施劍林，中國科學院院士，1989年畢業于中國科學院上海硅酸鹽研究所，現任中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員，博士生導師，國家杰出青年基金獲得者，教育部“長江學者”特聘教授，曾擔任國家973項目首席科學家。
課題組現主要研究方向包括：
1. 介孔與其他無機納米材料的設計、可控合成及物化性能
2. 面向能源/環境應用的無機光/電催化材料
3. 基于無機納米結構的藥物輸運與診療一體化
4. 納米催化醫學
圖丨施劍林課題組網站（http://www.skl.sic.cas.cn/yjly/swyy/sjl/）
以下對施劍林研究團隊2019年部分重要研究成果進行歸納總結，供大家學習交流。本次分為三個部分展開：
納米催化醫學
AM綜述：納米催化醫學
催化和生物醫學通常被認為是兩個獨立的研究領域。近年來，隨著納米化學的發展，大量的納米催化劑，如納米酶、光催化試劑和電催化試劑等也都在體內被用于啟動催化反應和調節生物微環境以實現治療的效果。納米催化劑在生物醫學領域的應用也得到了迅速的發展，并有望推動納米醫學這一分支學科的前進。在過去的一個世紀里，許多化學家都在努力地將具有高效和高選擇性的催化劑巧妙地轉化為納米診療藥物，通過催化反應來優化治療的結果。
中科院上海硅酸鹽研究所施劍林研究員、陳雨研究員等人根據催化反應的基本反應因素，對構建納米藥物的基本原理進行了綜述說明；然后全面介紹了這一新興領域的最新研究進展，并詳細討論了具有診療功能的納米催化系統的內在機理。
BowenYang, Yu Chen, Jianlin Shi. et al. Nanocatalytic Medicine. Advanced Materials. 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201901778
ACS Nano：單原子催化劑的納米催化腫瘤治療
在腫瘤微環境（TME）中啟動局部催化化學反應，不僅可以獲得很好的腫瘤治療效果，而且具有很高的特異性和良好的生物安全性，這主要取決于生物醫學納米催化劑的高性能。施劍林研究員與陳雨研究員等人利用聚乙二醇化的單原子含鐵納米催化劑（PSAF NCS）可以有效地觸發原位腫瘤特異性芬頓反應，以在酸性TME下選擇性地產生豐富的有毒羥基自由基（OH）。
基于密度泛函理論，從理論上揭示了納米催化劑可以通過質子介導的H2O2均相催化非均相Fenton反應。這些產生的自由基不僅可導致惡性腫瘤細胞凋亡，而且還可誘導脂質過氧化物的積聚，導致腫瘤細胞的鐵蛋白沉著，從而協同地導致令人印象深刻的腫瘤抑制結果。同時，PSAF-NCs良好的生物降解性和生物相容性也保證了其良好的體內外生物安全性。
Minfeng Huo, Liying Wang, Youwei Wang, Yu Chen, and Jianlin Shi. Nanocatalytic Tumor Therapy by Single-Atom Catalysts. ACS Nano 2019 13 (2), 2643-2653
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00457
基于無機納米結構的藥物輸運與診療一體化
Chemical Review綜述：基于活性氧（ROS）的納米醫學
活性氧（ROS）在調節生物體各種生理功能中起著重要作用。ROS固有的生化特性是生物體生長、適應或衰老所必需的機制的基礎，正驅使研究人員充分利用這些活性化學物質為醫學進步做出貢獻。由于納米技術的顯著進步，人們探索出了多種具有獨特活性氧調節特性的納米材料來指導活性氧在生物環境中的時空動態行為，從而形成了新一代的治療方法，即納米材料引導體內活性氧的進化治療。ROS與相應的化學、生物學和納米治療之間的相互依賴關系使我們提出了ROS科學的概念，它被認為是研究ROS的化學機制、生物學效應和納米治療應用的新興科學學科。
施劍林研究員與陳雨研究員綜述了近年來基于ROS的納米治療的最新進展，重點介紹了產生或清除ROS以改善治療效果的納米材料的基礎材料化學。此外，還討論了基于ROS的跨學科領域進化中的關鍵科學問題，旨在揭示ROS的內在力量，以優化治療效果。我們希望我們在這一領域的研究成果將有助于基于ROS的基礎研究和臨床應用的進一步發展。
Bowen Yang, Yu Chen, and Jianlin Shi. Reactive Oxygen Species (ROS)-Based Nanomedicine. Chemical Reviews 2019 119 (8), 4881-4985
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00626
Nano Lett.：無機納米殼穩定液態金屬用于NIR-II區靶向光納米醫學
鎵和鎵基合金是一類具有獨特物理化學性質的典型液態金屬，其作為新一代功能材料也正逐漸在生物醫學領域得到廣泛的應用。但目前研究對其生物醫學性能的探索還很不夠，其固有的低抗氧化的特性亦是阻礙其進一步臨床轉化的關鍵。中國科學院上海硅酸鹽研究所施劍林研究員、陳雨研究員等人合作報告了一種利用無機二氧化硅納米殼對液態金屬基納米平臺進行穩定的方法。該方式是基于一種新型簡便的聲化學合成，可用于在NIR-II區進行高效的，近紅外光(NIR)觸發的靶向光熱腫瘤治療。
實驗證明，對液態金屬材料的表面進行無機硅殼化工程可以顯著提高液態金屬核的光熱性能使其近紅外吸收增強，而且硅殼也具有氧化保護的能力可以提高光熱的穩定性，這種表面修飾工程也可以使得材料具有豐富的表面化學物質，進一步增強其在腫瘤的聚集。體外細胞水平實驗和體內腫瘤異種移植的實驗表明，利用(Arg-Gly-Asp) RGD靶向基團和硅殼對納米級液態金屬進行包覆可實現其在體內進行光觸發的癌細胞死亡和腫瘤的清除，并且具有高的生物相容性，也易于清除出體外。
Zhu P, Gao S S, et al. Inorganic Nanoshell-Stabilized Liquid Metal for Targeted Photo-Nanomedicine in NIR-II Biowindow. Nano Letters, 2019.
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00364
JACS：通過原位Cu2+螯合策略增強雙硫侖的腫瘤特異性化療作用
具有抗腫瘤活性的雙硫侖(DSF)是被美國FDA批準的一種依賴于Cu2+的癌癥治療藥物。然而，人體內銅的分布往往錯綜復雜，外源性的銅也會誘導產生毒性副作用，這些都嚴重阻礙了DSF的臨床應用性能。中科院上海硅酸鹽研究所施劍林、于羅丹等人報道了一種利用原位Cu2+螯合來增強DSF癌癥化療效果的策略。
實驗構建了一種摻雜Cu2+、負載DSF的中空介孔二氧化硅納米顆粒，其在腫瘤微環境的溫和酸性條件下可以快速釋放Cu2+離子。并且一旦該納米粒子被腫瘤細胞內吞，它也會快速發生生物降解從而加速DSF的釋放。這種共釋放過程可以實現Cu2 +與DSF的原位螯合反應并產生有毒的CuET產物，同時產生的Cu+離子也會與高濃度的H2O2發生類芬頓反應產生活性氧(ROS)。體外細胞實驗和體內腫瘤治療實驗表明，通過在腫瘤內產生的高毒性CuET復合物和ROS，該材料可以實現高效的DSF腫瘤特異性化療。
Wencheng Wu, Luodan Yu, Jianlin Shi. et al.Enhanced Tumor-Specific Disulfiram Chemotherapy by In Situ Cu2+Chelation-Initiated Nontoxicity-to-Toxicity Transition. Journal of the American Chemical Society.2019
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b03503
Angew：光敏藍藻細胞增強PDT療效
在各種惡性腫瘤治療中，持續的腫瘤氧合作用是至關重要的，尤其是II型光動力治療(PDT)，其嚴重依賴于腫瘤內氧水平以產生活性氧。在此，中科院上海硅酸鹽研究所施劍林研究團隊通過光合藍藻細胞和Chlorine6(Ce6)光敏劑的雜交產生Ce6整合的光敏細胞，即ceCyan，為克服II型PDT腫瘤障礙提供了一種簡便的方法。
在單源激光(660 nm)照射下，藍藻細胞會通過光合作用持續產生O2，而整合的光敏劑會立即產生大量的活性單線態氧 (1O2)，從而可以在雜交細胞中同時實現對惡性腫瘤的破壞?；诩壜撗趸凸饷粜?，顯性細胞毒性和光動力學療法已在體外和體內成功被證明。這項工作為基于雜交微生物的生物相容性和有效的PDT提供了一個概念性和實踐性的范例，展示了微生物納米醫學在臨床PDT中的廣闊應用前景。
Minfeng Huo, Liying Wang, Linlin Zhang, et al.Photosynthetic Tumor Oxygenation by Photosensitized Cyanobacterial Cells forEnhanced Photodynamic Therapy. Angew.Chem. Int. Edit., 2019.
https://doi.org/10.1002/anie.201912824
面向能源/環境應用的無機光/電催化材料
ACS Catalysis: 引入Cu穩定CeO2-x中氧空位，并提高CO2的光催化還原活性
在半導體光催化劑的晶格中引入O空位可以改變其固有的電子性能和帶隙，從而提高可見光吸收率，促進光生電荷載流子的分離/轉移，從而提高氧化物半導體的光催化活性。此外，O空位有助于光催化劑表面吸附和活化CO2，但在光還原反應中，O空位容易被O原子填充。于此，施劍林研究員、張玲霞研究員等人通過引入了Cu以增加CeO2-x中O的空位濃度并促進CeO2-x的光催化活性。Cu/CeO2-x-0.1樣品在5 h照射下顯示出最高的光催化活性，CO產率為8.25μmol g-1，是CeO2-x的約26倍。根據拉曼光譜和X射線光電子能譜（XPS）的分析，已證明銅的引入有利于在光催化CO2還原過程中CeO2–x中O空位的化學穩定，這有助于改善和保持持續的光催化活性。
Min Wang, Meng Shen, Xixiong Jin, Jianjian Tian, et al. Oxygen Vacancy Generation and Stabilization in CeO2–x by Cu Introduction with Improved CO2 Photocatalytic Reduction Activity. ACS Catalysis 2019 9 (5), 4573-4581
https://doi.org/10.1021/acscatal.8b03975
Nat. Commun.：Ni-Mo-N/CFC納米片電催化劑用于同時生產氫氣和甲酸
由于日益嚴重的環境污染和能源危機，開發清潔和可再生能源/資源（例如太陽能，風能和氫能）引起了廣泛關注。氫氣是有吸引力清潔能源。通過電催化分解水制氫是一種有效且經濟的技術，但是由于其動力學緩慢和低附加值的陽極析氧反應而受到嚴重阻礙。過渡金屬基氮化物通常具有較低的電阻和較高的機械穩定性，被認為是有前途的電催化劑，并且在各種反應（例如OER，HER和ORR）中顯示出高的活性。
近日，中科院上海硅酸鹽研究所施劍林、華東師范大學陳立松等人報道了一種負載在碳纖維布（Ni-Mo-N/CFC）上的鎳-氮化鉬納米片催化劑(Ni-Mo-N/CFC)，該催化劑在低成本的堿性甘油溶液中可同時電解生產高純度氫（陰極上）和高附加值的甲酸（陽極上）。當在陽極和陰極都裝載Ni-Mo-N/CFC催化劑時，所建立的電解槽只需低至1.36 V的電池電壓就能達到10 mA cm-2的電流密度，比堿性水溶液低260 mV。此外，該催化劑生成H2和甲酸的法拉第效率分別高達99.7％和95.0％。該工作利用非貴金屬電催化劑同時在陰極和陽極生產高價值產品的策略，對可再生能源技術的發展具有重要意義。
YanLi, Lisong Chen*, Jianlin Shi,* et al. Nickel-molybdenum nitride nanoplateelectrocatalysts for concurrent electrolytic hydrogen and formateproductions. Nat. Commun., 2019
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13375-z
介孔與其他無機納米材料的設計、可控合成及物化性能
AM：硅烯的濕化學剝離合成及其納米醫學應用
硅基生物材料在生物醫學工程中具有不可替代的作用。然而由于硅缺乏多樣化的功能，硅基納米材料往往僅限于作為藥物遞送系統的載體。同時，硅基生物材料作為一種典型的無機材料，其較差的生物降解特性也阻礙了其在體內的生物醫學應用和臨床轉化。
中科院上海硅酸鹽研究所施劍林研究員、陳雨研究員等人通過濕化學剝離法合成了2 D的硅烯納米片，將傳統的0 D納米顆粒轉換為2 D材料系統。2 D硅烯納米片具有良好的理化性質，可以實現光觸發的治療和診斷成像，并具有很好的生物相容性和生物可降解性。研究結合基于DFT的分子動力學(MD)計算，對硅烯與生物環境相互作用的機理及其在特定模擬生理條件下的降解行為進行了討論。這一研究制備了一種新型硅基生物材料，并證明其具有生物可降解性、高的生物相容性、多功能性等優點，具有廣闊的臨床應用前景。
Han Lin, Yu Chen, Jianlin Shi. et al. Silicene: Wet-Chemical Exfoliation Synthesis and Biodegradable Tumor Nanomedicine. Advanced Materials. 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/doi/10.1002/adma.201903013
Angew：非層狀鎂低溫剝離為二維晶體
層狀前體的物理剝離是制備2D晶體最普遍的技術之一，然而，這種方法自然地被認為本質上不適用于非層狀體。中科院上海硅酸鹽研究所施劍林課題組確定了金屬鎂在低溫（CT）下的平面解理分化，并且開發了非層狀鎂到2D晶體的低溫剝離策略。研究發現，Mg晶格響應外部機械應力的解理各向異性源于CT誘導的基底滑動特異性的失活，其導致垂直于c軸的基底解理。剝離的新型2D Mg晶體表現出明顯的局部表面等離子體共振，對于捕獲和轉換太陽能的應用具有很大的潛力。
Chen Zhang, Yingfeng Xu, Ping Lu, ChenyangWei, et al. Cryogenic Exfoliationof Non‐layered Magnesium into Two-Dimensional Crystal.Angewandte Chemie International Edition, 2019.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201903485
施劍林研究員簡介
施劍林，中國科學院院士，1989年畢業于中國科學院上海硅酸鹽研究所，現任上海硅酸鹽研究所研究員，博士生導師，國家杰出青年基金獲得者，教育部“長江學者”特聘教授，曾擔任國家973項目首席科學家。
施劍林研究員長期從事無機納米材料合成及納米生物醫藥研究。設計合成系列用于靜脈給藥腫瘤治療的無機納米多孔結構/材料，基于此成功實現腫瘤細胞核靶向藥物輸運；開拓納米催化治療研究新方向。以通訊（含共同通訊）及第一作者發表SCI收錄論文460篇，論文他引33000余次，ESI高被引論文41篇，H因子106。2015年至今連續入選Thomson Reuters全球高被引作者。以首席科學家或負責人承擔納米重大研究計劃、973、863、國家自然科學基金重點項目等20余項；5項授權發明專利獲實施。培養杰青2人，優青1人。以第一完成人獲2011年國家自然科學二等獎1項、上海市自然科學一等獎2項和科學技術進步一等獎1項。介孔藥物輸運工作入選2005年度兩院院士評選的中國十大科技進展。
