低频率超声波作用在乳腺癌小鼠身上5分钟后，覆盖在肿瘤部位上的“装甲”开始启动，形成一个强大的内置电场，原地催化产生能清除肿瘤的活性氧。2小时后，肿瘤细胞陆续凋亡……哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院无机功能材料应用基础研究团队完成的这一实验，揭示了一种精准、高效的“压电催化”抗癌治疗新机制。

一、压电催化材料

压电材料可以通过压电效应将机械力转化为电场，反之亦然。压电效应诱导的有效界面电荷转移有助于压电材料具有良好的氧化还原催化活性。在机械能的触发下，压电催化材料可以释放电子/空穴并催化底物的氧化还原反应，这被称为压电催化。在医学中，这些材料可以作为智能生物材料，通过影响它们与细胞的相互作用和生物过程，在机械刺激下实现相应的治疗效果。

作为一颗冉冉升起的新星，具有超高反应活性的活性氧在抗菌、癌症治疗等催化医学领域得到了广泛的应用。传统的光催化介导活性氧策略渗透深度有限，无法精确调节，相比之下，压电催化剂能够在受控刺激下释放电子，催化底物（例如水、氧）的氧化还原反应，生成活性氧，以杀死癌症，降解有毒有机物质或在没有组织穿透限制的情况下进行灭菌。

二、压电催化医学原理

压电效应是电荷在某些具有非中心对称结构的固体材料中对机械应力的反应。压电材料可以是有机材料（主要是聚合物），也可以是无机材料。在无机压电晶体中，由于介电材料的晶体结构中离子的非反对称配置，内部极化随着施加的应力线性变化，导致在材料边界上建立电场，即压电效应。在有机压电聚合物中，压电效应取决于聚合物的分子形成及其方向。2010年，研究首次报道了压电材料ZnO和BaTiO3能够在超声波照射下分解水分子，并由此提出了压电化学效应，后来也被称为压电催化效应。

压电催化医学的应用

此后，利用压电电荷催化化学反应的压电催化逐渐被引入抗菌、有机降解、癌症治疗、生物分子检测、组织修复和再生等医疗目的，而压电催化医学在这一领域得到了迅速发展并取得了丰硕进展。压电催化将压电效应和催化作用耦合起来。通过利用压电材料的可调谐电子态，可以在周围介质的化学性质和应变感应的作用下引发或加速化学反应。到目前为止，已经发展出两类压电催化机制，即能带理论和屏蔽电荷效应，这两类机制都从各自的基本概念和实验观察为压电催化提供了合理的解释，但它们彼此不同，可以应用于不同的场景。在能带理论中，压电电势调节能带结构并控制内部载流子向催化剂表面的迁移，主要是能带排列（价带和导带状态）决定了压电催化剂在催化特定化学反应中的活性。在屏蔽电荷效应中，压电电势作为催化反应的驱动力，其中参与氧化还原反应的电荷是来自外部系统的表面吸附的屏蔽电荷，而不是材料内部产生的内部电荷。因此，为了启动反应，压电电势的大小应该完全达到或超过氧化还原电势。

三、新型纳米片 无毒清除癌细胞更精准

哈尔滨工程大学15日发布消息，该校材化学院盖世丽教授及所在无机功能材料应用基础研究团队揭示了一种精准、高效的“压电催化”抗癌治疗新机制，与使用高毒性化疗药物治疗方法相比，该方法高效、特异性强、安全性高，以更稳定的氧化还原反应进行动态控制，为压电材料靶向肿瘤治疗设计提供了新思路。

团队研制的BiO₂₋ₓ纳米片首次应用于癌症的压电催化治疗、酶催化治疗和声热治疗的协同作用。与使用高毒性化疗药物的治疗方法相比，该催化肿瘤治疗方法高效、特异性强、安全性高，以更稳定和高效的氧化还原反应结果的动态控制，为压电材料靶向肿瘤治疗的设计提供了新的思路。

BiO₂₋ₓ纳米片在超声作用下压电催化、声热和酶催化治疗肿瘤的机制示意图

恶性肿瘤的发病率逐年递增，已经成为人类健康的最大敌人，目前开发安全且高效的治疗方式已成为多方关注的热点问题。

近三年，压电催化治疗成为一个新的研究热点，其主要机理是响应肿瘤部位的特异内场微环境或外源性激光、超声作用场，利用无毒/低毒纳米材料引发瘤内原位催化反应，可以高效实现肿瘤细胞的氧化损伤及细胞死亡。

但在实际探索中，压电催化治疗研究仍处于起步阶段，由于纳米材料获得的能量不足以启动氧化还原反应，治疗效率仍然偏低。

盖世丽及所在团队从材料结构设计入手，利用缺陷工程策略制备了富含氧空位的BiO₂₋ₓ纳米片，并首次应用于癌症的压电催化治疗、酶催化治疗和声热治疗的协同作用。

BiO₂₋ₓ纳米片注射入体内后，仿佛给患病部位穿上了“装甲”。超声激活条件下，“装甲”启动，形成一个强大的内置电场，加速电子和空穴分离，随后在原位催化产生有毒的羟基自由基和超氧阴离子等活性氧物种，从而达到肿瘤清除的目的。根据有限元建模模拟，内置电场能够调节能带结构，使有毒活性氧的产生更具能量优势。

目前，实验结果仅在小动物实验中得到了验证。“想要应用于临床，仍需要大量的试验。不过可以肯定的是，我们找到了能够提升肿瘤治疗效率和治疗安全性的新方法，这是一个正确的研究方向。”盖世丽认为，该项研究工作有力支撑学校材料学及“医工”交叉学科的快速发展，对实现超声引导抗癌治疗剂的设计制备、机理突破和疗效评估等方面具有重要的借鉴意义，拓展了研发新路径。

这一创新成果日前以“富氧空位BiO₂₋ₓ纳米片用于压电催化、声热和酶催化治疗”为题发表在材料领域顶级期刊《先进材料》(Advanced Materials)上。

文章来源： EngineeringForLife，中国新闻网，科技日报