鉍化合物及納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

鉍（Bismuth，Bi）最早用于治療與幽門螺桿菌（H. pylori）相關(guān)的胃腸道疾病，隨著幽門螺桿菌耐藥性的出現(xiàn)，鉍劑藥物的治療方案從單藥治療發(fā)展到雙聯(lián)療法、三聯(lián)療法，以及如今推薦的四聯(lián)療法。隨著人們對鉍的化學(xué)和物理性質(zhì)的深入研究，通過對鉍化合物以及鉍基納米材料的精心設(shè)計(jì)和廣泛研究，實(shí)現(xiàn)了其廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[1]。

盡管鉍與鉛相鄰，都屬于重金屬，但鉍的單質(zhì)和化合物常常低毒甚至無毒，且不致癌、不損害DNA，這一特性使鉍成為公認(rèn)的綠色金屬，為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是在抗癌藥物、癌癥診療一體化（成像+治療）、生物傳感、組織工程和輻射防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)[2]。

抗癌藥物

為了應(yīng)對鉑基藥物在腫瘤治療中存在的耐藥性和嚴(yán)重副作用等局限性，研究人員逐漸將目光轉(zhuǎn)向低毒性或無毒的鉍化合物，作為潛在的替代抗癌劑。研究表明，鉍藥物能夠有效減輕順鉑引起的腎毒性，同時(shí)保持其抗腫瘤效果。全球多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，包括上海理工大學(xué)鉍科學(xué)研究中心，正在積極開發(fā)具有抗癌潛力的鉍化合物。研究發(fā)現(xiàn)，原本低活性或無活性的游離配體，尤其是多齒配體，在與鉍配位后，其抗癌活性顯著提升。此外，配體的類型、親脂性以及電子效應(yīng)特性也對鉍化合物的抗癌活性產(chǎn)生重要影響。配體分子結(jié)構(gòu)中若含有脂溶性基團(tuán)，可能會增強(qiáng)靶向鉍化合物的吸收，從而進(jìn)一步提升其抗增殖能力[3]。

巰基螯合作用能夠有效提升鉍基化合物的溶解度和親脂性，使其更容易到達(dá)目標(biāo)生物位點(diǎn)，從而增強(qiáng)抗腫瘤效果。研究表明，Bi3+-二硫代氨基甲酸酯配合物對正常細(xì)胞系的毒性較低，但對多種人類癌細(xì)胞系表現(xiàn)出顯著的細(xì)胞毒性。例如，二乙基二硫代氨基甲酸鉍化合物對HepG2肝細(xì)胞癌和MCF-7乳腺癌細(xì)胞具有強(qiáng)烈的細(xì)胞毒性，并能促進(jìn)細(xì)胞凋亡。此外，硫代氨基脲類Bi3+配合物也展現(xiàn)出優(yōu)異的抗癌潛力。其中，有一種含有五齒S、N、N’、N’、S硫代氨基脲衍生物配體的Bi3+螯合物對K562白血病細(xì)胞表現(xiàn)出顯著的細(xì)胞毒活性，并能抑制荷瘤小鼠中H22異種移植物的腫瘤生長。而筆者團(tuán)隊(duì)開發(fā)的另一種鉍螯合物能夠顯著誘導(dǎo)人肺癌細(xì)胞A549和H460的凋亡，但對非癌性人肺成纖維細(xì)胞無毒性。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，該化合物有效抑制了荷瘤小鼠中A549異種移植腫瘤的生長，且未對小鼠體重和肝臟造成不良影響。此外，筆者團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種Bi3+硫代氨基脲衍生物配合物，其配體以雙齒N、S螯合模式與金屬中心結(jié)合。該配合物對肺癌細(xì)胞A549的細(xì)胞毒活性中等，但對H460的細(xì)胞毒活性高于順鉑。這些研究結(jié)果表明，螯合配體在制備高效抗腫瘤活性的Bi3+復(fù)合物中至關(guān)重要。

一些有機(jī)鉍化合物同樣表現(xiàn)出顯著的抗癌潛力。研究人員通過實(shí)驗(yàn)評估了三（對-甲苯基）鉍烷及其復(fù)合物的抗腫瘤活性，發(fā)現(xiàn)極性鉍化合物相較于非極性衍生物，能夠更有效地誘導(dǎo)人白血病NB4細(xì)胞的凋亡、線粒體膜電位喪失以及活性氧的產(chǎn)生，進(jìn)一步證實(shí)了鉍化合物的抗增殖作用。研究還表明，八元環(huán)雜環(huán)有機(jī)鉍化合物的抗腫瘤活性明顯優(yōu)于六元環(huán)雜環(huán)化合物，其中活性較高的化合物可通過激活caspase-3誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡，顯示出對癌細(xì)胞的選擇性毒性。這一發(fā)現(xiàn)凸顯了金屬化合物中配體電子效應(yīng)對抗癌活性的重要性。此外，還有研究人員發(fā)現(xiàn)，有機(jī)鉍（V）二羧酸配合物能夠通過提高細(xì)胞內(nèi)活性氧的水平，激活凋亡途徑，從而導(dǎo)致B16F10和BT474細(xì)胞死亡。

鉍化合物的抗腫瘤機(jī)制尚未完全闡明，但目前的研究主要提出了以下幾種觀點(diǎn)：（1）鉍可能通過誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡發(fā)揮細(xì)胞毒性作用。這一過程可能與細(xì)胞內(nèi)活性氧物質(zhì)的生成增加有關(guān)。作為親電子體，活性氧在調(diào)控細(xì)胞死亡過程中起著關(guān)鍵作用。（2）鉍的細(xì)胞毒性作用可能與其抑制特定酶（如蛋白酶）的能力相關(guān)。研究表明，某些鉍化合物能夠激活半胱氨酸蛋白酶（caspases），從而引發(fā)細(xì)胞凋亡。（3）鉍基化合物可能通過干擾線粒體功能來誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，具體表現(xiàn)為降低線粒體膜電位。（4）鉍離子與芳香雜環(huán)配體形成的復(fù)合物可能通過引起DNA斷裂來觸發(fā)細(xì)胞凋亡。（5）有機(jī)鉍化合物在體外實(shí)驗(yàn)中能夠通過脂質(zhì)過氧化作用，促進(jìn)人類癌細(xì)胞的非凋亡性細(xì)胞死亡。值得注意的是，細(xì)胞凋亡并非唯一受調(diào)控的細(xì)胞死亡方式。隨著研究的不斷深入，其他信號通路和分子機(jī)制可能為癌癥治療提供新的潛在靶點(diǎn)和治療策略[4]。

診療一體化

鉍基納米材料具有優(yōu)異的物理化學(xué)特性，如較強(qiáng)的X射線衰減系數(shù)和近紅外吸收能力，獨(dú)特的光熱轉(zhuǎn)換效率，良好的催化活性和較長的循環(huán)半衰期等，其多功能特性使得單一納米材料能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)診斷和治療功能。在生物成像診斷領(lǐng)域，鉍基納米材料展現(xiàn)出多模態(tài)成像潛力，可用于計(jì)算機(jī)斷層掃描（computer tomography， CT）成像、光聲（photoacoustic， PA）成像、磁共振成像（magnetic resonance imaging， MRI）等；在治療應(yīng)用領(lǐng)域，鉍基納米材料展現(xiàn)出腫瘤治療及抗菌的潛力，可用于光熱治療（photothermal therapy， PTT）、光動力治療（photodynamic therapy， PDT）、聲動力治療（sonodynamic therapy， SDT）、放射治療（radiotherapy， RT），以及多模態(tài)聯(lián)合治療等，為未來臨床腫瘤治療開辟了新思路，創(chuàng)造了新機(jī)遇。

生物成像

生物成像技術(shù)在疾病診療中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它能夠精確定位病變部位并將其可視化，幫助醫(yī)生和患者更好地了解、監(jiān)測和治療疾病，從而制定個(gè)體化的治療方案。這不僅有助于提高患者的生存率，還能降低治療難度和成本。在眾多生物成像技術(shù)中，計(jì)算機(jī)斷層掃描、光聲成像和磁共振成像等技術(shù)已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)不可或缺的診斷工具。

與傳統(tǒng)碘基造影劑相比，鉍元素因其較高的原子序數(shù)、更大的k邊緣值和更強(qiáng)的X射線衰減系數(shù)，展現(xiàn)出作為計(jì)算機(jī)斷層掃描造影劑的顯著優(yōu)勢。大量研究證實(shí)，鉍基納米材料具有更優(yōu)異的計(jì)算機(jī)斷層掃描成像特性。南方醫(yī)科大學(xué)夏虹團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型介孔二氧化硅包覆硫化鉍納米粒子，通過與精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸肽共價(jià)結(jié)合，利用材料的高光熱效率，成功實(shí)現(xiàn)了對骨肉瘤的計(jì)算機(jī)斷層掃描成像和腫瘤消融治療。上海理工大學(xué)鉍科學(xué)中心研發(fā)的骨狀Bi2S3@Au和昂刺球狀Bi@Au納米復(fù)合材料，通過腫瘤內(nèi)注射展現(xiàn)出優(yōu)于靜脈注射的體內(nèi)成像能力。此外，研究還表明，較小尺寸的Bi2S3納米顆粒能夠克服傳統(tǒng)碘基造影劑的局限性，是一種極具發(fā)展前景的新型造影劑。

在光聲成像領(lǐng)域，鉍基納米材料同樣展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。光聲成像是一種基于光聲效應(yīng)的新型診斷技術(shù)，其原理是利用高光熱轉(zhuǎn)換效率材料在光照射下發(fā)生局部光熱轉(zhuǎn)換，引起周圍組織熱彈性膨脹產(chǎn)生超聲波，從而形成光聲圖像。這種技術(shù)能夠產(chǎn)生比計(jì)算機(jī)斷層掃描更高分辨率的活體圖像。武漢光電子學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室與華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過一步法將胃藥中的枸櫞酸鉍鉀顆粒合成為穩(wěn)定性良好的納米鉍球團(tuán)簇，在小尺寸下保持了優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的計(jì)算機(jī)斷層掃描/光聲雙模式成像。得益于增強(qiáng)的滲透性和滯留效應(yīng)，這些探針能夠更容易地進(jìn)入腫瘤細(xì)胞，從而進(jìn)一步提升腫瘤成像能力。上海理工大學(xué)鉍科學(xué)中心研發(fā)的骨狀Bi2S3@Au納米材料不僅可作為計(jì)算機(jī)斷層掃描造影劑，還能產(chǎn)生高分辨率的光聲活體圖像。其他硫化鉍基納米材料，如硫化鉍-二硫化鉬（Bi2S3-MoS2），以及含鉍納米材料，如碲化鉍（Bi2Te3）、硒化鉍（Bi2Se3）等，均表現(xiàn)出優(yōu)異的近紅外吸收能力和光熱轉(zhuǎn)換效率，即使在低濃度下也能觀察到明顯的光聲信號，這為鉍基納米材料在腫瘤治療中的實(shí)際應(yīng)用提供了重要依據(jù)，使其成為高效的光聲成像顯像劑。

此外，鉍基納米材料與順磁性材料（如鐵、錳等）結(jié)合后，還可用于無創(chuàng)磁共振成像（magnetic resonance imaging， MRI）。磁共振成像憑借其優(yōu)異的軟組織三維對比效果，在臨床診斷成像中得到廣泛應(yīng)用。為了獲得更全面的腫瘤信息，臨床診斷通常采用多模態(tài)協(xié)同成像技術(shù)，以充分發(fā)揮各種成像技術(shù)的優(yōu)勢，彌補(bǔ)單一成像模式的不足。經(jīng)過功能修飾和表面改性的鉍基納米材料能夠勝任這一任務(wù)，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)協(xié)同成像。例如，硒化鐵與硒化鉍形成的納米復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描、光聲成像和磁共振成像三模態(tài)協(xié)同成像。在腫瘤區(qū)域，計(jì)算機(jī)斷層掃描的亨氏單位值顯著增強(qiáng)，光聲成像信號隨時(shí)間逐漸增強(qiáng)，磁共振成像圖像明顯變暗，這些參數(shù)的互補(bǔ)為腫瘤診斷提供了更全面的信息，實(shí)現(xiàn)了對腫瘤的精準(zhǔn)診斷[5]。

腫瘤治療

鉍基納米材料在聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)方面展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，使其能夠廣泛應(yīng)用于腫瘤的光熱治療、光動力治療、聲動力治療，以及放射治療等領(lǐng)域。

光熱治療 因其近紅外光對組織的高穿透能力，以及鉍基納米材料優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，在腫瘤治療領(lǐng)域備受關(guān)注。光熱治療是一種利用700～1100 納米波段的近紅外光照射光熱轉(zhuǎn)換劑，通過產(chǎn)生高強(qiáng)度熱量誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡的治療方法。研究表明，鉍化合物的光熱轉(zhuǎn)換效率通常高于單質(zhì)鉍（約32.2%）。例如，筆者團(tuán)隊(duì)開發(fā)的骨狀Bi2S3@Au和昂刺球狀Bi@Au納米復(fù)合材料，其光熱轉(zhuǎn)換效率分別為68.1%和46.6%。這些材料在808納米激光照射下，能夠在腫瘤部位快速產(chǎn)生大量的熱量，使局部溫度在短時(shí)間內(nèi)升至40℃以上，進(jìn)而誘導(dǎo)蛋白的不可逆變性，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞和組織消融，最終實(shí)現(xiàn)腫瘤的光熱治療[3]。

此外，通過缺陷工程設(shè)計(jì)的鉍基納米材料表現(xiàn)出更優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能。例如，在Bi2S3@Au異質(zhì)納米材料中，Au與S之間的強(qiáng)結(jié)合作用使Bi2S3晶體中的原子偏離原有晶格，導(dǎo)致Bi原子占據(jù)S原子位置，提高了缺陷密度，從而顯著提升了光熱轉(zhuǎn)換效率，并有效誘導(dǎo)4T1細(xì)胞凋亡。與此同時(shí)，湖北工業(yè)大學(xué)孫紅梅團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于殼聚糖交聯(lián)Bi2S3-Au納米簇的新型水凝膠敷料。在808 納米近紅外光照射下，該敷料能夠通過光熱治療有效殺滅殘余腫瘤細(xì)胞，并防止術(shù)后傷口感染。

光動力治療 一種基于光動力效應(yīng)的腫瘤治療方法。其原理是在光敏劑、氧氣和特定波長光的協(xié)同作用下，通過光能將能量傳遞給光敏劑，從而產(chǎn)生活性氧物質(zhì)，進(jìn)而損傷腫瘤組織、阻塞腫瘤血管并引發(fā)免疫反應(yīng)，最終達(dá)到治療目的。與傳統(tǒng)的化療方法相比，光動力治療具有更高的細(xì)胞選擇性殺傷能力，且副作用較小，因此在腫瘤治療領(lǐng)域備受關(guān)注。鉍基納米材料因其獨(dú)特的性能，在與光敏劑結(jié)合用于光動力治療方面展現(xiàn)出巨大的潛力。例如，Bi2O3納米顆粒與有機(jī)光敏劑5-氨基酮戊酸（5-ALA）協(xié)同作用，能夠顯著提高活性氧的生成效率，從而實(shí)現(xiàn)對腫瘤的高效治療。此外，通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)建、金屬摻雜等策略設(shè)計(jì)的鉍基納米材料，因其電子遷移率低、空穴-電子復(fù)合快的特性，本身也可作為高效的光敏劑。例如，夾心型Bi2Se3/MoSe2/Bi2Se3、球形BiAgOS以及二維Bi2S3-GO等材料均表現(xiàn)出較高的活性氧產(chǎn)率，能夠有效誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，實(shí)現(xiàn)光動力治療。值得一提的是，華南師范大學(xué)熊建文團(tuán)隊(duì)開發(fā)的摻雜Pt的Bi2MoO6納米復(fù)合材料，作為光敏劑表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，不僅具有更強(qiáng)的腫瘤細(xì)胞滅活效果，還顯著提升了光動力治療效率。這一材料在白血病治療領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，為開發(fā)高效光動力治療劑提供了新的思路。

聲動力治療 近年來，聲動力治療作為一種新興的腫瘤治療方法，因其獨(dú)特的優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注。與光動力治療相比，超聲波具有更低的組織衰減系數(shù)和更強(qiáng)的穿透能力，能夠深入人體皮下7～10厘米。通過特定的超聲裝置，超聲波可以精確聚焦于靶向部位，從而最大限度地減少對周圍正常組織的損傷。研究發(fā)現(xiàn)，富含缺陷的納米材料具有良好的干擾e--h+對重組方面作用，因而被視為理想的聲敏劑候選材料。其中，二維BiOCl納米材料呈現(xiàn)多層堆疊結(jié)構(gòu)，富含氧原子，在紫外線照射下表面暴露的原子很容易從晶格中逃逸而形成空位，如氧空位，進(jìn)而表現(xiàn)出眾多新穎且優(yōu)異的物化性質(zhì)和催化性能。筆者團(tuán)隊(duì)與同濟(jì)大學(xué)張兵波教授團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)出了一種新型的富BiOCl納米板，在超聲觸發(fā)下表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的活性氧生成能力，高效誘導(dǎo)了4T1細(xì)胞的凋亡，增強(qiáng)了聲動力治療的效果。與此同時(shí)，華中科技大學(xué)汪宏波團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了一種Bi摻雜的缺氧型BaTiO3聲敏劑。通過Bi納米粒子修飾的肖特基結(jié)促進(jìn)了載流子的轉(zhuǎn)移和分離，在超聲輻照下顯著抑制了載流子復(fù)合，大幅提升了腫瘤細(xì)胞的凋亡率，實(shí)現(xiàn)了高效的聲動力治療。

放射治療 傳統(tǒng)放射治療利用電離輻射（如X射線）破壞腫瘤細(xì)胞的DNA或蛋白質(zhì)，或通過光電效應(yīng)產(chǎn)生細(xì)胞毒性活性氧來誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡。然而，其局限性在于輻射能量沉積不足，在破壞和殺死腫瘤細(xì)胞的同時(shí)，也會對周圍的正常組織產(chǎn)生破壞性影響。鉍元素因其高原子序數(shù)和強(qiáng)X射線吸收能力，能夠有效提高輻射劑量沉積，降低治療劑量。其中，Bi2X3（X=O、Se、S等）系列材料作為放射增敏劑表現(xiàn)尤為突出。例如，Bi2X3納米顆粒具有優(yōu)異的高能光子吸收能力和二次電子產(chǎn)生能力，可有效克服腫瘤細(xì)胞的輻射抗性。而表面改性的Bi2Se3納米粒子不僅增強(qiáng)了放射治療效果，還具有生物可降解性，為臨床治療提供了新思路?？藸柭翅t(yī)科大學(xué)團(tuán)隊(duì)合成了具有顯著的放療增敏潛力的葉酸（FA）和5-ALA共軛Bi2O3納米顆粒，已用于鼻咽癌的光動力治療/放射治療的聯(lián)合治療。

多模態(tài)聯(lián)合治療 多模態(tài)聯(lián)合治療通過整合多種治療方式的優(yōu)勢，有效克服了單一療法的局限性。鉍基納米材料因其固有的光熱轉(zhuǎn)換和放射增敏特性，成為理想的多模式治療劑。研究表明，光熱治療可有效抑制DNA修復(fù)，從而增強(qiáng)放射治療效果?；谶@一原理，Bi2S3、Bi2Se3和純Bi納米顆粒已成功應(yīng)用于腫瘤的放射治療/光熱治療，有效克服了放射治療的固有缺陷，產(chǎn)生了對4T1等腫瘤的顯著增強(qiáng)的治療效果[6]。

在化療領(lǐng)域，鉍基納米材料與光熱治療的結(jié)合也取得了突破性進(jìn)展。例如，Bi2S3@Au納米骨、Bi@ Au納米球、Bi2Se3狀納米片等材料通過負(fù)載抗癌藥物，實(shí)現(xiàn)了光熱敏感藥物釋放，顯著提升了光熱治療與化療的協(xié)同治療的效果。此外，介孔二氧化硅（mSiO2）與Bi2S3納米棒結(jié)合、Bi2Se3空心納米球、Bi2S3和Cu3BiS3空心結(jié)構(gòu)等復(fù)合材料的開發(fā)，進(jìn)一步拓展了化療/光熱聯(lián)合治療的應(yīng)用范圍。

隨著研究的深入，基于鉍基納米材料的多模態(tài)治療策略不斷創(chuàng)新發(fā)展。例如，同時(shí)負(fù)載二氫卟吩e6（Chlorin e6， Ce6）和抗癌藥物的空心Bi2Se3可以實(shí)現(xiàn)光熱治療、光動力治療與化療三模態(tài)協(xié)同治療，展現(xiàn)出顯著優(yōu)于單一治療模式的抗腫瘤效果。此外，MoSe2/Bi2Se3納米片通過將CT成像與PT成像和光熱治療/光動力治療/化療集成到了一個(gè)納米平臺中，實(shí)現(xiàn)了三模態(tài)協(xié)同治療。由于光生e--h+對的有效分離而誘導(dǎo)活性氧的生成，該納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了59.3%的高光熱轉(zhuǎn)換效率，同純MoSe2樣品相比，還表現(xiàn)出更高的CT成像對比度，為雙模態(tài)成像引導(dǎo)下的三模態(tài)抗腫瘤治療提供了新的解決方案。

生物傳感

生物傳感器是一種將生物化學(xué)信號轉(zhuǎn)換為可測量電信號的分析裝置，廣泛應(yīng)用于藥物開發(fā)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測以及醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。電化學(xué)和光電化學(xué)（photoelectrochemistry， PEC）是其中的核心檢測方法，能夠通過分析復(fù)雜體液（如血液、唾液、尿液）中的生物標(biāo)志物實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測?；诩{米技術(shù)的生物傳感器憑借其高表面積、高穩(wěn)定性、高選擇性，以及低成本快速響應(yīng)的優(yōu)勢，在臨床診斷中展現(xiàn)出巨大潛力[7]。

鉍基納米材料，如單質(zhì)Bi、Bi2O3、Bi2Se3、Bi2S3、氧鹵化鉍（BiOX）、鉍鈣鈦礦等，具有高電阻、低熱導(dǎo)率、高表面積與體積比、優(yōu)異的可見光活性以及良好的生物分子吸附能力，同時(shí)具備無毒、生物相容性好和環(huán)境友好的特點(diǎn)。這些特性使其能夠提供高分辨率的伏安響應(yīng)和極低的檢測限，且合成工藝簡單、成本低廉。因此，被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)有毒傳感電極（如金屬汞）的理想選擇，廣泛應(yīng)用于電化學(xué)和光電化學(xué)生物傳感領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)多種生物分析物的高靈敏度檢測并有效降低背景信號。

上海理工大學(xué)鉍科學(xué)中心通過創(chuàng)新合成一系列鉍基納米材料，成功構(gòu)建了多種高性能電化學(xué)生物傳感器，用于臨床血樣中癌胚抗原和microRNA的檢測。其中，Au@Bi納米昂刺球和包覆納米鉑的黑莓狀多孔鈉鉍氧氟（BiPt）分別被用于構(gòu)建電化學(xué)免疫傳感器，實(shí)現(xiàn)了對人血液樣本中癌胚抗原的超靈敏、可靠檢測，檢測結(jié)果與臨床數(shù)據(jù)高度吻合良好。此外，中心還利用立方型Na0.5Bi0.5TiO3納米鈣鈦礦構(gòu)建了高靈敏度的無標(biāo)記電化學(xué)免疫傳感器，進(jìn)一步拓展了鉍基鈣鈦礦在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。同時(shí)，手風(fēng)琴狀Ti3C2/Bi2O3復(fù)合納米材料首次被用于構(gòu)建基于雙信號放大技術(shù)的超靈敏電化學(xué)miRNA傳感器，成功實(shí)現(xiàn)了對實(shí)際血樣中miRNA-21的超高靈敏度檢測[8]。

具有三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Bi2Se3因其優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力、熱電性能、狄拉克等離子體振蕩和獨(dú)特的電導(dǎo)性，在生物傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，尤其是在電化學(xué)催化性能方面，為開發(fā)低背景信號、高可重復(fù)性的電化學(xué)生物傳感器提供了理想平臺。研究人員開發(fā)的基于納米鉑包裹的Bi2Se3納米復(fù)合材料（Bi2Se3@ Au）傳感器，通過催化佛波肉豆蔻醋酸誘導(dǎo)的每個(gè)細(xì)胞系產(chǎn)生H2O2，能夠在極低檢測限（10×10-9M）下區(qū)分MCF-7和MDA-MB-231乳腺癌亞型，表現(xiàn)出卓越的檢測性能。此外，Bi2Se3作為一種重要的n型半導(dǎo)體硫系材料，具有高吸收系數(shù)和優(yōu)異的光電子轉(zhuǎn)換效率，因此Bi2Se3納米管、納米棒、納米片，以及Bi2Se3@MoS2納米花等結(jié)構(gòu)已被用于構(gòu)建多種光活性光電化學(xué)納米傳感器，用于檢測各種生物分析物，如甲基化DNA、miRNA、淀粉樣蛋白-β、禽白血病病毒和磺胺二甲氧嘧啶等。

鉍基納米材料在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)、優(yōu)異的生物相容性以及多樣化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為開發(fā)高靈敏度、低成本、多功能的生物傳感器提供了新的方向。未來，隨著材料合成技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和傳感機(jī)制的深入研究，鉍基納米材料有望在精準(zhǔn)醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為人類健康和社會發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

輻射防護(hù)

電離輻射在醫(yī)療過程中的使用不斷增加，因此實(shí)施輻射防護(hù)措施以盡量減少醫(yī)生、患者和技術(shù)人員在醫(yī)療成像、干預(yù)和放療過程中的暴露變得至關(guān)重要。傳統(tǒng)的鉛基防護(hù)材料雖然具有較高的輻射屏蔽效率，但其重量大、毒性高、耐久性差，以及穿戴舒適性不足等缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用，因此需要尋找一種更精細(xì)、更綠色的替代品來代替有效的輻射防護(hù)。

鉍因其高輻射吸收率、優(yōu)異的生物相容性和低成本而顯示出替代鉛的巨大潛力，目前已被應(yīng)用于X射線設(shè)備的輻射屏蔽、圍裙、手套、防護(hù)服、甲狀腺屏蔽設(shè)備等。研究表明，摻雜Bi2O3的碲酸鹽玻璃可以有效增強(qiáng)γ輻射的屏蔽能力，具有良好的商業(yè)化前景和醫(yī)療應(yīng)用潛力。此外，還可將鉍添加到各種織物中或以半固體的形式涂覆在設(shè)備上，以達(dá)到防輻射的目的。將無機(jī)鉍X射線吸收劑摻雜或涂層到有機(jī)聚合物，如棉花、聚酯或天然皮革中可以使纖維材料具有可靠的X射線吸收性能，既達(dá)到了與鉛相當(dāng)?shù)钠帘涡?，又保留了紡織品的耐磨、柔韌特性。研究人員還發(fā)現(xiàn)，納米尺度下的鉍比微米尺度下的鉍更能有效阻斷輻射，這是因?yàn)榧{米鉍具有更強(qiáng)的粒子親和力，在聚合物基體上分布更加均勻。經(jīng)Bi2O3納米粒子浸漬涂覆的天然皮革和織物可以制作成可穿戴的X射線屏蔽材料。而通過在多壁碳納米管上涂抹Bi2O3納米粒子，設(shè)計(jì)出的一種具有雙重屏蔽效應(yīng)的納米材料，可以用于圍裙、繃帶和屏蔽盒。

盡管目前鉍基輻射屏蔽材料的研究主要集中在Bi2O3化合物及其納米粒子，但隨著對鉍的其他化合物的進(jìn)一步探索，以及對不同的納米結(jié)構(gòu)和新的制備技術(shù)的不斷研發(fā)和使用，在不久的將來有望開發(fā)出更多高效、輕質(zhì)且低成本的非鉛輻射屏蔽材料。例如，釜慶大學(xué)結(jié)合聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）、硫酸氧化鎢（SWO3）和鹵化鉍開發(fā)了一種高效輻射屏蔽海綿（PDMS/S-WOs/Bils），在60千伏下的X射線屏蔽效率高達(dá)90.2%，為非重金屬屏蔽的最高值，而這些研究也為下一代輻射防護(hù)技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[9]。

組織工程

組織工程旨在開發(fā)新的生物功能組織來再生和修復(fù)受損或病變組織，該領(lǐng)域發(fā)展快速。當(dāng)前研究熱點(diǎn)聚焦于探索具有高生物相容性及可降解性的聚合物與生物活性陶瓷材料，這些材料能夠與多種復(fù)合材料融合，適用于構(gòu)建組織工程支架或生物植入物。鉍元素因其良好的生物安全性、高度的可控性和較低的成本，在組織工程中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在牙科治療中，添加有Bi2O3的牙科組合物已被廣泛用作不透射線材料和牙髓填充物，被譽(yù)為革命性材料。此外，鉍與羥基磷灰石等多種材料結(jié)合，可構(gòu)建多功能骨再生支架，用于組織修復(fù)。有研究人員開發(fā)了一種由Bi、In、Sn和Zn組成的新型可注射合金骨水泥，用于替代傳統(tǒng)的丙烯酸骨水泥，在骨水泥全關(guān)節(jié)置換術(shù)中表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性極限和金屬性能，同時(shí)可作為骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)的顯影劑，輔助手術(shù)指導(dǎo)和治療效果監(jiān)測。

未來研究將聚焦于鉍控制細(xì)胞反應(yīng)和生物分子功能的能力，其中，干細(xì)胞植入支架是重要的發(fā)展方向。研究發(fā)現(xiàn)，將BiFeO3引入生物活性玻璃中可以增強(qiáng)細(xì)胞活性，在外部磁場作用下能夠加速組織愈合。實(shí)驗(yàn)證明，在磁場環(huán)境下培養(yǎng)的小鼠成骨前細(xì)胞，其活力和增殖能力可提高3倍。此外，含鉍生物材料普遍具有顯著的抗菌性能，這為組織工程應(yīng)用提供了額外優(yōu)勢。鉍化合物因其優(yōu)異的抗菌活性，適合作為牙齒和骨組織表面的生物相容性涂層，摻入羥基磷灰石中以預(yù)防細(xì)菌感染。上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院鄧廉夫團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的原位合成摻雜鉍的無定形磷酸鈣納米復(fù)合材料，通過刺激人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞血管生成相關(guān)基因的表達(dá)，顯著加速了血管模式的形成。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，在股骨缺損模型中，摻入鉍能夠有效促進(jìn)骨再生和骨整合，為節(jié)段性骨缺損的治療提供了新的技術(shù)路徑，展現(xiàn)了巨大的臨床應(yīng)用潛力。

因此，含鉍生物材料將在推進(jìn)牙齒和骨修復(fù)治療選擇、改善患者預(yù)后方面將繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用[10]。

總結(jié)與展望

鉍在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用在過去20年間取得了顯著進(jìn)展。其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)為疾病診斷、生命體征監(jiān)測和藥物篩選等領(lǐng)域帶來了革命性的突破，特別是在癌癥治療方面，通過調(diào)控病變組織的生物學(xué)特性，有望實(shí)現(xiàn)治療方法的重大創(chuàng)新。為充分發(fā)揮鉍的潛力并克服其生物相容性和溶解度等局限性，研究者們采用了結(jié)構(gòu)調(diào)整、摻雜、異質(zhì)結(jié)構(gòu)建和表面功能化等多種策略，成功實(shí)現(xiàn)了材料特性的定向調(diào)控。

鉍基納米材料憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的應(yīng)用價(jià)值：其高通用性和納米結(jié)構(gòu)可復(fù)制性為多功能應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；在影像診斷方面，實(shí)現(xiàn)了多重成像功能；在治療領(lǐng)域，支持多模態(tài)聯(lián)合治療；同時(shí)，還在生物傳感和組織再生材料等方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。與其他金屬基納米材料相比，鉍基納米材料具有易于大規(guī)模生產(chǎn)、表面工程化程度高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，這些特點(diǎn)為其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了強(qiáng)勁動力。

盡管鉍基納米材料從實(shí)驗(yàn)室研究到臨床試驗(yàn)需要經(jīng)過嚴(yán)格而漫長的評估過程，但其商業(yè)化前景已日趨明朗。為進(jìn)一步挖掘鉍在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，開發(fā)更有效的治療手段，持續(xù)深入的研究工作仍是不可或缺的。相信隨著研究的不斷推進(jìn)，鉍基納米材料必將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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關(guān)鍵詞：鉍元素 生物醫(yī)學(xué) 鉍基藥物 鉍基納米材料 ■