一直以来，癌症都是威胁人类健康的主要杀手之一。目前临床上治疗癌症的方法（如化疗、手术切除和放疗等）会给病人带来极大的痛苦和严重的副作用。因此，临床急需能够有效治疗癌症的无创手段。由于超声具有无创性、极低的能量衰减和较高的穿透生物组织能力，在临床上已经被广泛应用于疾病诊断和治疗，如超声成像和声动力疗法等。
其中声动力疗法的主要机理是超声的能量能够触发声敏剂产生活性氧（ROS），从而杀伤病体细胞。
而钛酸钡（BTO）是一种宽带隙的铁电半导体，其结晶相主要是立方相和四方相。其中四方相BTO（T-BTO）是典型的压电材料，在压力作用下会产生极化，内部的电子和空穴会发生分离并产生电压，能够催化氧化还原反应。为了解决当前临床癌症治疗的问题，中科院上海硅酸盐研究所施剑林院士团队创造性的首次将超声与T-BTO压电纳米颗粒结合用于肿瘤治疗。
T-BTO在超声条件下能够产生极化，并产生较高的内部电场，从而有效促进ROS的产生，能够有效的杀死肿瘤细胞。由于该治疗方法具有无创性、稳定性能特点，未来有望取代现有的临床肿瘤疗法，大幅减轻癌症病人的痛苦。该研究以题目为“Piezocatalytic Tumor Therapy by Ultrasound-Triggered and BaTiO3-Mediated Piezoelectricity”的论文发表在《Advanced Materials》上。
【T-BTO的制备】由于这项研究工作中能够杀死肿瘤细胞的物质是ROS，而ROS在一定的电压下才能产生。因此，作者首先利用水热法制备了具有立方相的BTO，随后对其进行退火处理得到了具有压电性的T-BTO，如图1所示。得到的T-BTO的直径分布为106.91 ± 49.72 nm。
【T-BTO-Gel用于催化亚甲基蓝的分解】
为了验证压电催化效应的存在，作者首先研究了T-BTO在超声条件下对于亚甲基蓝的分解作用。从图2中所示，经过10min的超声处理，亚甲基蓝几乎没有分解（吸收峰强度Anorm= 92.96%，图2a）。加入T-BTO的样品经过10min超声处理后，Anorm降低到了58.64%。
此外，T-BTO在热凝胶中后仍然保持了较好的催化效率，Anorm为57.59%，说明热凝胶的存在没有影响T-BTO的催化作用。为了更直观的研究催化作用，作者采用ESR分析了各个样品在不同条件下的自由基含量，其中，只有T-BTO-超声的样品存在明显的•OH和•O2−峰，说明是超声引发了T-BTO的压电催化效应。
【T-BTO压电催化的机理】
为了验证压电催化效应起因，作者首先用PFM验证了T-BTO的压电性，如图3a所示。T-BTO展示出了典型的蝴蝶曲线，说明了压电相的存在。但T-BTO的自发极化较低，不足以催化产生ROS。随后，他们利用COMSOL模拟发现，在超声条件下，T-BTO上下表面的电势差能够达到0.45 V，足以使T-BTO的能带发生倾斜，从而引发压电催化反应产生•OH和 •O2−。
【T-BTO-Gel杀死乳腺癌细胞的定量结果】
为了更直观的检验T-BTO的治疗效果，他们首先对比了不同浓度T-BTO-Gel对于乳腺癌细胞的作用，发现仅仅增大T-BTO的浓度不会引起癌细胞数量的降低。而对其进行超声处理后，癌细胞的存活率仅为12.6%。从图4d也能够更直观的看出，T-BTO-Gel+US处理后，大部分癌细胞都被杀死，红色的数量较多。同时T-BTO-Gel+US处理后的ROS（呈现绿色）数量明显较多，与样品中癌细胞的死亡数量结果一致，也说明了压电催化T-BTO产生的ROS能够有效的杀死癌细胞。
【T-BTO-Gel治疗小鼠肿瘤的效果】
随后，他们利用T-BTO-Gel的压电催化疗法治疗小鼠肿瘤。如图5b所示，与对照组相比，T-BTO-Gel超声治疗的小鼠肿瘤在第五天后消失，并且没有复发。此外，照片中也可以明显的看出，T-BTO-Gel+US治疗后小鼠的肿瘤明显消失。同时，压电催化治疗后的小鼠能够生活40天，明显优于其余四组的小鼠，也说明T-BTO-Gel具有良好的生物相容性和显著的压电催化治疗效果。
总结：作者将超声疗法与压电钛酸钡结合，首次开发出无创压电催化疗法用于消除肿瘤。该方法显示出了较好的生物相容性和显著的治疗效果。有望未来用于替代传统的临床癌症疗法，极大减轻病人的痛苦并降低带来的副作用。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202001976
