铌掺杂二氧化钛纳米颗粒(Nb:TiO2 )实现肿瘤光热-声动力协同治疗的新突破

本研究针对传统TiO2 纳米颗粒带隙宽(3.0-3.2 eV)、载流子复合快导致的声动力疗效差等问题，通过热分解法制备了Nb5+ 掺杂TiO2 纳米颗粒(Nb:TiO2 )。该材料将光吸收范围扩展至近红外区(>1100 nm)，光热转换效率达39.1%，超声诱导单线态氧(1 O2 )生成率提升1.51倍，8分钟联合治疗可使肿瘤细胞存活率降至8.3%，为单组分多功能肿瘤治疗纳米材料开发提供新思路。

　　

肿瘤治疗领域长期面临单一疗法效果有限的挑战，特别是传统二氧化钛(TiO₂
)纳米材料因其宽禁带特性(3.0-3.2 eV)和快速载流子复合，导致声动力治疗(SDT)效率低下。同时，现有光热-声动力(PTT-SDT)联合治疗多采用复杂复合结构，存在制备工艺繁琐、有机声敏剂负载效率低等问题。如何开发单组分、多功能的无机纳米材料，成为突破肿瘤协同治疗瓶颈的关键科学问题。

针对这一挑战，国内研究人员在《Nano Trends》发表创新成果，通过简单的热分解法成功制备铌掺杂二氧化钛纳米颗粒(Nb:TiO₂
)。该研究通过元素掺杂工程，巧妙地将半导体材料的能带结构调控与缺陷工程相结合，不仅解决了传统TiO₂
光吸收范围窄的问题，同时显著提升了载流子分离效率，实现了"一箭双雕"的治疗效果。

研究采用热分解法合成Nb:TiO₂
纳米颗粒，通过TEM、XRD、XPS等技术表征材料特性，UV-vis-NIR光谱分析光吸收性能，DPBF探针法和ESR检测¹
O₂
生成，CCK-8法和活死染色评估体外治疗效果。

【3.1. Nb:TiO₂
的表征】
透射电镜显示Nb:TiO₂
为20 nm单分散颗粒，XRD证实其保持金红石相结构但晶格间距略有右移，XPS分析揭示材料中同时存在Ti⁴⁺
、Ti³⁺
和Nb⁵⁺
的混合价态，这种特殊的电子结构为后续功能实现奠定基础。

【3.2. 光热转换性能与单线态氧生成性能】
通过Nb⁵⁺
掺杂，材料光吸收边从380 nm红移至>1100 nm，在1064 nm激光照射下可实现20°C温升，光热转换效率达39.1%。超声激发时，Nb:TiO₂
的¹
O₂
生成速率是纯TiO₂
的1.51倍，ESR检测到典型的三重峰信号(1:1:1)，证实了¹
O₂
的高效生成。

【3.3. 细胞光热-声动力治疗】
细胞实验显示Nb:TiO₂
对HUVEC、CT26和4T1细胞均保持>85%的存活率。单独PTT(8分钟)使细胞存活率降至24.7%，单独SDT降至34.1%，而PTT-SDT联合治疗8分钟可使存活率急剧下降至8.3%。活死染色显示联合治疗组视野全为红色(死细胞)，显著优于各单疗法。

该研究创新性地通过单元素掺杂策略，赋予TiO₂
纳米颗粒双重治疗功能。Nb⁵⁺
掺杂不仅通过引入Ti³⁺
缺陷态拓宽光吸收范围，还通过促进载流子分离增强声动力效应。这种"一石二鸟"的设计思路，克服了传统复合纳米材料结构复杂、制备困难的缺点。研究结果为开发新型单组分多功能肿瘤治疗剂提供了范例，也为其他TiO₂
基半导体的生物医学应用开辟了新途径。特别值得注意的是，39.1%的光热转换效率已达到临床转化要求，而1.51倍的¹
O₂
生成提升显著优于多数报道的有机-无机复合体系，这些突破使得Nb:TiO₂
在实体瘤深部治疗中展现出独特优势。