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锌基纳米氧化物压电/热释电催化治疗肿瘤研究

摘要

恶性肿瘤严重威胁着人类的健康和生命。人们一直致力于开发各种肿瘤治疗方法，

以提高恶性肿瘤的治疗效果。其中，“医工结合”为抗肿瘤新药物开发提供了新思路。目

前，已经有许多新材料和新机制被开发应用到抗肿瘤治疗领域中。在众多的材料中，锌

基纳米氧化物是具有前景的候选医学材料，因为Zn2+作为一种生物金属离子，其生化和

营养作用对细胞生长至关重要。此外，在众多癌症治疗机制中，催化疗法因其特异性高、

安全性强等特点而备受瞩目，被广泛视为一种高效的癌症治疗策略。然而，单一疗法的

局限性及可能的毒副作用，都促使研究人员寻求更先进的解决方案。因此，开发协同疗

法和新型药物，以进一步提升疗效并减少副作用，显得尤为迫切。当前，通过构建复合

材料及设计整合机制，利用不同成分在生物应用中的协同作用，已成为纳米材料抗肿瘤

领域的研究热点。本论文的研究目的旨在基于锌基纳米氧化物，设计并合成具有多模式

高效诊疗功能的纳米复合材料，并深入探究其作为诊疗试剂的生物性能，主要研究内容

如下：

（1）压电催化疗法在机械作用下可产生活性氧物质，因其组织穿透深度深、O2依

赖性小等特点，在癌症治疗中引起了广泛关注。然而，由于压电响应差、电子-空穴对分

离低、肿瘤微环境复杂等原因，压电催化治疗效率受到限制。通过掺杂工程构建了一种

可生物降解的多孔Mn掺杂ZnO纳米团簇，在超声波作用下表现出增强的压电效应。

Mn掺杂不仅会引起晶格畸变，增加极化，还会产生富氧空位来抑制电子-空穴对复合，

从而在超声照射下高效产生活性氧物质。此外，Mn掺杂的ZnO显示出肿瘤微环境响应

–

的多酶（过氧化物酶、过氧化氢酶）模拟活性，产生强氧化性的·OH和·O2。此外，材料

中Mn（III）还可以消耗肿瘤微环境中还原性的谷胱甘肽，进一步加剧了肿瘤细胞的氧

化应激，进而高效杀灭肿瘤细胞。密度泛函理论计算表明，由于氧空位的存在，Mn掺

杂可以提高Mn-ZnO的极化和酶活性，从而提高压电催化性能。由于超声触发的压电催

化提高了活性氧物质生成和谷胱甘肽耗竭能力，Mn-ZnO可显著加速脂质过氧化物的积

累并灭活谷胱甘肽过氧化物酶4以诱导铁死亡发生。类酶催化、压电纳化和铁死亡协同

提高了疗效，肿瘤抑制率达94.5%。

（2）压电催化治疗的有效性受到压电响应性次优、电子-空穴对解离率降低及肿瘤

微环境固有的复杂性的限制。为此本研究设计合成了一种新型纳米马达，利用水和氧气

作为底物，通过超声压电进一步转化为O2和活性氧物质，从而放大氧化应激并加速进

入肿瘤细胞。采用掺杂工程的方法合成了具有富氧空位的多孔Mn掺杂ZnSnO:Mn

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哈尔滨工程大学博士学位论文

（MZSO）纳米片，实现了增强压电效应。Mn掺杂导致晶格畸变和极化增加，而且由于

掺杂对固有氧空位的能级钝化，产生了深能级络合中心，提高了超声辐照下载流子的分

离效率。首次提出了用酶促反应和电化学伏安试验将类过氧化氢酶的催化活性和无机金

属基钙钛矿催化剂的电催化析氧反应活性桥接起来的方法，并验证了二者之间的线性关

系。实验结果表明，超声下MZSO中产氧量的增加主要归因于压电空穴诱导的析氧反

应，而不是能带弯曲现象。第一性原理计算阐明了氧空位和Mn掺杂对载流子动力学和

析氧反应过程的协同作用，从而提高了催化效率。揭示了析氧反应电催化剂在类过氧化

氢酶应用和肿瘤治疗方面的潜力。本研究通过超声纳米马达介导的肿瘤间质液中有效的

压电载体分离，实现了肿瘤内氧化应激的显著放大和药物递送的加速，因而大大提高了

治疗效率，肿瘤抑制率达97.5%。

（3）肿瘤微环境乏氧和肿瘤细胞的耐药极大地削弱了纳米酶的活性。因此，本研究

开发了一种双催化纳米平台，通过将热释电ZnSnO3的超小纳