黑磷作为一种新型的二维纳米材料以其独特的结构和性质受到研究人员的广泛关注。近年来，黑磷二维纳米材料逐渐在生物医学中表现出巨大的开发潜力和应用前景，尤其优秀的光声特性和良好的生物相容性使其在肿瘤诊断和治疗方面表现突出。主要对黑磷二维纳米材料的结构与性质、制备与功能修饰及其在肿瘤的生物检测、治疗以及抗菌的潜在应用进展进行综述。
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二维纳米材料是指在三维空间中的2个维度上可以在纳米尺寸范围内无限延伸的纳米材料。在纳米医学领域，许多类型的二维纳米材料，包括过渡金属二卤代烷，过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物及金属有机骨架纳米薄片相继出现。其中，黑磷相对较大的表面积使其具有相对其他二维材料高效的药物传递功能，且其独特的光学特性和X射线衰减特性使其在癌症的光疗或放疗中被逐步开发。此外，通过将黑磷与其他功能性纳米颗粒整合或利用其固有的物理特性，也可以被设计成用于成像的纳米探针。因此，黑磷特殊的性质使其在生物医学领域逐渐显现出巨大的开发潜力。
黑磷大约是在100年前被发现的，但由于它的制备条件苛刻、应用范围有限，一开始并没有引起人们的重视[1]。随着黑磷的晶体结构[2]、电学性质[3]、能带和电子排列[4]以及光电性能[5]等理化性质被探索，其生物医学功能也逐步被开发。尤其是黑磷二维纳米薄片固有荧光和光声特性以及极微的细胞毒性使其作为一种潜在的癌症诊断生物显像剂，并且在光动力疗法（photodynamic therapy，PDT）和光热疗法（photothermal therapy，PTT）中也得到了良好的抗肿瘤效果。此外，黑磷的大小也是可控的，从黑磷纳米片到黑磷量子点都可以通过不同的合成条件和手段制备出来，不仅能达到装载药物的目的，还可以通过表面化学修饰等手段，最终实现多方面治疗肿瘤的作用[6]。本文首先介绍黑磷二维纳米材料的结构与性质，简单介绍其制备与功能修饰，继而综述其在肿瘤的生物检测、治疗以及抗菌的潜在应用。
磷是维持人体健康的基本元素之一，它与白磷、红磷互为同素异形体，黑磷是其中最稳定的，原子结构见图1。磷烯结构中每个磷原子与相邻的其他3个磷原子通过sp3杂化共价结合形成了1个三角形的金字塔结构，沿z形方向形成双层结构，沿扶手椅方向形成褶皱结构，每个磷原子层通过范德华力叠在一起[7]。另外，Qiao等[8]认为黑磷层间的相互作用并不完全是范德华力，波函数的交叠对层间的相互作用也是非常重要的。黑磷具有层状结构，由于其层间范德华力相互作用较弱所以易被机械剥离，在实际应用中通常会将其制备成单层或少层黑磷纳米片。
黑磷经加工成纳米尺寸后，其随之增大的比表面积赋予其优异的载药性能，且黑磷纳米材料的诸多物理化学性质，如导电及光学性能等也会得到进一步改善。此外，黑磷二维纳米材料应用于生物体内既避免了体内肝肾部位的代谢清除，同时还可以利用肿瘤部位的高渗透长滞留效应在肿瘤部位达到有效治疗浓度[9]，有效提高纳米药物的疗效和靶向性，减轻毒副作用，克服了用于生物体内的材料要同时兼顾治疗部位的精准靶向并发挥疗效后能够顺利排除这一难题。因此，黑磷二维纳米材料在生物体内的应用具有突出的优势，并为纳米药物在临床上的应用提供了一个新的选择。
由于磷原子外层有孤对电子，因此容易被氧化，在空气和水分存在尤其光照下，厚度小于10 nm的片层黑磷会在1周内完全降解[10,11,12]。研究表明黑磷纳米片的厚度与降解速率成反比，厚度为1.7~3.2、11~17、28~45 nm的片层黑磷在3 d后分别降解57%、35%、22%[13]。
当黑磷进入体内发挥相关治疗作用时，稳定性是其靶向性以及高效性的基础。黑磷表面的氧化磷可以形成保护层，即利用完全氧化的表面P-O-P键来固定表面磷原子，保护黑磷不再继续被氧化[11]。另外，还可以用高分子物质功能化修饰黑磷提高稳定性。如对黑磷量子点进行聚乙二醇修饰[14]，使用重氮苯衍生物钝化并保护黑磷[15]。此外，Shao等[16]制备了一种聚乳酸包裹的黑磷量子点，所形成的高分子聚合物壳层能将内部的黑磷量子点与生理环境隔绝开，保证其在治疗过程中的稳定性，光热治疗后，黑磷量子点又会随聚乳酸壳层的逐步崩解得到释放和降解，进而安全地代谢出体外。Qu等[17]通过表面配位作用将磺酸酯连接的钛引入黑磷纳米片表面，Yang等[10]首次报道了通过掺杂碲减缓黑磷在环境中的降解从而大幅提高其稳定性。
与其他二维纳米材料如石墨烯、过渡金属硫化物、碳氮化物等不可生物降解、只能通过肝脏解毒和肾脏排尿排出体外相比，黑磷具有良好的生物降解性。2016年首次从理论上给出了层数少的黑磷纳米片在环境中发生降解的完整机制，其中光、氧和水分的作用得到了明确的证明[11]。另外，单层黑磷在体内往往与氧发生反应，产生无毒的产物，如亚磷酸根离子、磷酸根离子等，不会对人体造成明显伤害。
改变黑磷层数可以调节其带隙在块状的0.3 eV到单层的2.0 eV之间变化，并且薄层黑磷如受到压缩或拉伸变形时，其能带结构也会发生显著改变，因此随着黑磷厚度的变化，其吸收光谱可以覆盖到紫外、可见、近红外及中红外区域，不过片状黑磷主要在400~800 nm波长范围内有较强的吸收[18]。黑磷纳米材料的光响应波长范围比较广，并且能通过改变光响应波段以达到不同的使用目的。如黑磷对能有效吸收800 nm附近的近红外光产生光热效应，通过吸收光来转化为热能，升温抑制肿瘤的生长[19]。而对波长为660 nm的光吸收，则可以有效产生活性氧，对乳腺癌细胞产生较强的毒性，体内实验结果表明，黑磷纳米片可以有效抑制小鼠肿瘤生长[20]。
黑磷是在高温、高压的环境下被意外发现的[1]，之后大多通过高能球磨法将红磷转变成黑磷[21]，但合成黑磷的成功率不高。Rissi等[22]在室温条件下成功地将红磷转化为黑磷。此外，Ozawa等[23]将乙二胺红磷溶液用作溶剂成功地通过一锅溶剂热反应合成了黑磷，大大提高了黑磷的产率。Bian等[24]研究证明利用球磨化学刻蚀技术可以成功将红磷粉末直接转化为具有多晶边界特征的新型黑磷纳米片，这种纳米片表面崎岖而边缘平滑，对氮气分子具有明显的吸附功能，展现出较好的光催化合成氨性能。
Li等[5]首次利用胶带机械剥离制得厚度仅7.5 nm的黑磷纳米片。通过机械剥离法得到的黑磷纳米片虽然纯度高、缺陷少，但是其需要在无水、无氧的条件下制备。因其制备条件要求高且产量较低，难以大规模应用。之后，液相剥离法[25,26]、电化学剥离[27,28]、离子插层剥离法[29]等自上向下合成的方法被逐渐开发出来以实现更加高效的剥离；此外，还有化学气相沉积法这种自下而上的合成方法在其他二维纳米材料中得以实现[30]，不过还无法做到广泛使用[18]。其中液相剥离法是目前制备黑磷纳米片最常用的方法，通过利用超声波提供能量，在溶剂分子的辅助下，将黑磷层间范德华力打破，从而得到黑磷纳米片。其产量较机械剥离法提高很多，而且通过液相剥离法制得的黑磷纳米片稳定性良好。超声的功率与时间对黑磷纳米片的剥离有一定的影响，提高功率及延长时间均有助于提高剥离出来的黑磷纳米片的均一性。还要离子液体溶剂法[31]、工业可伸缩的高剪切剥落法[32]、微波剥落法[33]、溶剂热处理[34]、混合破碎、磨碎和脉冲激光辐照、超临界二氧化碳辅助法和离子体刻蚀等其他方法。而且黑磷的其他应用也可以通过改良的制备方法被开发，近年来一种新型、简易的热蒸发法被成功用于制备钛或碳纳米管支撑的黑磷材料[35]，并首次发现了所制备材料在析氧反应中的电催化活性。
光声成像通过光激发产生超声信号，是一项结合光学和超声成像的非入侵式和非电离式新型生物医学成像方法。黑磷具有光热性质和光声信号，因此，其可以用于体内光声成像。将黑磷与光治疗相结合，可以实现肿瘤的监测与治疗同时进行，及时进行疗效的评估。不过黑磷在体内的不稳定性导致其光声成像的信号不稳定，因此，Sun等[14]制备出聚乙二醇修饰的黑磷纳米颗粒以提高其在水中的稳定性和溶解性，并展现出良好的光学性质，首次利用光声成像的方法研究了黑磷纳米颗粒在生物体内的富集与代谢，并利用光热达到治疗肿瘤的效果。2017年，Sun等[36]用磺酸酯与黑磷量子点配位，使黑磷更加稳定，表现出持续的光声信号增强能力。
PDT作为一种微创治疗肿瘤的方式已成为近年来热门的治疗策略。在特定波长的光照射下，光敏剂能吸收能量并将其转移到周围的氧气中反应产生活性氧，从而破坏细胞内主要功能性生物分子（蛋白质、脂质和核酸），诱导肿瘤相关血管的破坏，触发宿主免疫反应的激活，并进一步导致癌细胞死亡。与传统的肿瘤治疗方案对比，PDT可以避免由化疗、放射治疗所需要辐射剂量引起的全身不良反应，以及普通切除手术的高复发率。然而，复杂的肿瘤微环境严重制约大多数传统光敏剂的应用[37]。
黑磷纳米片可以在近红外激光照射下产生单态氧（1O2），因此，它可以作为PDT的辅助光敏剂。Sun等[14]利用超声剥离方法制备了黑磷纳米片，发现黑磷纳米片在近红外光照下产生1O2，而且产量远高于一般的光敏剂，并且体内外研究均证实了黑磷纳米片作为无机光敏剂可以有效抑制小鼠肿瘤生长。黑磷在不同波长激光照射下产生活性氧的种类不同，在近红外光照射下产生1O2，而在紫外线照射下产生羟基自由基[38,39]。
PTT通常是将能把光能（通常在近红外波长）转化为热能的生物材料（光热剂）递送进肿瘤内，然后有效地辐射出热量，以诱导肿瘤的局部致命加热。PTT类似于PDT，但不需要活性氧与靶细胞或组织相互作用，而是基于特定波长的光，能以较少的能量照射组织，将对非靶组织的伤害降至最低[40]。通常，短波长的紫外光或可见光不能有效地穿透人体组织，这成为限制光热治疗的主要因素，而长波长的近红外光穿透性较好，可以实现体内的光热治疗。黑磷对光的吸收范围很宽并且光热转化效率较高，可以承受长时间的光照，因此非常适用于肿瘤的光热治疗。
黑磷在多种细胞系中均展现出良好的生物相容性和光热抗肿瘤效果[41]。此外使用聚乳酸包裹[16]或聚乙二醇修饰[12]，都保证了黑磷纳米材料在体内光热治疗过程中的稳定性和有效性，以及治疗结束后的安全降解和代谢。近红外光调控黑磷纳米片光热作用可以增强血脑屏障的通透性，同时利用黑磷纳米片上丰富的磷原子可以与神经退行性疾病患者大脑中的过量铜离子结合，实现脑内治疗[42]。黑磷纳米材料还可以同时达到PTT和PDT的条件，将2种治疗方法结合起来可以对原发性肿瘤甚至转移性肿瘤达到更有效的作用[43]。
在过去的几十年里，在癌症的非侵袭性治疗方面主要致力于PDT，但用于PDT的激发光往往组织穿透性较差，严重影响对深部肿瘤的治疗效果，但超声波可以激活声敏剂产生活性氧，通过细胞凋亡和坏死从而杀死癌细胞，这就是新兴的声动力治疗（sonodynamic therapy，SDT)。由于超声波可以深入组织内并穿透到10 cm以上，PDT在低组织膜深度的关键限制可以克服。这样的优势使SDT成为一种有前途的非侵入性肿瘤治疗方法，其疗效敏感地依赖于决定活性氧产生的声敏剂[44]。Ouyang等[45]首次制作了基于黑磷纳米片的声敏剂，将金纳米颗粒装载于黑磷纳米片上以提高其声动力学性能。与传统有机声敏剂相比，该声敏剂在超声照射下表现出优越的稳定性。而且黑磷纳米片的层状结构，有利于与氧气相互作用，继而高效生成1O2。在超声照射下能够显著杀伤肿瘤细胞，抑制肿瘤生长，且不良反应小，揭示了其作为癌症治疗新一代声敏剂的潜力。
黑磷纳米片表面有磷酸根存在，因此带有负电荷，可以与带正电的药物分子结合。而且黑磷二维纳米材料的褶皱结构使其拥有更大的比表面积，得以高效负载抗肿瘤药物。Chen等[46]研究发现，黑磷纳米片可以负载质量是其自身质量10倍左右的盐酸阿霉素。并且可以将小干扰RNA等用于基因治疗的核酸等生物小分子物质装载于黑磷上，以达到基因治疗的作用[47]。
到目前为止，传统的单一模式治疗仍存在生物利用度低、靶向差和易复发等问题，解决这些问题的方法之一是联合治疗。鉴于黑磷纳米片可以高效地负载抗肿瘤药物和核酸，并同时具有光热、光动力活性，黑磷纳米材料的药物传输系统协同光动力、光热、化疗和基因治疗癌症的方法展现出显著增强的肿瘤杀伤能力。
Tao等[48]首次利用黑磷纳米片较大的比表面积吸附临床化疗药物阿霉素，在近红外激光照射下对肿瘤局部位置进行光热消融作用，并且利用产生的温度变化促进药物的释放。Chen等[46]实现了阿霉素相对黑磷950%的负载，同时进行光热和光动治疗，可以通过pH/光响应型药物释放机制加快阿霉素的释放，增加细胞膜的透过性和对药物的摄取，甚至对于阿霉素的毒副作用有屏蔽的效果，实现对肿瘤治疗的安全和高效的双目标。Zeng等[47]则是将阿霉素和小干扰RNA同时装载在黑磷上，聚多巴胺包裹后对膜进行靶向修饰用作针对耐多药癌症的靶向化疗、基因和光热疗法的多功能协同传递系统。此外，Xing等[49]报道了基于黑磷纳米片和氧化石墨烯的多功能3D混合气凝胶，不仅具有十分优异的化学稳定性，而且在较低的激光功率下具有较高的光热转换效率和光热循环稳定性。
对于黑磷与生物体内的一些相互作用往往被认为是一种毒副作用。而Zhou等[50]提出了一种基于黑磷本征生物活性的癌症活性磷疗新技术称为生物活性磷基药物疗法。研究发现，由于癌细胞胞吞作用旺盛，细胞内氧化应激更强，能量代谢加速，黑磷在细胞内快速降解导致磷酸盐阴离子的急性升高。这一过程引起癌细胞核酸合成和传递的阻滞以及随后的凋亡和自噬介导的细胞死亡。而对于正常细胞，其相对较弱的摄取活性和代谢速率则不会造成上述影响，从而保持了黑磷在健康组织中很高的生物相容性。体内外实验均证实了黑磷在抑制肿瘤生长方面的有效性，其对癌细胞的选择性杀伤作用远优于一些传统化疗药物。
抗生素的发现无疑是人类医学史上重大的里程碑之一。然而，抗生素的滥用和过度使用引发并加速了病原菌中抗生素耐药性的广泛出现[51,52]，特别是超级耐药菌的出现，对人类的生命安全构成了严重的威胁。而磷虽然被认为是构成生物体的基本营养物质，但暴露在富磷环境中可能是有害的，特别是对细菌来说。这为剥离的黑磷纳米片作为抗菌剂的使用提供了可能性。黑磷纳米片的抗菌活性已经被证实[53,54]，活性氧依赖性氧化应激和膜损伤是主要的杀菌机制。Liu等[55]还提出用黑磷纳米片作为抗菌剂，利用其低稳定性，不进行任何表面修饰，在杀死细菌后根据需要降解，以防止细菌对其产生耐药性，提供了一种在不引起抗生素耐药性的情况下对抗细菌感染的有效方法，有望成为解决病原菌对抗生素耐药的方法之一。
黑磷可作为高效的药物载体，负载药物并运输至病灶部位达到靶向治疗的目的，也可以开展PTT、PDT、声动力治疗，与化疗或基因疗法结合，在抗肿瘤治疗方面显示出巨大的优势。而且，不仅是在肿瘤方面黑磷可以发挥其特殊的作用，在抗菌及其他疾病治疗或检测方面也逐渐展现出优势。不过在实现黑磷的大规模临床应用之前，还有一些需要探究的问题。
首先，受黑磷稳定性的影响，其对水分和氧的环境要求颇为苛刻，目前制备黑磷的方法大都停留在实验室小规模制备阶段，而且黑磷纳米材料制备产率较低，成本也高，无法实现在工业条件下简单快捷地大批量制备，另外其较强的还原性使材料的保质期无法得到延长。其次，虽然黑磷的降解实验说明黑磷可以在体内降解为磷酸根等对人体无害的成分，小鼠体内长期实验也表明了黑磷的安全性。但黑磷应用于临床后，患者的长期使用是否会引起体内其他不良反应尚不明确，毕竟人体是一个较大的系统，黑磷的长期使用或个体差异带来的毒性问题还需要长期的考察。特别的是，黑磷本身与生物体相互作用产生的一些影响也有待深入了解。
不过，随着黑磷的功能和性质越来越多地被人们发现，黑磷纳米材料制备方法也在不断研究和完善，黑磷在疾病治疗、生物成像和生物检测等相关领域的效用逐步发展，并且黑磷在光电工程、环境、化学等方面的应用也受到人们的广泛关注，在各个领域的临床研究和应用拥有很大潜力。
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