【Angew. Chem】综述-二维纳米材料用于光热疗法

简介

本文综述了二维纳米材料在光热疗法（PTT）中的光热机制、制备和调控策略，并系统总结了二维纳米材料在各种疾病光热治疗中的最新进展，还探讨了组合治疗领域的重要突破。

摘要

二维纳米材料因其独特的物理化学性质和卓越的光热转换效率，为光热疗法（PTT）提供了变革性平台。本文综述了常见二维纳米材料的光热机制，详细介绍了其合成、表面改性和优化策略，重点介绍了利用二维纳米材料增强 PTT 的最新进展，尤其是协同治疗方式。尽管二维纳米材料在 PTT 中具有巨大潜力，但仍存在可规模化和可重复制造、精确靶向递送、理解基础生物相互作用以及全面评估长期生物相容性和毒性等挑战。未来，诸如机器学习等新兴技术有望在加速二维纳米材料设计和优化中发挥关键作用，预测最佳结构、性能和治疗效果，最终推动个性化纳米医学的发展。

2 D 纳米材料

光热疗法机制

光热疗法利用光热转换剂（PTAs）在激光照射下将光转化为局部热量，通过热与生物系统的相互作用产生治疗效果。这种光热转换主要来自三种机制：局部表面等离子共振（LSPR）、非辐射弛豫和共轭热生成。金属二维 PTAs 主要利用 LSPR 效应，半导体二维 PTAs 依赖非辐射弛豫，有机聚合物 PTAs 则以共轭热生成为主。

典型二维光热纳米材料

二维纳米材料在光热治疗中显示出显著的潜力。典型的二维 PTAs 包括石墨烯及其衍生物、MXenes、氮化硼（BN）、过渡金属二卤化物（TMDs）、黑磷（BP）、贵金属纳米片和有机纳米片等。这些材料各自具有独特的光热转换机制和优缺点，例如石墨烯具有广泛的光吸收能力和高稳定性，但光热转换效率需提高。MXenes 具有广谱吸收和高 NIR 吸收能力，但存在一定的生物毒性。

ypes of materials	Mechanism	2D nanomaterial	PCE(η) & laser parameter	Refs.	Merits	Drawbacks
graphene and its derivatives	Conjugated heat generation	GO	10.6 % (808 nm NIR−I)	39	Wide light absorption capability, high stability, high flexibility, and tunable chemical properties.	The photothermal conversion efficiency needs to be improved, and there are potential issues of biotoxicity.
rGO	20.9 % (808 nm NIR−I)	39
Ag/GO	46.2 % (808 nm NIR−I)	40
Ni/rGO A100	35.78 % (808 nm NIR−I)	41
MXenes	LSPR and non-radiative relaxation	CeO2/Ti3C2-PEG-glucose oxidase	34.58 % (808 nm NIR−I)	42	Wide-spectrum absorption and high NIR absorption capability, good hydrophilicity, easy surface functionalization, and high photothermal stability.	Possess certain biological toxicity, and surface functionalization strategies need further optimization.
Nb2C@PDA−R837@RBC	27.6 % (1064 nm NIR-II)	43
Mo2C-polyvinyl alcohol	24.5 % (808 nm NIR−I) 43.3 % (1064 nm NIR-II)	44
V2C	48 % (808 nm NIR−I)	45
BN	Non-radiative relaxation	Borocarbonitride	51.23 % (808 nm NIR−I)	46	Chemical inertness, good biocompatibility, and excellent thermal stability.	Poor photo-thermal properties, materials require certain designs.
TMDs	Non-radiative relaxation	Ionic liquid-MoS2-PEG-b-PIL	70.98 % (808 nm NIR−I)	47	High NIR absorption capacity, excellent photothermal conversion efficiency, convenient and mature structure modulation strategy.	Less stable in organisms and prone to phase transitions, leading to unstable photothermal performance.
MoSe2-DSPE-PEG2000	26.1 % (1270 nm NIR-II)	48
1T-phase PdTe2/DSPE-PEG	68 % (1060 nm NIR-II)	49
CoFeMn dichalcogenide	89.0 % (808 nm NIR−I)	15
BP	Non-radiative relaxation	BP	42.73 % (808 nm NIR−I)	50	Excellent biocompatibility, biodegradable, easy to regulate performance.	Difficult to produce in high quality, and poorly stabilized, easy to oxidize and unfavorable for preservation.
BP/MnO2	60.56 % (808 nm NIR−I)	50
BP@Cu0.2	33.6 % (808 nm NIR−I)	51
BP-ester-C60	44.1 % (1064 nm NIR-II)	52
2D precious metal materials	LSPR	Se doped Au nanosheets	41.97 % (1064 nm NIR-II)	53	Uniform and controllable shape and size, better light-heat conversion ability.	High cost, with certain biotoxicity.
Strained Pd nanosheets	39.2 % (808 nm NIR−I)	54
2D organic materials	Conjugated heat generation	Polypyrrole@DSPE-PEG	58.27 % (808 nm NIR−I) 66.01 % (1064 nm NIR-II)	55	Flexible and controllable material design, excellent biocompatibility and biodegradability.	Poorly stabilized in organisms, and less photothermally stabilized.
Hybrid Polypyrrole and polydopamine nanosheets	69 % (808 nm NIR−I)	56
porphyrin-based COF nanosheets @BNN6	18.4 % (635 nm visible light)	57

制备方法

二维纳米材料的制备方法主要包括自上而下和自下而上的策略。自上而下的方法主要包括机械剥离、液相剥离和电化学剥离，自下而上的方法则包括化学气相沉积（CVD）、溶剂热法和脉冲激光沉积（PLD）。选择合适的制备方法可以有效控制材料的电子结构，从而影响光吸收范围和光热效果。

优化策略

为了解决二维纳米材料在生理环境中分散性差、生物相容性不足和靶向性不佳等问题，研究人员提出了各种优化策略。表面改性是提高二维纳米材料医用价值的有效方法，可以通过化学改性或物理吸附引入生物相容性分子。此外，膜包裹策略也获得了广泛认可，通过将材料包裹在外泌体或自然细胞膜中显著提高了分散性和靶向性。

2 D 材料的光热应用

肿瘤疾病的 PTT

与传统疗法相比，PTT 具有非侵入性、靶向性和副作用小等优势。在深部肿瘤治疗中，NIR-II 响应材料显示出更深的组织穿透能力。提高光热转换效率（PCE）对于改善治疗效果至关重要。例如，将 AuPt 纳米粒子加载到 CuS 纳米片上，显著提高了 PCE。此外，避免二维材料的潜在毒副作用是最关键的问题，研究人员开发了基于 BP 和氧化钼的可降解二维纳米材料。

抗菌应用的 PTT

光热抗菌疗法是一种新兴策略，利用热效应直接或间接破坏细菌结构。二维纳米材料可以显著提高细菌周围的温度，破坏细菌膜的完整性，加速细菌结构的崩溃。研究人员提出了各种组合策略，例如将聚多巴胺和丹参酮加载到 MXenes 二维材料上，有效清除 ROS 并保护细胞免受氧化损伤。

再生医学的 PTT

二维纳米材料的温和光热效应在再生医学中开辟了新途径，包括皮肤伤口愈合、骨组织工程和神经修复。通过调节 MSC 的基因表达和促进神经干细胞（NSCs）的分化，二维纳米材料可以加速组织修复和再生。例如，Ti 3 C 2 与 BMSCs 共培养后，在 NIR 照射下显著促进了 BMSCs 的成骨分化。

2 D 材料的协同治疗

单一的 PTT 存在穿透深度受限、对正常组织的热损伤以及免疫原性不足等局限性。研究人员提出了各种协同治疗策略，例如光热和光动力疗法结合，通过双机制增强治疗效果。此外，通过加载具有 NO 供体分子的卟啉基 COF 纳米片，实现了光热和气体治疗的结合，大幅提高了治疗效果。

结论

本文综述了二维纳米材料在 PTT 中的光热机制、制备和调控策略，重点介绍了二维纳米材料在各种疾病光热治疗中的最新进展。未来，新兴技术如机器学习有望在加速二维纳米材料设计和优化中发挥关键作用，推动个性化纳米医学的发展。

参考文献

Zhang, H.; Yang, M.; Wu, Q.; Xue, J.; Liu, H. Engineering Two‐Dimensional Nanomaterials for Photothermal Therapy. Angew Chem Int Ed 2025, e202424768. https://doi.org/10.1002/anie.202424768.