半导体光催化

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1、TiO2光催化剂在癌症方面的应用1. TiO2的催化机理现如今，半导体光催化剂在各个领域的应用与实用性使得它对于我们来说并不陌 生。比如TiO2，我们知道当能量大于TiO2禁带宽度的光照射半导体时，光激发电子 跃迁到导带，形成导带电子，同时在价带留下空穴。由于半导体能带的不连续性， 电子和空穴的寿命较长，它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在 半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。空 穴和电子在催化剂粒子内部或表面也可能直接复合。空穴能够同吸附在催化剂粒子 表面的OH-或H2O发生作用生成HO。HO-是一种活性很高的粒子，能够无选择地氧 化多种有机物

2、并使之矿化，通常认为它是光催化反应体系中主要的氧化剂。光生电 子也能够与O2发生作用生成HO2-和O2-等活性氧类 这些活性氧自由基也能参与氧 化还原反应。也正因为如此，半导体催化剂具有自洁、去污、杀菌、除臭、去除NOx等功能。2. 关于癌症方面的研究众所周知，癌症已成为当今世界威胁人类健康和生命的主要疾患，据世界卫生组织 统计,全世界每年死于癌症的有数百万人。目前除了常用的手术疗法、放射疗法、化 疗疗法外,出现了一系列新方法，如光动力学疗法、热疗法和电化学疗法等。如上所述， 纳米TiO2n型半导体，在紫外光的照射下会产生光生电子空穴对,在水溶液体系中进而 产生氧化性很强的HO-和O2-自由基

3、。这些自由基具有分解有机物和杀死细菌、细 胞的能力。1991年，首次报道了纳米TiO2对癌细胞的光催化杀伤作用。现在纳米TiO2 粉末被认为是一种光动力学疗法中的较有希望的新颖光敏剂。（一）出现在较早时期，国内外鲜少有关于TiO2光催化剂杀灭癌细胞的报道，日本学者藤井 昭是TiO2光催化氧化杀灭肿瘤细胞研究的最早开拓者。最初，他们通过热解技术将 TiO2薄膜沉积在涂覆有SnO2的玻璃片上，将宫颈癌细胞至于TiO2薄膜上培养，然 后以TiO2薄膜做工作电极，以Ag/AgCl和Pt分别作参比电极和对电极，磷酸盐溶 液做电解液。使用500W高压汞灯照射TiO2电极，由恒电位仪调节不同的电位。结 果发

4、现当TiO2电极电位为0.5V时，TiO2电极上培养的宫颈癌细胞被完全杀死，细 胞成活率与阳极光电流成反比。考虑到TiO2颗粒更适用于人体的研究，随后他们又 进行了光激发TiO2颗粒抗肿瘤活性的体内和体外实验。通过单纯用紫外光、单纯用 TiO2及在紫外光照作用下，用TiO2的一系列对照试验，结果表明在体外光激发TiO2 颗粒对HeLa细胞和T24细胞（人体膀胱细胞）具有显著的杀灭效果，在体内具有显著的抗肿瘤 效果。体外TEM实验表明，TiO2颗粒不仅分布在细胞膜上，而且也分布在细胞质中。 体内试验时，将体外传代培养的HeLa细胞植入裸鼠的背部，当肿瘤长到越0.5cm 时，注射含有极细TiO2颗

5、粒的溶液，两三天后，手术打开长有肿瘤的皮，直接用高压汞灯照射肿瘤1小时，这种处理方法明显抑制了肿瘤的生长。TiO2-MEM加入细胞中培养24小时后的HeLa的TEM 照片TiO2粉末注射到肿瘤1和肿瘤2后初处理和处理后裸鼠的照片(二) 发展进入90年代肿瘤的光治疗作为一种新技术，已发展到临床实验阶段血朴啉(HPD)被用作首选光敏剂。大量的实验表明，肿瘤组织能够延长其贮存和滞留的时间，静 脉注射24-48 h后，人们发现，HPD移至肿瘤部位，而不是在其周围组织中；在红 光照射下，对应于HPD的吸收带(600 nm)的照射光容易被HPD所吸收，引起激发， 并诱导了该处肿瘤的死亡，相反，周围组织和细

6、胞的正常成分基本上不吸收光。PDT 大大降低了光损害正常组织细胞的风险，所以比放射治疗和化疗有较强竞争力。随 着激光技术的发展，已较成功地将特殊激光源和内诊镜，分别用于表面肿瘤和口腔， 直肠和妇科肿瘤的治疗。光治疗的机理是染料光敏剂在吸收了合适波长的光线后，从 基态转变为活泼的单线态，再与氧反应，产生高活性的单线态氧(iO2),若在水溶液中则 可进一步生成羟基自由基(HO-)等.单线态氧以及羟基自由基能有效地与邻近的有机 分子（如氨基酸等）相互反应,引起细胞损伤 但是其效率较低，选择性较差。而纳米TiO2 的禁带宽度为3.2eV，有很好的光活性。所以纳米TiO2有可能成为PDT疗法中的新 型光

7、敏剂，且在生物体系中利用纳米TiO2光催化杀伤细胞的机理研究表明,TiO2的光 催化氧化性可破坏细胞中的核酸和DNA,由此导致细胞的凋亡和坏死。但所报导方法 的TiO2光催化氧化杀伤癌细胞的效率不高，所需TiO2的浓度较大，而且没有选择性。 近年来已有报导，把电生孔技术用于治疗癌症上，例如利用电脉冲，使癌细胞膜上生孔, 促进不易渗进的治癌药物进入肿瘤的癌细胞内，以提高疗效。利用纳米TiO2的光催化 氧化作用,并结合免疫技术和电生孔方法杀伤LoVo肠癌细胞。由于采用了癌细胞的 抗体修饰纳米TiO2表面，以及在电场下使癌细胞膜上生孔的方法，提高了 TiO2光催化 氧化杀伤癌细胞的效率，而且方法具有

8、选择性。现今，其他有关研究也越来越热门。日本科学家Fujishima等率先研究发现纳米 TiO2在紫外光照射下可以杀死Hela肿瘤细胞。他随后展开了一系列研究，对不同条 件下杀死肿瘤细胞的影响因素进行探讨,发现使用极化TiO2微电极可进行选择性杀 死单个肿瘤细胞。结果表明了光催化纳米TiO2对肿瘤细胞有明显的杀伤作用,产生的 活性氧对细胞膜中脂类物质进行氧化作用，导致细胞膜通透性增大，大量钙离子内流, 从而诱发细胞凋亡。在国内，纳米TiO2的抗肿瘤研究日益受到重视，也取得了一些可 喜的进展。如熊先立等通过流式细胞仪分析纳米TiO2对人肝癌细胞系BeI-7402细 胞周期的影响，细胞周期的分析结

9、果表明，纳米TiO2能使Bel-7402细胞的G1期细胞 数明显增加,S期数量减少，说明纳米TiO2可将细胞周期阻滞于G1期，而不能进入S 期。可阻止受损的细胞进入S期,使细胞直接从G1期脱离细胞周期而进入死亡程序, 导致细胞生长抑制。朱融融等通过四甲基偶氮唑蓝比色法（MTT法）、酶标仪检测、 倒置显微镜观察和DNA ladder实验等方法以人肾上皮细胞293T和中国仓鼠卵巢肿瘤细胞CHO为对象，研究结果表明，纳米TiO2对肿瘤细胞具有非常明显的毒性作用, 可侵入细胞内部，诱导CHO细胞产生细胞凋亡。对于293T细胞,虽然会抑制其增殖, 但不能够进入细胞膜内,没有细胞凋亡现象的发生。（三）作用

10、机理的研究随着研究的不断深入，由资料显示，各学者对纳米TiO2的光催化氧化杀伤细胞机制 提出了不同的的观点，主要有以下几种：1. DNA和RNA分子的损害 Hidaka等提出了纳米TiO2在光照下能催化氧化杀伤 DNA和RNA分子。Dunford等于体外在TiO2和近紫外光照射超螺旋的质粒DNA下, 确信羟基是造成DNA断裂的主要因素,并且进一步分析出鸟嘌吟是DNA分子改变的 基础。Wamer等用紫外光照射加有TiO2颗粒的小牛胸腺DNA，发现鸟嘌吟基的羟基 化作用，且羟基化的的程度与TiO2浓度和紫外光的强度呈正相关。当用人类成纤维细 胞在同样条件作体内试验时，作者检测到细胞内RNA有高水平

11、的羟基化作用,但却没 有检测到细胞内DNA的羟基化。2. 催化特异性DNA位置损害的机理 Hirakawa等提出有Cu2+存在时，光照射TiO2 颗粒催化DNA的损害。锐钛型TiO2引起的DNA损害强于金红石型。在体外主要通 过光催化反应产生的H2O2而不是羟自由基引起铜依赖的DNA损害，从而杀伤细胞。尽管TiO2不可能结合到细胞核内,但光催化反应产生的H2O2很容易扩散并结合到细 胞里，导致DNA损害。3. 细胞渗透机理 支持此观点的研究者发现了光照TiO 2可导致细胞壁、细胞膜的破 坏及细胞内容物泄漏。Saito等研究表兄链球菌自身溶血试验时，在光照TiO2下发现 了钾离子在3min内迅速

12、从细胞内漏出，同时伴随着细胞死亡。当在反应后增加高浓度 的K+时,失活的细胞不能逆转。因此,Saito等认为K+的漏出仅仅表明细胞膜的不完整 性,而不是导致细胞死亡的直接原因。所以我们认为纳米TiO2在光照下首先引起细胞 膜屏障的破坏，从而其半通透性增加，最终导致细胞的死亡。Sakai等的研究也证实了光照纳米TiO2可引起细胞膜损害进而杀伤细胞的作用。 他们在加入浓度为10 100四/ mL TiO2的F12培养液中将T24细胞（人体膀胱癌细 胞）在暗室下培养24h,然后通过电镜扫描图发现,TiO 2不仅分布在细胞膜表面,也分布 在细胞质中,可能是通过细胞的吞噬作用。随后作者还发现了光照TiO

13、2在0 4min和 510min出现Ca2+内流的两个阶段，引起细胞内Ca2+的迅速增加。而Ca2+内流是细 胞膜通透性增高的表现，最后导致细胞死亡。我们认为，导致细胞死亡的原因是活性 氧类对含不饱和磷脂细胞膜的攻击，这些活性氧类包括光照纳米TiO2颗粒下所产生 的羟自由基、超氧自由基、过氧化氢等。总之，细胞膜的不饱和磷脂是脂质过氧化反应的潜在目标。一旦纳米TiO2损坏细 胞膜屏障或通过细胞吞噬作用进入细胞内，就能对细胞内所有的主要成分进行光催化 杀伤作用。纳米TiO2通过光催化氧化杀伤癌细胞的机制至今尚未明确，可能是多种机 制共同作用的结果。3. 展望自1985年Matsuaga等首次报道紫

14、外激发TiO2有杀菌效果，从那时起，光催化氧 化杀灭微生物的研究引起了全世界的关注，接着也慢慢运用到杀死癌细胞的研究上， 并很快成为研究的热点。虽然纳米TiO2的抗肿瘤研究取得了很大的进展，但还有很多 问题需要进一步的研究和解决，例如由于紫外光的穿透性较差,对于体内肿瘤需用紫外光光纤针作为介导，给治疗带来不便，纳米TiO2真正应用于临床抗肿瘤还有一段很长的路，其中基础研究的不断深入和积累是必要的前提条件。对于纳米TiO2详细的抗 肿瘤机理、如何提高纳米TiO2的杀伤肿瘤细胞效率以及纳米TiO2的临床应用等方面 将是今后纳米TiO2在医学领域的研究重点。据世界卫生组织预测，至2020年，每年新发现癌症病人将达到1500万，癌症将 成为新世界人类第一杀手，所以寻求像TiO2光催化氧化杀伤癌细胞这一选择性强、 微创、基本不伤害正常组织、安全毒副作用小的治疗方案迫在眉睫。随着人们对纳 米TiO2抗肿瘤作用的大量基础理论研究的不断深入，纳米TiO2将成为在医学领域的 一类具有很大发展潜力和应用前景的抗肿瘤光催化氧化剂。