Material Sciences 材料科学, 2020, 10(8), 655-667
Published Online August 2020 in Hans. /journal/ms
/10.12677/ms.2020.108080
美女明星图片Preparation of Black Phosphorus
Nanosheets Layer and Its Application
in Biomedical Field
Jingguo Li1,2,3*, Fengqi Han1,2,3
1Henan Province People’s Hospital, Zhengzhou Henan
2Zhengzhou University People’s Hospital, Zhengzhou Henan
3School of Materials Science and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou Henan
Received: Aug. 5th, 2020; accepted: Aug. 21st, 2020; published: Aug. 28th, 2020
Abstract
Black Phosphorus (BP), a new 2D material that owns many unique and excellent properties, has gained increased attention in the past years. In particular, its layer-dependent bandgap, large surface-area-to-volume ratio, biodegradability and biocompatibility make it an ideal candidate for photothermal therapy, photodynamic therapy and drug delivery. Compared to other 2D materials, BP is constituted by Phosphorus (P), which is required by the human body and thus it is expected to be biocompatible after suitable engineering of its formulations. Although black phosphorus has many advantages, it’s surface instability due to chemical degradation, which hinders its application.
2016年成人高考成绩查询This review not only provides a comprehensive summary on BP preparation and biomedical ap-plications but also looking forward the future possibilities.
Keywords
Black Phosphorus, 2D Materials, Photothermal Therapy, Photodynamic Therapy, Drug Delivery, Biomedical Applications
黑磷纳米片层的制备方法
及其在生物医学领域的应用
李景果1,2,3*，韩奉奇1,2,3
1河南省人民医院，河南郑州
2郑州大学人民医院，河南郑州
3郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州
*通讯作者。
李景果，韩奉奇
收稿日期：2020年8月5日；录用日期：2020年8月21日；发布日期：2020年8月28日
摘  要
黑磷(Black Phosphorus, BP)是一种新型的二维材料，由于其独特、优异的性能，越来越受到研究者的关注。黑磷的能带间隙随层数的变化而变化，且具有高的比表面积、优良的生物相容性和生物可降解性。这些优异的性能使黑磷在生物应用领域具备了无限的潜力，如在光热(photothermal therapy, PTT)、光动力(photodynamic therapy, PDT)、药物载体等方面。相较于其他二维材料，黑磷全部由磷元素构成，当黑磷被应用于体内时可以有效避免人体内部发生免疫反应并有效减少诱发毒性的可能性。虽然黑磷具备广阔的应用前景，但是黑磷在空气中极度不稳定且容易被氧化而失效，该性能严重限制了黑磷的应用。本文不仅总结了黑磷纳米片层的制备方法及如何防止黑磷纳米片层氧化的方法，而且对黑磷在生物医学方面应用的研究进展和未来的发展前景进行了综述和展望。
关键词
黑磷，二维材料，光热，光动力，药物载体，生物医学应用
Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). /licenses/by/4.0/
1. 引言华晨宇家庭
自从Novoselov 和Geim 在2004年发现了石墨烯，二维纳米材料因其独特的物理和化学性质，在科学技术的各个领域都发挥着重要的作用[1]。与传统的材料相比，二维纳米材料具有较大的比表面积，可用于功能修饰和负载“货物”，且其单原子层具有优异的光物理和光化学特性，这有利于开发组合策略的新型多功能纳米平台[2]。特别是在生物医学领域，二维纳米材料在光学成像、生物传感、光疗、靶向给药等领域具有巨大的应用潜力。然而，二维纳米材料的实际应用受到其固有缺陷的限制。如氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO) [3] [4]、六方氮化硼(hexagonal boron nitride, hBN) [5]、层状双金属氢氧化物(layered double hydroxides, LDHs) [6]、共价有机框架(covalent–organic frameworks, COFs) [7]等二维材料的元素组成均包含了人体无法降解的元素，潜在的生物毒性限制了它们在生物医学方面的应用。
通常，生物医学纳米平台的设计重点是制备具有低毒性的材料体系。为了实现这一目标，人们已经开发了许多方法，如延长血液循环时间、快速排出体外等，来减少健康器官对有害物质的吸收。磷(P)是
人体每天需要的元素，约占体重的1%左右，这说明了磷在新陈代谢中的重要性和它的高生物相容性[8]。磷通常有三种同素异形体，分别是白磷、红磷和黑磷。黑磷(Black phosphorus, BP)是磷的最稳定的同素异形体[9]，最早被发现于1914年[10]，具有优良的生物相容性和生物可降解性，并且在近红外波段激光的照射下，可以产生大量的氧自由基(Reactive oxygen species, ROS)并产生热量，这使得黑磷在光热(photothermal therapy, PTT)和光动力(photodynamic therapy, PDT)中展现出了无限的潜力。
块状黑磷晶体可以被剥离成结构为单原子层的纳米片，其带隙可根据层厚调节，从0.3 eV (块状)到2.0 eV (单层纳米片)不等[11]。同时黑磷也具备了二维材料的传统优势——高的比表面积，这些超薄的黑磷纳米薄片已经在电池[12] [13]、场效应晶体管[14] [15]、电子/光电器件[16]和气体传感器[17]等方面有
李景果，韩奉奇
着广泛的应用。这些优异的物理化学性能使得黑磷纳米片层同高分子纳米胶束、囊泡和其他二维材料等载药体系相比可以负载更多的“货物”，并更适合于设计、制备多功能–协同平台。迄今为止，研究者对黑磷的制备和应用做了广泛而系统的研究，本文详细介绍了多种黑磷的制备过程，讨论了防止黑磷在空气中分解的方法及其在生物医学领域的研究进展，其中包括癌症(光热、光动力、药物传输)和生物成像，并对黑鳞未来的发展前景做了展望。
2. 制备黑磷纳米片层步骤：
块状黑磷在上个世纪时就被成功的制备，1914年布里奇曼在温度200℃，平均压力1.2 GPa的条件下成功的将白磷转换为黑磷，块状黑磷是一种典型的层状类石墨材料[10]。制备黑磷纳米片层的方法可以分为Top-Down法(如，机械剥离法和液相剥离法)和Bottom-Up法(化学沉积法(CVD)和湿化学法) [18]。目前已经报道了多种制备超薄黑磷纳米片层的方法(图1)。
Figure 1. Scheme of the synthetic method for nanosheets-BP
图1.黑磷纳米片层的制备方案[18]
2.1. Top-Down法制备黑磷纳米片层
2.1.1. 机械剥离法
黑磷由于其层间的范德华力较弱，所以通过机械力就可以获得超薄的黑磷纳米片层。机械剥离是获得薄层材料的常用方法之一。利用胶带粘结的方法可以制备厚度为0.85 nm的单层黑磷纳米片，且通过实验和模拟计算证明了黑磷的带隙值随层数的变化而变化[14]。然而，通过机械剥离法的产率很低，而且得到的黑磷纳米片层的形貌也不均匀、缺陷较多。
2.1.2. 液相剥离法
2014年，Brent和他的同事首次报道了采用液相剥离法制备得到了黑磷纳米片层[19]。黑磷在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中进行超声剥离，离心后就可以得到横向尺寸约为200 nm的黑磷纳米片层。与传统的机械剥离法相比，液相剥离法是一种更有效的方法，而且该方法可以在一定程度上控制黑磷纳米片层的形貌和粒径大小。在随后的研究中，研究者通过改变超声时间、功率及溶剂，如NMP [20]、DMSO [21]等实验参数来控制黑磷纳米片层的尺寸，并且发现额外加入NaOH溶液后可明显提高黑磷
纳米片层的产率，这可能是因为饱和溶液可以有效提高黑磷纳米片层的剥离效率[22]。Wang等的研究表明块状黑磷在NMP 溶液中冰浴超声8 h后黑磷纳米片层的尺寸约为200 nm [20]；Tao等将块状黑磷置于蒸馏水中并使用探针超声12 h后，黑磷纳米片层的尺寸约为100 nm [23]；Sun等的研究表明使用液相剥离法制备黑磷纳米片层时，结合水浴超声和探针超声可以有效控制黑磷纳米片层的尺寸，使黑磷纳米片层更加规则，当探针超
声3 h (1200 w)、水浴超声10 h (300 w)时黑磷纳米片层的尺寸可以均匀的达到2.6 ± 1.8 nm [24] (图2)。
李景果，韩奉奇
(a) Synthesis and surface modification. (b) TEM image. (c) Magnified TEM image. (d) HRTEM image. (e) AFM image. (f) Height profiles along the red lines in (e).
Figure 2. Synthesis and characterization of the BPQDs
图2. 黑磷纳米量子点的制备和表征[24]
2.2. Bottom-Up 法制备黑磷纳米片层
2.2.1. 化学气相沉积法(CVD)
CVD 法已广泛应用于石墨烯和TMDCs 等材料的大规模器件制备。然而，使用CVD 方法制备黑磷的方法相对较少。其原因可能是黑磷表面具有较强的化学活性，当暴露于空气中时，容易与氧气发生反应，导致黑磷表面非常脆弱，不利于黑磷的生长。然而，成功制备其他具有表面强化活性的单层2D 材料(如硅烯、锗和锡)将为BP 的CVD 生长提供参考[25]。CVD 法可以控制黑磷的掺杂量和厚度，并得到结晶性良好的黑磷[26]。
2.2.2. 湿化学法
此外，湿化学法是一种广泛使用的自下向上获取二维材料的方法。Zhang 等首次通过化学溶剂热反应制备得到了黑磷纳米片层[27]。
3. 防止黑磷纳米片层氧化的方法
黑磷在空气中的化学活性较强，易于同空气中的氧气发生反应而被降解为磷酸盐，所以为了使黑磷可以长时间保存并进一步扩宽其应用范围，可以对黑磷纳米片层进行适当的表面修饰或表面改性，虽然表面修饰可以有效防止黑磷降解，但是过度的表面修饰可能会对黑磷本身的性能产生屏蔽效应。
当黑磷应用于生物医学领域时，黑磷纳米片层良好的生物降解性是一把双刃剑，过快的降解可能无法达到实验预期的效果甚至会导致生物体器官功能的损害。特别是在富含水、氧等分子的复杂生理环境中，会极大促进黑磷纳米片的降解。因此，将黑磷纳米片应用于生物医学领域最大的挑战是如何在生理环境中减缓黑磷纳米片的降解，或是如何以可控的方式调节黑磷纳米片的降解。
目前，黑磷的降解一般被认为是氧与黑磷中P 原子(P 0)的长对电子发生反应生成氧化磷，
而氧化磷很容易被水分子除去，所以暴露在空气中的P 0持续被氧化而被降解。为了保持黑磷的生物相容性，降低材料的毒性，
抖音名称. 昵称女有内涵气质比较常用的方法是在黑磷纳米片层表面以分子间作用力连接大分子高分子材料进行表面修饰，
李景果，韩奉奇
如聚乙烯二醇(polyethylene glycol, PEG) [23] (图3)、聚乙烯亚胺(polyethyleneimine, PEI) [28] [29]等。高分子修饰过后的黑磷不仅可以有效防止降解，而且表面的高分子基团可以为我们之后的载药等提供更多的反应位点，在一定程度上提高材料体系的载药量。
1: PEG-NH 2 (surface modification), 2: DOX (therapeutic agents), 3: Cy7-NH 2 (NIR
imaging agents), 4: FA-PEG-NH 2 (targeting agents), 5: FITC-PEG-NH 2 (fluorescent
imaging agents).
Figure 3. Schematic representation of the PEGylated BP theranostic delivery
platform
图3. 将PEG 负载至黑磷纳米片层表面修饰黑磷纳米薄片防止黑磷降解[23]
4. 黑磷纳米片层在生物医学领域的应用
生物安全性是生物医学领域的首要要求。因此，生物医学相关的纳米材料在进一步应用之前应经过严格的生物安全测试。到目前为止，Lee 和他的同事使用MTT 法检测了黑磷纳米片层的细胞毒性，结果表明1 mg/mL 的黑磷溶液不会对哺乳动物细胞产生毒性[30]，表明黑磷纳米片层拥有良好的生物相容性和低的细胞毒性。
4.1. 光照疗法
光热(Photothermal Therapy, PTT)、光动力(Photodynamic Therapy, PDT)作为替代传统癌症方法，具有侵袭性小、效率高等优点，目前比较常用的剂分为贵金属颗粒(金、银等)、碳类材料(石墨烯、碳纳米管等)、金属与非金属的化合物(硫化铜、硫化锌等)及高分子材料。这些材料均存在在人体内无法降解的问题，而黑磷作为一种新型的二维材料，在体内可以完全被降解，而且其能带间隙随层数的变化而变化，光热转换效率远高于之前的传统光热剂。
4.1.1. 光动力
光动力(Photodynamic Therapy, PDT)是癌症的新型方法，将光敏剂送入体内的特定位置，然后使用激光照射该区域，进而产生氧自由基(Reactive oxygen species, ROS)杀死肿瘤细胞。
Wang 等采用液相剥离法制备了尺寸为200~500 nm 的黑磷纳米片层，并使用1,3-二苯基异苯并呋喃(diphenylisobenzofuran, DPBF)来表征ROS 的产生效率，结果表明在氧气气氛下黑磷纳米片层的ROS 产生量随时间的增长而增长且远高于块状黑磷的ROS
全国卷
八一致辞美句产生效率，而在氮气气氛下，黑磷纳米片