半導(dǎo)體光催化

TiO2光催化劑在癌癥方面的應(yīng)用TiO2的催化機(jī)理現(xiàn)如今，半導(dǎo)體光催化劑在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用與實(shí)用性使得它對(duì)于我們來說并不陌生。比如TiO2，我們知道當(dāng)能量大于TiO2禁帶寬度的光照射半導(dǎo)體時(shí)，光激發(fā)電子躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)帶電子，同時(shí)在價(jià)帶留下空穴。由于半導(dǎo)體能帶的不連續(xù)性，電子和空穴的壽命較長，它們能夠在電場(chǎng)作用下或通過擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)，與吸附在半導(dǎo)體催化劑粒子表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，或者被表面晶格缺陷俘獲?？昭ê碗娮釉诖呋瘎┝Ｗ觾?nèi)部或表面也可能直接復(fù)合?？昭軌蛲皆诖呋瘎┝Ｗ颖砻娴腛H-或H2O發(fā)生作用生成HO。HO-是一種活性很高的粒子，能夠無選擇地氧化多種有機(jī)物并使之礦化，通常認(rèn)為它是光催化反應(yīng)體系中主要的氧化劑。光生電子也能夠與O2發(fā)生作用生成HO2-和O2-?等活性氧類這些活性氧自由基也能參與氧化還原反應(yīng)。也正因?yàn)槿绱耍雽?dǎo)體催化劑具有自潔、去污、殺菌、除臭、去除NOx等功能。關(guān)于癌癥方面的研究眾所周知，癌癥已成為當(dāng)今世界威脅人類健康和生命的主要疾患，據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì),全世界每年死于癌癥的有數(shù)百萬人。目前除了常用的手術(shù)療法、放射療法、化療療法外,出現(xiàn)了一系列新方法，如光動(dòng)力學(xué)療法、熱療法和電化學(xué)療法等。如上所述，納米TiO2n型半導(dǎo)體，在紫外光的照射下會(huì)產(chǎn)生光生電子空穴對(duì),在水溶液體系中進(jìn)而產(chǎn)生氧化性很強(qiáng)的HO-和O2-?自由基。這些自由基具有分解有機(jī)物和殺死細(xì)菌、細(xì)胞的能力。1991年，首次報(bào)道了納米TiO2對(duì)癌細(xì)胞的光催化殺傷作用?，F(xiàn)在納米TiO2粉末被認(rèn)為是一種光動(dòng)力學(xué)療法中的較有希望的新穎光敏劑。（一）出現(xiàn)在較早時(shí)期，國內(nèi)外鮮少有關(guān)于TiO2光催化劑殺滅癌細(xì)胞的報(bào)道，日本學(xué)者藤井昭是TiO2光催化氧化殺滅腫瘤細(xì)胞研究的最早開拓者。最初，他們通過熱解技術(shù)將TiO2薄膜沉積在涂覆有SnO2的玻璃片上，將宮頸癌細(xì)胞至于TiO2薄膜上培養(yǎng)，然后以TiO2薄膜做工作電極，以Ag/AgCl和Pt分別作參比電極和對(duì)電極，磷酸鹽溶液做電解液。使用500W高壓汞燈照射TiO2電極，由恒電位儀調(diào)節(jié)不同的電位。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)TiO2電極電位為0.5V時(shí)，TiO2電極上培養(yǎng)的宮頸癌細(xì)胞被完全殺死，細(xì)胞成活率與陽極光電流成反比。考慮到TiO2顆粒更適用于人體的研究，隨后他們又進(jìn)行了光激發(fā)TiO2顆?？鼓[瘤活性的體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)。通過單純用紫外光、單純用TiO2及在紫外光照作用下，用TiO2的一系列對(duì)照試驗(yàn)，結(jié)果表明在體外光激發(fā)TiO2顆粒對(duì)HeLa細(xì)胞和T24細(xì)胞（人體膀胱細(xì)胞）具有顯著的殺滅效果，在體內(nèi)具有顯著的抗腫瘤效果。體外TEM實(shí)驗(yàn)表明，TiO2顆粒不僅分布在細(xì)胞膜上，而且也分布在細(xì)胞質(zhì)中。體內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，將體外傳代培養(yǎng)的HeLa細(xì)胞植入裸鼠的背部，當(dāng)腫瘤長到越0.5cm時(shí)，注射含有極細(xì)TiO2顆粒的溶液，兩三天后，手術(shù)打開長有腫瘤的皮，直接用高

壓汞燈照射腫瘤1小時(shí)，這種處理方法明顯抑制了腫瘤的生長。TiO2-MEM加入細(xì)胞中培養(yǎng)24小時(shí)后的HeLa的TEM照片TiO2粉末注射到腫瘤1和腫瘤2后初處理和處理后裸鼠的照片發(fā)展進(jìn)入90年代腫瘤的光治療作為一種新技術(shù)，已發(fā)展到臨床實(shí)驗(yàn)階段血樸啉(HPD)被用作首選光敏劑。大量的實(shí)驗(yàn)表明，腫瘤組織能夠延長其貯存和滯留的時(shí)間，靜脈注射24-48h后，人們發(fā)現(xiàn)，HPD移至腫瘤部位，而不是在其周圍組織中；在紅光照射下，對(duì)應(yīng)于HPD的吸收帶(600nm)的照射光容易被HPD所吸收，引起激發(fā)，并誘導(dǎo)了該處腫瘤的死亡，相反，周圍組織和細(xì)胞的正常成分基本上不吸收光。PDT大大降低了光損害正常組織細(xì)胞的風(fēng)險(xiǎn)，所以比放射治療和化療有較強(qiáng)競爭力。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，已較成功地將特殊激光源和內(nèi)診鏡，分別用于表面腫瘤和口腔，直腸和婦科腫瘤的治療。光治療的機(jī)理是染料光敏劑在吸收了合適波長的光線后，從基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛顫姷膯尉€態(tài)，再與氧反應(yīng)，產(chǎn)生高活性的單線態(tài)氧(iO2),若在水溶液中則可進(jìn)一步生成羥基自由基(HO-)等.單線態(tài)氧以及羥基自由基能有效地與鄰近的有機(jī)分子（如氨基酸等）相互反應(yīng),引起細(xì)胞損傷但是其效率較低，選擇性較差。而納米TiO2的禁帶寬度為3.2eV，有很好的光活性。所以納米TiO2有可能成為PDT療法中的新型光敏劑，且在生物體系中利用納米TiO2光催化殺傷細(xì)胞的機(jī)理研究表明,TiO2的光催化氧化性可破壞細(xì)胞中的核酸和DNA,由此導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡和壞死。但所報(bào)導(dǎo)方法的TiO2光催化氧化殺傷癌細(xì)胞的效率不高，所需TiO2的濃度較大，而且沒有選擇性。近年來已有報(bào)導(dǎo)，把電生孔技術(shù)用于治療癌癥上，例如利用電脈沖，使癌細(xì)胞膜上生孔,促進(jìn)不易滲進(jìn)的治癌藥物進(jìn)入腫瘤的癌細(xì)胞內(nèi)，以提高療效。利用納米TiO2的光催化氧化作用,并結(jié)合免疫技術(shù)和電生孔方法殺傷LoVo腸癌細(xì)胞。由于采用了癌細(xì)胞的抗體修飾納米TiO2表面，以及在電場(chǎng)下使癌細(xì)胞膜上生孔的方法，提高了TiO2光催化氧化殺傷癌細(xì)胞的效率，而且方法具有選擇性?，F(xiàn)今，其他有關(guān)研究也越來越熱門。日本科學(xué)家Fujishima等率先研究發(fā)現(xiàn)納米TiO2在紫外光照射下可以殺死Hela腫瘤細(xì)胞。他隨后展開了一系列研究，對(duì)不同條件下殺死腫瘤細(xì)胞的影響因素進(jìn)行探討,發(fā)現(xiàn)使用極化TiO2微電極可進(jìn)行選擇性殺死單個(gè)腫瘤細(xì)胞。結(jié)果表明了光催化納米TiO2對(duì)腫瘤細(xì)胞有明顯的殺傷作用,產(chǎn)生的活性氧對(duì)細(xì)胞膜中脂類物質(zhì)進(jìn)行氧化作用，導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性增大，大量鈣離子內(nèi)流,從而誘發(fā)細(xì)胞凋亡。在國內(nèi)，納米TiO2的抗腫瘤研究日益受到重視，也取得了一些可喜的進(jìn)展。如熊先立等通過流式細(xì)胞儀分析納米TiO2對(duì)人肝癌細(xì)胞系BeI-7402細(xì)胞周期的影響，細(xì)胞周期的分析結(jié)果表明，納米TiO2能使Bel-7402細(xì)胞的G1期細(xì)胞數(shù)明顯增加,S期數(shù)量減少，說明納米TiO2可將細(xì)胞周期阻滯于G1期，而不能進(jìn)入S期?？勺柚故軗p的細(xì)胞進(jìn)入S期,使細(xì)胞直接從G1期脫離細(xì)胞周期而進(jìn)入死亡程序,導(dǎo)致細(xì)胞生長抑制。朱融融等通過四甲基偶氮唑藍(lán)比色法（MTT法）、酶標(biāo)儀檢測(cè)、倒置顯微鏡觀察和DNAladder實(shí)驗(yàn)等方法以人腎上皮細(xì)胞293T和中國倉鼠卵巢腫瘤細(xì)胞CHO為對(duì)象，研究結(jié)果表明，納米TiO2對(duì)腫瘤細(xì)胞具有非常明顯的毒性作用,可侵入細(xì)胞內(nèi)部，誘導(dǎo)CHO細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞凋亡。對(duì)于293T細(xì)胞,雖然會(huì)抑制其增殖,但不能夠進(jìn)入細(xì)胞膜內(nèi),沒有細(xì)胞凋亡現(xiàn)象的發(fā)生。（三）作用機(jī)理的研究隨著研究的不斷深入，由資料顯示，各學(xué)者對(duì)納米TiO2的光催化氧化殺傷細(xì)胞機(jī)制提出了不同的的觀點(diǎn)，主要有以下幾種：DNA和RNA分子的損害Hidaka等提出了納米TiO2在光照下能催化氧化殺傷DNA和RNA分子。Dunford等于體外在TiO2和近紫外光照射超螺旋的質(zhì)粒DNA下,確信羥基是造成DNA斷裂的主要因素,并且進(jìn)一步分析出鳥嘌吟是DNA分子改變的基礎(chǔ)。Wamer等用紫外光照射加有TiO2顆粒的小牛胸腺DNA，發(fā)現(xiàn)鳥嘌吟基的羥基化作用，且羥基化的的程度與TiO2濃度和紫外光的強(qiáng)度呈正相關(guān)。當(dāng)用人類成纖維細(xì)胞在同樣條件作體內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，作者檢測(cè)到細(xì)胞內(nèi)RNA有高水平的羥基化作用,但卻沒有檢測(cè)到細(xì)胞內(nèi)DNA的羥基化。催化特異性DNA位置損害的機(jī)理Hirakawa等提出有Cu2+存在時(shí)，光照射TiO2顆粒催化DNA的損害。銳鈦型TiO2引起的DNA損害強(qiáng)于金紅石型。在體外主要通過光催化反應(yīng)產(chǎn)生的H2O2而不是羥自由基引起銅依賴的DNA損害，從而殺傷細(xì)胞。盡管TiO2不可能結(jié)合到細(xì)胞核內(nèi),但光催化反應(yīng)產(chǎn)生的H2O2很容易擴(kuò)散并結(jié)合到細(xì)胞里，導(dǎo)致DNA損害。細(xì)胞滲透機(jī)理支持此觀點(diǎn)的研究者發(fā)現(xiàn)了光照TiO2可導(dǎo)致細(xì)胞壁、細(xì)胞膜的破壞及細(xì)胞內(nèi)容物泄漏。Saito等研究表兄鏈球菌自身溶血試驗(yàn)時(shí)，在光照TiO2下發(fā)現(xiàn)了鉀離子在3min內(nèi)迅速從細(xì)胞內(nèi)漏出，同時(shí)伴隨著細(xì)胞死亡。當(dāng)在反應(yīng)后增加高濃度的K+時(shí),失活的細(xì)胞不能逆轉(zhuǎn)。因此,Saito等認(rèn)為K+的漏出僅僅表明細(xì)胞膜的不完整性,而不是導(dǎo)致細(xì)胞死亡的直接原因。所以我們認(rèn)為納米TiO2在光照下首先引起細(xì)胞膜屏障的破壞，從而其半通透性增加，最終導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。Sakai等的研究也證實(shí)了光照納米TiO2可引起細(xì)胞膜損害進(jìn)而殺傷細(xì)胞的作用。他們?cè)诩尤霛舛葹?0~100四/mLTiO2的F12培養(yǎng)液中將T24細(xì)胞（人體膀胱癌細(xì)胞）在暗室下培養(yǎng)24h,然后通過電鏡掃描圖發(fā)現(xiàn),TiO2不僅分布在細(xì)胞膜表面,也分布在細(xì)胞質(zhì)中,可能是通過細(xì)胞的吞噬作用。隨后作者還發(fā)現(xiàn)了光照TiO2在0~4min和5~10min出現(xiàn)Ca2+內(nèi)流的兩個(gè)階段，引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+的迅速增加。而Ca2+內(nèi)流是細(xì)胞膜通透性增高的表現(xiàn)，最后導(dǎo)致細(xì)胞死亡。我們認(rèn)為，導(dǎo)致細(xì)胞死亡的原因是活性氧類對(duì)含不飽和磷脂細(xì)胞膜的攻擊，這些活性氧類包括光照納米TiO2顆粒下所產(chǎn)生的羥自由基、超氧自由基、過氧化氫等?？傊?xì)胞膜的不飽和磷脂是脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的潛在目標(biāo)。一旦納米TiO2損壞細(xì)胞膜屏障或通過細(xì)胞吞噬作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，就能對(duì)細(xì)胞內(nèi)所有的主要成分進(jìn)行光催化殺傷作用。納米TiO2通過光催化氧化殺傷癌細(xì)胞的機(jī)制至今尚未明確，可能是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果。展望自1985年Matsuaga等首次報(bào)道紫外激發(fā)TiO2有殺菌效果，從那時(shí)起，光催化氧化殺滅微生物的研究引起了全世界的關(guān)注，接著也慢慢運(yùn)用到殺死癌細(xì)胞的研究上，并很快成為研究的熱點(diǎn)。雖然納米TiO2的抗腫瘤研究取得了很大的進(jìn)展，但還有很多問題需要進(jìn)一步的研究和解決，例如由于紫外光的穿透性較差,對(duì)于體內(nèi)腫瘤需用紫外光光纖針作為介導(dǎo)，給治療帶來不便，納米TiO2真正應(yīng)用于臨床抗腫瘤還有一段很長的路，其中基礎(chǔ)研究的不斷深入和積累是必要的前提條件。對(duì)于納米TiO2詳細(xì)的抗腫瘤機(jī)理、如何提高納米TiO2的殺傷腫瘤細(xì)胞效率以及納