用非輻射轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體，促進(jìn)其電子-空穴對分離，有助于生成活性氧，表現(xiàn)為增強的光動力治療(photodynamic therapy，PDT)。

圖7 Au@Cu2?xS SPs基于Au核、Cu2?xS殼的LSPR耦合用于增強的PTTFig. 7 Au@Cu2?xS SPs for enhanced PTT basing on the coupling LSPR effects of the Au core and Cu2?xS shell.

銅基硫族化物(CuS、Cu2?xS、Cu2?xSe等)半導(dǎo)體因晶格中銅空位誘導(dǎo)空穴密度增大，其集體振蕩可在近紅外區(qū)產(chǎn)生LSPR，為PA成像、PTT等應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。但單一組分的半導(dǎo)體，其光熱轉(zhuǎn)換效率較低，可借助銅基硫族化物半導(dǎo)體與貴金屬間的LSPR耦合效應(yīng)來提高其光熱轉(zhuǎn)換能力54,81,106–108。我們課題組81發(fā)展了原位自組裝策略，在水相制備了單分散Au@Cu2?xS核@殼超級納米粒子(Au@Cu2?xS SPs)，并成功用于活體水平的多模態(tài)成像及光熱治療。如圖7所示，與Au和Cu2?xS混合物相比，Au@Cu2?xS SPs中Au的LSPR峰紅移，Cu2?xS的近紅外LSPR峰藍(lán)移且吸收強度顯著增強。同時，F(xiàn)DTD理論計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)總體一致，進(jìn)一步證實Au核和Cu2?xS殼之間LSPR相互耦合。上述Au、Cu2?xS混合物與Au@Cu2?xS SPs，經(jīng)功率0.75 W.cm?2的808 nm激光照射10 min，體系溫度分別提高了18.5和36.1 °C，表明Au@Cu2?xS SPs具有更高的光熱轉(zhuǎn)換效率。通過計算得出，Au@Cu2?xS SPs在808 nm處的消光系數(shù)為9.32 L.g?1.cm?1。該SPs可用于活體水平的PA、CT多模態(tài)成像以及腫瘤PTT。細(xì)胞和活體實驗均證實Au@Cu2-xS SPs具有高效的光熱殺傷效果，進(jìn)一步表明了LSPR協(xié)同耦合增強了光熱轉(zhuǎn)換效率。金和半導(dǎo)體之間LSPR的耦合，還可以調(diào)控復(fù)合材料LSPR的吸收范圍。比如，在Cu7S4上原位生長Au的Cu7S4-Au異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，由于其LSPR協(xié)同耦合，相比于單獨的Cu7S4，LSPR吸收范圍從1500 nm附近調(diào)至700–1500 nm，同時該波段的LSPR吸收大大增強(經(jīng)計算，光熱轉(zhuǎn)換效率提高了16.78%)。體內(nèi)光熱對比實驗證實了該異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有協(xié)同耦合效應(yīng)，實現(xiàn)了深度病變組織的光學(xué)成像106。除銅基硫族化物半導(dǎo)體以外，Au還與石墨烯109、MoS2110、Ti3C2111等材料復(fù)合來提高其光熱轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)增強的PTT。

此外，金和半導(dǎo)體之間的能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)可促進(jìn)半導(dǎo)體電荷分離產(chǎn)生活性氧，從而殺死癌細(xì)胞，為癌癥的協(xié)同治療提供了可能。Liu等112構(gòu)建了等離子體誘導(dǎo)共振能量轉(zhuǎn)移增強光動力治療的脂質(zhì)體包裹的Au@SiO2@Cu2O/全氟己烷(Lip(ASC/PFH))的納米平臺，如圖8所示。首先，由于Au核和Cu2O殼的吸收光譜重疊，相比于Au@SiO2，ASC的吸收峰紅移至650 nm；其次，通過中間層SiO2固定Au與Cu2O的距離，控制Au的能量以非輻射形式轉(zhuǎn)移至Cu2O。Cu2O、Au@SiO2、Au@Cu2O、ASC分別經(jīng)功率0.48 W.cm?2的670 nm激光照射10 min，其中ASC產(chǎn)生的單線態(tài)氧(1O2)的量子產(chǎn)率高達(dá)0.71(商品化光敏劑Ce6在乙醇中的量子產(chǎn)率約為0.65)；最后，PFH提供了一個富氧環(huán)境，有效解決了腫瘤缺氧的問題。體外、體內(nèi)實驗均證實了ASC/PFH具有高效的活性氧產(chǎn)生率，用于活體水平的光動力治療。

圖8 Lip(ASC/PFH)納米平臺基于Au、Cu2O的非輻射共振能量轉(zhuǎn)移用于增強的PDTFig. 8 Lip(ASC/PFH) nanocomposites for enhanced PDT basing on the nonradiative transfer of plasmonic energy from the Au core to Cu2O shell.

同年，Chang等113通過制備Au@CuS蛋黃@殼結(jié)構(gòu)來控制核、殼之間的距離，構(gòu)建了兼具光熱光動力化療一體的診療平臺，如圖9所示。首先，作者通過固定Au核與CuS殼的距離、CuS殼的厚度及整個Au@CuS蛋黃@殼結(jié)構(gòu)的直徑，調(diào)節(jié)Au核的形貌(球形到棒狀)和尺寸(改變直徑相同金棒的長度)等，制備了一系列LSPR譜帶不同的Au@CuS蛋黃@殼結(jié)構(gòu)。作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射光與Au核的LSPR吸收波長匹配時，可有效激活從Au核到CuS殼的偶極-偶極非輻射共振能量轉(zhuǎn)移，有效增強CuS殼中電子-空穴對的產(chǎn)生。基于這一設(shè)計，首先，CuS殼中價帶空穴密度增加，與水反應(yīng)可生成更多的羥基自由基，增強了納米復(fù)合材料的光動力性能；其次，CuS殼中激發(fā)的電子又促進(jìn)Cu(II)d–d能帶躍遷，導(dǎo)致其光熱性能增強；最后，在Au@CuS蛋黃@殼的內(nèi)部空腔裝載藥物分子DOX，同時在其表面包裹溫敏性嵌段共聚物，實現(xiàn)溫控釋藥。體內(nèi)實驗證實，該納米平臺具有高效的腫瘤積累，有效的腫瘤抑制和良好的生物相容性。在另一項研究中，該課題組114將NO刺激系統(tǒng)引入到Au@CuS蛋黃@殼的納米結(jié)構(gòu)中開發(fā)了一種治療耐多藥腫瘤的納米平臺。以上研究表明，金納米復(fù)合材料不僅可以整合兩個或多個組分的特性，還能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，提高對癌癥治療的效果。

圖9 溫敏聚合物修飾及負(fù)載DOX的Au@CuS蛋黃@殼納米粒子基于共振能量轉(zhuǎn)移機制用于增強的PTT、PDT及化療的示意圖Fig. 9 Schematic illustration of thermoresponsive polymer-modified and DOX-loaded Au@CuS yelk@shell nanoparticles (YSNPs) for enhanced PTT, PDT, and chemotherapy basing on resonance energy transfer activation.

4 結(jié)論

綜上所述，金納米復(fù)合材料借助其集合性質(zhì)和協(xié)同效應(yīng)，已廣泛應(yīng)用于癌癥診療研究。盡管諸多多功能金納米診療平臺的設(shè)計和應(yīng)用研究已取得了一定的成績，然而在材料制備及生物應(yīng)用兩方面仍存在一些重要問題：

第一，需要發(fā)展宏量制備方法。對于某些結(jié)構(gòu)典型、性能優(yōu)越的金納米復(fù)合材料，比如Au-Fe3O4，應(yīng)著重發(fā)展其宏量制備方法策略，最好能實現(xiàn)制備過程的標(biāo)準(zhǔn)化，為其應(yīng)用研究、性能評估提供保障。

第二，需要深入研究金納米復(fù)合材料各組分的協(xié)同效應(yīng)，以開發(fā)其新功能。首先，在結(jié)構(gòu)表征和性能測試方面，充分借助各種大型儀器，如同步輻射、球差電鏡、時間分辨吸收光譜裝置等，明晰復(fù)合結(jié)構(gòu)-性能的構(gòu)效關(guān)系；進(jìn)一步結(jié)合理論計算，充分理解其性質(zhì)，特別是基于物理、化學(xué)的協(xié)同效應(yīng)及調(diào)控機制。

第三，需要考慮生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，以提高材料在腫瘤處的累積，進(jìn)而提高癌癥治療的效果。因納米材料通過口服或靜脈注射(即通過腸道或血液循環(huán)系統(tǒng))進(jìn)入腫瘤細(xì)胞，要經(jīng)歷與微生物、組織、細(xì)胞和蛋白質(zhì)等生物系統(tǒng)相互作用的過程。深入理解和研究納米材料與各系統(tǒng)的作用機制，有助于提高腫瘤細(xì)胞攝取的效率。比如，通過在納米材料表面修飾PEG115或包裹細(xì)胞膜116可逃避巨噬細(xì)胞的吞噬；或在納米材料表面修飾特異性識別抗原117或腫瘤細(xì)胞標(biāo)志物的靶向配體118實現(xiàn)納米材料在腫瘤部位主動靶向聚集。近期，水凝膠納米診療平臺的構(gòu)建也掀起一股研究熱潮，皮下注射水凝膠成為一種新的給藥方法，有效提高了靜脈給藥靶向腫瘤的效率119。此外，還需考慮納米材料所處的微生物環(huán)境。最近，在《自然》雜志120上首次報道了腸道微生物對藥物代謝影響的系統(tǒng)研究，可預(yù)見微生物與納米材料相互作用的研究可能是未來納米生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個研究重點。

第四，金納米復(fù)合材料在體內(nèi)的命運、生物積累及長期毒性需要進(jìn)一步研究。盡管金納米診療試劑在動物實驗中沒有明顯毒性，但其難以生物降解及清除。比如，El-Sayed組121研究了AuNRs對小鼠的長期毒性。實驗結(jié)果表明，注射AuNRs后15個月未發(fā)現(xiàn)明顯毒性，但大多數(shù)AuNRs并沒有被機體排泄，而是積蓄在肝細(xì)胞和脾細(xì)胞內(nèi)。因此研究促進(jìn)不可代謝金納米材料體內(nèi)清除的方法具有重要意義。近期，有文獻(xiàn)報道122利用內(nèi)源性銅清除機制，設(shè)計CuS-Au復(fù)合納米材料，以促進(jìn)AuNPs的肝膽清除，這為金納米材料的體內(nèi)清除提供了新思路。