研究背景

電池的本質(zhì)是正負極和電解液界面的電化學(xué)反應(yīng)，通常應(yīng)用于能量的轉(zhuǎn)化和存儲。那么作為一個擁有豐富電化學(xué)反應(yīng)的平臺，電池是否可以具有更廣泛的應(yīng)用？近日，利用氧氣在電池反應(yīng)中的重要作用，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系夏永姚教授團隊、張凡教授團隊合作設(shè)計了可植入的自充電鹽水電池用于腫瘤微環(huán)境的長效乏氧調(diào)控和抗腫瘤研究，為腫瘤抑制和調(diào)控腫瘤微環(huán)境提供了一種潛在的途徑。 研究成果以“A self-charging salt water battery for antitumor therapy”為題發(fā)表于Science Advances。本文第一作者為復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系博士后黃健航(現(xiàn)為浙江師范大學(xué)特聘教授)和博士生于朋，通訊作者為復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系夏永姚教授和張凡教授。

研究亮點

設(shè)計了以生理鹽水為電解液的生物相容性自充電電池，展現(xiàn)出色的實體瘤治療效果。 生理鹽水中優(yōu)異的放電/自充電循環(huán)穩(wěn)定性。

采用酚酞為指示劑，可視化質(zhì)子存儲/釋放過程。

圖文導(dǎo)讀

圖1.自充電鹽水電池用于腫瘤治療的基本原理.

(A)自充電電池抑制實體瘤的機制，(B)電池結(jié)構(gòu)，(C)電池的不同小型化策略。

▲設(shè)計的可植入鹽水電池正極在自充電過程中消耗氧氣，該過程中產(chǎn)生活性氧(ROS)以及造成乏氧環(huán)境，結(jié)合乏氧激活前藥(HAPs)，展現(xiàn)出優(yōu)異的腫瘤治療效果。另外，設(shè)計了多種不同結(jié)構(gòu)的電池(圖1C)，層狀電池的制備工藝簡單，同時具有較好的可塑性，被選擇用來驗證電池的抗腫瘤性能。

圖2.自充電鹽水電池耗氧過程的氧化還原機理及表征.

(A)放電/自充電反應(yīng)及過程示意圖，(B)電池在硫酸鋅溶液中的CV圖，(C)電池在硫酸鋅溶液中的自充電曲線，(D)在生理鹽水中的放電/自充電曲線，(E)在生理鹽水中的循環(huán)穩(wěn)定性，及和在硫酸鋅中的對比，(F)不同電流下電池的放電曲線，及耗氧能力, (G)在空氣環(huán)境中(氧存在下)的可視化耗氧過程，(H)氮氣保護下質(zhì)子的存儲/釋放過程，(I)溶解氧的測定裝置示意圖，(J)溶解氧的含量變化曲線。

▲電池的正極為聚1,4,5,8-萘四甲酸酐(PNTCDA)，是一種聚酰亞胺，具有良好的生物兼容性，負極為鋅金屬。電池在放電過程中，含有碳基的PNTCDA被還原為酚羥基化合物PNTCDA-H；PNTCDA-H容易被氧化回PNTCDA，同時氧氣被還原，該過程即為化學(xué)自充電過程。在氧氣的參與下，電池的放電/自充電過程能夠不斷循環(huán)(圖2A)。由于PNTCDA在電化學(xué)還原/化學(xué)氧化循環(huán)過程中只涉及質(zhì)子和少量其他離子(如鋅離子或鈉離子)的存儲/釋放，不會破壞有機物骨架，因此放電/自充電循環(huán)過程穩(wěn)定性高。相對于傳統(tǒng)的硫酸鋅電解液，PNTCDA‖Zn電池在生理鹽水電解液中的自充電過程更快，展現(xiàn)出更優(yōu)異的耗氧能力(圖2C,D,E)。由于放電過程中氧氣的不斷自充電，電池可以持續(xù)放電>500 h(圖2F)，達到持續(xù)耗氧的作用。PNTCDA的充放電機制主要涉及質(zhì)子的存儲和釋放，因此，在生理鹽水電解液中，質(zhì)子的存儲(電化學(xué)放電過程)導(dǎo)致電極周圍電解液pH值得升高，而質(zhì)子得釋放過程(電化學(xué)充電過程)使pH回復(fù)中性，因此該pH的變化可以用酚酞指示劑來進行可視化監(jiān)測：無氧環(huán)境中，放電過程中電極周圍電解液變紅，表面pH上升，充電過程中又變回?zé)o色，表明pH下降(圖2H)。而在有氧環(huán)境中持續(xù)放電時，由于氧氣不斷被還原，電解液的pH持續(xù)升高，因此電解液會持續(xù)變紅(圖2G)。

圖3. 自充電鹽水電池維持腫瘤長期缺氧以增效抗腫瘤治療.

(A)體內(nèi)抗腫瘤實驗流程圖，(B)植入電池一天后腫瘤組織的乏氧染色，(C)腫瘤組織ROS染色，(D)腫瘤組織H&E染色，(E) 瘤內(nèi)血紅蛋白結(jié)合氧飽和度在對照組及電池植入不同時間后的光聲圖像，及(F)相應(yīng)的定量統(tǒng)計結(jié)果, (G)植入電池7天和14天后腫瘤組織的乏氧染色，及其(H)熒光強度定量統(tǒng)計結(jié)果，(I)不同組的腫瘤體積變化，(J) 不同組的腫瘤質(zhì)量變化，(K)自充電電池聯(lián)合TPZ治療的機理示意圖，(L) 體內(nèi)腫瘤預(yù)防實驗流程圖，(M)腫瘤的體積變化，(N)第14天時對照組及電池組的腫瘤質(zhì)量。

▲最后開展了體內(nèi)抗腫瘤實驗。由于鹽水電池的形態(tài)可塑性，該鹽水電池可以皮下植入到4T1腫瘤表面，荷瘤小鼠瘤內(nèi)血紅蛋白結(jié)合氧飽和度(sO2)在植入14天后下降至1.9%。結(jié)合乏氧激活前藥，80%的荷瘤小鼠腫瘤完全消失，整體腫瘤抑制率超過90%，且單獨的鹽水電池可通過產(chǎn)生ROS實現(xiàn)約74%的腫瘤抑制率和100%的預(yù)防腫瘤生成率。治療過程中小鼠的體重、電池接觸的皮膚及正常臟器均無異常變化，表明電池具有較好的生物相容性和安全性。

研究結(jié)論

該工作設(shè)計了具有長循環(huán)穩(wěn)定性的PNTCDA‖Zn自充電電池，在生理鹽水中展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能。該鹽水電池的正極氧化還原過程中產(chǎn)生的活性氧(ROS)可直接殺傷腫瘤細胞，顯示出100%的預(yù)防腫瘤生成率；同時，氧氣在放電/自充電循環(huán)中被持續(xù)消耗，從而維持腫瘤長期(≥14天)且充分的乏氧微環(huán)境(氧含量<2%)。結(jié)合乏氧激活前藥，該鹽水電池可消除80%荷瘤小鼠中的腫瘤，抗腫瘤效率>90%。電化學(xué)電池中的氧化還原反應(yīng)為腫瘤抑制和調(diào)控腫瘤微環(huán)境提供了一種潛在的途徑，同時，該工作也為電池這個擁有豐富電化學(xué)反應(yīng)的平臺，提供了更廣闊的應(yīng)用方向。

審核編輯 ：李倩