施剑林院士2019年研究成果集锦

NanoLabs

2019-12-27

施剑林，中国科学院院士，1989年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，现任中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部“长江学者”特聘教授，曾担任国家973项目首席科学家。

课题组现主要研究方向包括：

1. 介孔与其他无机纳米材料的设计、可控合成及物化性能 

2. 面向能源/环境应用的无机光/电催化材料 

3. 基于无机纳米结构的药物输运与诊疗一体化 

4. 纳米催化医学 

图丨施剑林课题组网站（http://www.skl.sic.cas.cn/yjly/swyy/sjl/）

以下对施剑林研究团队2019年部分重要研究成果进行归纳总结，供大家学习交流。本次分为三个部分展开：

纳米催化医学 

AM综述：纳米催化医学

催化和生物医学通常被认为是两个独立的研究领域。近年来，随着纳米化学的发展，大量的纳米催化剂，如纳米酶、光催化试剂和电催化试剂等也都在体内被用于启动催化反应和调节生物微环境以实现治疗的效果。纳米催化剂在生物医学领域的应用也得到了迅速的发展，并有望推动纳米医学这一分支学科的前进。在过去的一个世纪里，许多化学家都在努力地将具有高效和高选择性的催化剂巧妙地转化为纳米诊疗药物，通过催化反应来优化治疗的结果。

 中科院上海硅酸盐研究所施剑林研究员、陈雨研究员等人根据催化反应的基本反应因素，对构建纳米药物的基本原理进行了综述说明；然后全面介绍了这一新兴领域的最新研究进展，并详细讨论了具有诊疗功能的纳米催化系统的内在机理。

BowenYang, Yu Chen, Jianlin Shi. et al. Nanocatalytic Medicine. Advanced Materials. 2019

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201901778

ACS Nano：单原子催化剂的纳米催化肿瘤治疗

在肿瘤微环境（TME）中启动局部催化化学反应，不仅可以获得很好的肿瘤治疗效果，而且具有很高的特异性和良好的生物安全性，这主要取决于生物医学纳米催化剂的高性能。施剑林研究员与陈雨研究员等人利用聚乙二醇化的单原子含铁纳米催化剂（PSAF NCS）可以有效地触发原位肿瘤特异性芬顿反应，以在酸性TME下选择性地产生丰富的有毒羟基自由基（OH）。

基于密度泛函理论，从理论上揭示了纳米催化剂可以通过质子介导的H2O2均相催化非均相Fenton反应。这些产生的自由基不仅可导致恶性肿瘤细胞凋亡，而且还可诱导脂质过氧化物的积聚，导致肿瘤细胞的铁蛋白沉着，从而协同地导致令人印象深刻的肿瘤抑制结果。同时，PSAF-NCs良好的生物降解性和生物相容性也保证了其良好的体内外生物安全性。

Minfeng Huo, Liying Wang, Youwei Wang, Yu Chen, and Jianlin Shi. Nanocatalytic Tumor Therapy by Single-Atom Catalysts. ACS Nano 2019 13 (2), 2643-2653

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00457

基于无机纳米结构的药物输运与诊疗一体化

Chemical Review综述：基于活性氧（ROS）的纳米医学

活性氧（ROS）在调节生物体各种生理功能中起着重要作用。ROS固有的生化特性是生物体生长、适应或衰老所必需的机制的基础，正驱使研究人员充分利用这些活性化学物质为医学进步做出贡献。由于纳米技术的显著进步，人们探索出了多种具有独特活性氧调节特性的纳米材料来指导活性氧在生物环境中的时空动态行为，从而形成了新一代的治疗方法，即纳米材料引导体内活性氧的进化治疗。ROS与相应的化学、生物学和纳米治疗之间的相互依赖关系使我们提出了ROS科学的概念，它被认为是研究ROS的化学机制、生物学效应和纳米治疗应用的新兴科学学科。

施剑林研究员与陈雨研究员综述了近年来基于ROS的纳米治疗的最新进展，重点介绍了产生或清除ROS以改善治疗效果的纳米材料的基础材料化学。此外，还讨论了基于ROS的跨学科领域进化中的关键科学问题，旨在揭示ROS的内在力量，以优化治疗效果。我们希望我们在这一领域的研究成果将有助于基于ROS的基础研究和临床应用的进一步发展。

Bowen Yang, Yu Chen, and Jianlin Shi. Reactive Oxygen Species (ROS)-Based Nanomedicine. Chemical Reviews 2019 119 (8), 4881-4985

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00626

Nano Lett.：无机纳米壳稳定液态金属用于NIR-II区靶向光纳米医学

镓和镓基合金是一类具有独特物理化学性质的典型液态金属，其作为新一代功能材料也正逐渐在生物医学领域得到广泛的应用。但目前研究对其生物医学性能的探索还很不够，其固有的低抗氧化的特性亦是阻碍其进一步临床转化的关键。中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林研究员、陈雨研究员等人合作报告了一种利用无机二氧化硅纳米壳对液态金属基纳米平台进行稳定的方法。该方式是基于一种新型简便的声化学合成，可用于在NIR-II区进行高效的，近红外光(NIR)触发的靶向光热肿瘤治疗。

实验证明，对液态金属材料的表面进行无机硅壳化工程可以显著提高液态金属核的光热性能使其近红外吸收增强，而且硅壳也具有氧化保护的能力可以提高光热的稳定性，这种表面修饰工程也可以使得材料具有丰富的表面化学物质，进一步增强其在肿瘤的聚集。体外细胞水平实验和体内肿瘤异种移植的实验表明，利用(Arg-Gly-Asp) RGD靶向基团和硅壳对纳米级液态金属进行包覆可实现其在体内进行光触发的癌细胞死亡和肿瘤的清除，并且具有高的生物相容性，也易于清除出体外。

Zhu P, Gao S S, et al. Inorganic Nanoshell-Stabilized Liquid Metal for Targeted Photo-Nanomedicine in NIR-II Biowindow. Nano Letters, 2019.

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00364

JACS：通过原位Cu²⁺螯合策略增强双硫仑的肿瘤特异性化疗作用

具有抗肿瘤活性的双硫仑(DSF)是被美国FDA批准的一种依赖于Cu²⁺的癌症治疗药物。然而，人体内铜的分布往往错综复杂，外源性的铜也会诱导产生毒性副作用，这些都严重阻碍了DSF的临床应用性能。中科院上海硅酸盐研究所施剑林、于罗丹等人报道了一种利用原位Cu²⁺螯合来增强DSF癌症化疗效果的策略。

实验构建了一种掺杂Cu²⁺、负载DSF的中空介孔二氧化硅纳米颗粒，其在肿瘤微环境的温和酸性条件下可以快速释放Cu²⁺离子。并且一旦该纳米粒子被肿瘤细胞内吞，它也会快速发生生物降解从而加速DSF的释放。这种共释放过程可以实现Cu^{2 +}与DSF的原位螯合反应并产生有毒的CuET产物，同时产生的Cu⁺离子也会与高浓度的H₂O₂发生类芬顿反应产生活性氧(ROS)。体外细胞实验和体内肿瘤治疗实验表明，通过在肿瘤内产生的高毒性CuET复合物和ROS，该材料可以实现高效的DSF肿瘤特异性化疗。

Wencheng Wu, Luodan Yu, Jianlin Shi. et al.Enhanced Tumor-Specific Disulfiram Chemotherapy by In Situ Cu²⁺Chelation-Initiated Nontoxicity-to-Toxicity Transition. Journal of the American Chemical Society.2019

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b03503

Angew：光敏蓝藻细胞增强PDT疗效

在各种恶性肿瘤治疗中，持续的肿瘤氧合作用是至关重要的，尤其是II型光动力治疗(PDT)，其严重依赖于肿瘤内氧水平以产生活性氧。在此，中科院上海硅酸盐研究所施剑林研究团队通过光合蓝藻细胞和Chlorine6(Ce6)光敏剂的杂交产生Ce6整合的光敏细胞，即ceCyan，为克服II型PDT肿瘤障碍提供了一种简便的方法。

在单源激光(660 nm)照射下，蓝藻细胞会通过光合作用持续产生O₂，而整合的光敏剂会立即产生大量的活性单线态氧 (1O2)，从而可以在杂交细胞中同时实现对恶性肿瘤的破坏。基于级联氧化和光敏效应，显性细胞毒性和光动力学疗法已在体外和体内成功被证明。这项工作为基于杂交微生物的生物相容性和有效的PDT提供了一个概念性和实践性的范例，展示了微生物纳米医学在临床PDT中的广阔应用前景。

Minfeng Huo, Liying Wang, Linlin Zhang, et al.Photosynthetic Tumor Oxygenation by Photosensitized Cyanobacterial Cells forEnhanced Photodynamic Therapy. Angew.Chem. Int. Edit., 2019.

https://doi.org/10.1002/anie.201912824

面向能源/环境应用的无机光/电催化材料

ACS Catalysis: 引入Cu稳定CeO_2-x中氧空位，并提高CO₂的光催化还原活性

在半导体光催化剂的晶格中引入O空位可以改变其固有的电子性能和带隙，从而提高可见光吸收率，促进光生电荷载流子的分离/转移，从而提高氧化物半导体的光催化活性。此外，O空位有助于光催化剂表面吸附和活化CO₂，但在光还原反应中，O空位容易被O原子填充。于此，施剑林研究员、张玲霞研究员等人通过引入了Cu以增加CeO_2-x中O的空位浓度并促进CeO_2-x的光催化活性。Cu/CeO_2-x-0.1样品在5 h照射下显示出最高的光催化活性，CO产率为8.25μmol g^-1，是CeO_2-x的约26倍。根据拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）的分析，已证明铜的引入有利于在光催化CO₂还原过程中CeO_2–x中O空位的化学稳定，这有助于改善和保持持续的光催化活性。

Min Wang, Meng Shen, Xixiong Jin, Jianjian Tian, et al. Oxygen Vacancy Generation and Stabilization in CeO2–x by Cu Introduction with Improved CO2 Photocatalytic Reduction Activity. ACS Catalysis 2019 9 (5), 4573-4581

https://doi.org/10.1021/acscatal.8b03975

Nat. Commun.：Ni-Mo-N/CFC纳米片电催化剂用于同时生产氢气和甲酸

由于日益严重的环境污染和能源危机，开发清洁和可再生能源/资源（例如太阳能，风能和氢能）引起了广泛关注。氢气是有吸引力清洁能源。通过电催化分解水制氢是一种有效且经济的技术，但是由于其动力学缓慢和低附加值的阳极析氧反应而受到严重阻碍。过渡金属基氮化物通常具有较低的电阻和较高的机械稳定性，被认为是有前途的电催化剂，并且在各种反应（例如OER，HER和ORR）中显示出高的活性。

近日，中科院上海硅酸盐研究所施剑林、华东师范大学陈立松等人报道了一种负载在碳纤维布（Ni-Mo-N/CFC）上的镍-氮化钼纳米片催化剂(Ni-Mo-N/CFC)，该催化剂在低成本的碱性甘油溶液中可同时电解生产高纯度氢（阴极上）和高附加值的甲酸（阳极上）。当在阳极和阴极都装载Ni-Mo-N/CFC催化剂时，所建立的电解槽只需低至1.36 V的电池电压就能达到10 mA cm^-2的电流密度，比碱性水溶液低260 mV。此外，该催化剂生成H₂和甲酸的法拉第效率分别高达99.7％和95.0％。该工作利用非贵金属电催化剂同时在阴极和阳极生产高价值产品的策略，对可再生能源技术的发展具有重要意义。

YanLi, Lisong Chen*, Jianlin Shi,* et al. Nickel-molybdenum nitride nanoplateelectrocatalysts for concurrent electrolytic hydrogen and formateproductions. Nat. Commun., 2019

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13375-z

介孔与其他无机纳米材料的设计、可控合成及物化性能

AM：硅烯的湿化学剥离合成及其纳米医学应用

硅基生物材料在生物医学工程中具有不可替代的作用。然而由于硅缺乏多样化的功能，硅基纳米材料往往仅限于作为药物递送系统的载体。同时，硅基生物材料作为一种典型的无机材料，其较差的生物降解特性也阻碍了其在体内的生物医学应用和临床转化。

中科院上海硅酸盐研究所施剑林研究员、陈雨研究员等人通过湿化学剥离法合成了2 D的硅烯纳米片，将传统的0 D纳米颗粒转换为2 D材料系统。2 D硅烯纳米片具有良好的理化性质，可以实现光触发的治疗和诊断成像，并具有很好的生物相容性和生物可降解性。研究结合基于DFT的分子动力学(MD)计算，对硅烯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进行了讨论。这一研究制备了一种新型硅基生物材料，并证明其具有生物可降解性、高的生物相容性、多功能性等优点，具有广阔的临床应用前景。

Han Lin, Yu Chen, Jianlin Shi. et al. Silicene: Wet-Chemical Exfoliation Synthesis and Biodegradable Tumor Nanomedicine. Advanced Materials. 2019

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/doi/10.1002/adma.201903013

 Angew：非层状镁低温剥离为二维晶体

层状前体的物理剥离是制备2D晶体最普遍的技术之一，然而，这种方法自然地被认为本质上不适用于非层状体。中科院上海硅酸盐研究所施剑林课题组确定了金属镁在低温（CT）下的平面解理分化，并且开发了非层状镁到2D晶体的低温剥离策略。研究发现，Mg晶格响应外部机械应力的解理各向异性源于CT诱导的基底滑动特异性的失活，其导致垂直于c轴的基底解理。剥离的新型2D Mg晶体表现出明显的局部表面等离子体共振，对于捕获和转换太阳能的应用具有很大的潜力。

Chen Zhang, Yingfeng Xu, Ping Lu, ChenyangWei, et al. Cryogenic Exfoliationof Non‐layered Magnesium into Two-Dimensional Crystal.Angewandte Chemie International Edition, 2019.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201903485

施剑林研究员简介

施剑林，中国科学院院士，1989年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，现任上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部“长江学者”特聘教授，曾担任国家973项目首席科学家。

施剑林研究员长期从事无机纳米材料合成及纳米生物医药研究。设计合成系列用于静脉给药肿瘤治疗的无机纳米多孔结构/材料，基于此成功实现肿瘤细胞核靶向药物输运；开拓纳米催化治疗研究新方向。以通讯（含共同通讯）及第一作者发表SCI收录论文460篇，论文他引33000余次，ESI高被引论文41篇，H因子106。2015年至今连续入选Thomson Reuters全球高被引作者。以首席科学家或负责人承担纳米重大研究计划、973、863、国家自然科学基金重点项目等20余项；5项授权发明专利获实施。培养杰青2人，优青1人。以第一完成人获2011年国家自然科学二等奖1项、上海市自然科学一等奖2项和科学技术进步一等奖1项。介孔药物输运工作入选2005年度两院院士评选的中国十大科技进展。