《Advanced Science》：Boosting Photo-Pyroelectric Effect via Tunable Polarization and Interfacial Defect Engineering
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本文提出一种新型Ba(Ti0.85Zr0.15)O3（BTZ）热释电纳米催化剂，通过锆（Zr）掺杂实现极化调控以大幅提升热释电系数（ρ）至3505 μC m?2K?1，同时引入氧空位（VO）增强近红外II区（NIR-II）光热转换与界面催化活性。该协同策略在温和热循环（35°C–45°C）下通过热释电催化与类过氧化物酶（POD）活性产生多重活性氧（ROS），实现高效肿瘤消融，为精准肿瘤治疗提供了新思路。
引言：热释电催化的挑战与机遇
热释电材料通过温度变化引起的极化改变将热能转化为电荷，在红外传感、废热回收及医疗诊断等领域具有广泛应用。近年来，基于热释电效应（PCE）的电化学催化在肿瘤治疗领域展现出潜力，其利用环境温度波动产生的热释电电荷驱动表面反应，产生活性氧（ROS）如羟基自由基（•OH）、超氧阴离子（•O2?）和单线态氧（1O2）。然而，传统热释电材料面临两大瓶颈：一是本征热释电系数（ρ）偏低（通常低于1000 μC m?2K?1），限制了热-电转换效率；二是界面催化活性不足，缺乏高效反应物吸附与解离的活性位点。
钛酸钡（BaTiO3, BTO）虽具有较大极化和生物相容性，但其热释电系数较低（约200 μC m?2K?1），主要源于稳定的铁电畴抑制了极化随温度的变化率。通过等价离子取代可引入原子尺度晶格畸变，打破长程铁电有序，形成纳米畴或极性纳米区，从而在热波动下促进极化切换。锆（Zr）离子取代钛位点能够在保持钙钛矿结构的同时，通过足够晶格应变调节居里温度（TC），使其接近生理温度范围。分子动力学模拟表明，15% Zr掺杂的Ba(Ti0.85Zr0.15)O3（BTZ）在280–320 K范围内表现出快速的极化变化，热释电系数高达4910 μC m?2K?1，远高于纯BTO的150 μC m?2K?1。
BTZOX-P3纳米催化剂的设计与表征
研究通过水热法合成BTZ纳米颗粒，并用硼氢化钠处理引入氧空位，得到BTZOX。为提升胶体稳定性和生物相容性，通过层层自组装在BTZOX表面构建了三层聚合物涂层（PEI、PAA-PEG共聚物和PEG），最终产物记为BTZOX-P3。Zeta电位和动态光散射结果显示，涂层过程使纳米颗粒的水合粒径从约155 nm增至约220 nm，并在PBS中7天内保持稳定，无显著聚集。
透射电镜（TEM）图像显示BTZOX-P3为不规则球形颗粒，平均直径约140 nm，表面可见非晶壳层（与氧空位和局部晶格畸变相关）。选区电子衍射（SAED）图谱呈现（001）、（011）、（002）和（121）晶面对应的同心环，证实了多晶结构。元素分布图谱显示Ba、Ti、Zr在颗粒中均匀分布。X射线衍射（XRD）图谱显示BTO、BTZ和BTZOX均为纯钙钛矿结构，（002）峰向低角度偏移表明因更大离子半径的Zr4+取代Ti4+导致的晶胞膨胀。对BTZ的Rietveld精修表明其具有三方（R，13%）、正交（O，37%）和四方（T，50%）相共存的结构。
拉曼光谱显示，与BTO和BTZ的尖锐峰相比，BTZOX的信号展宽和减弱，表明氧缺陷引起的表面无序。X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（EPR）分析进一步确认了缺陷化学。O 1s谱中，529 eV的主峰对应晶格氧，约532 eV的卫星峰则对应吸附水以及氧空位和羟基的出现；BTZOX中O 1s A峰强度增加，表明表面氧空位增多并形成了2Ti3+-Vo缺陷团簇。EPR谱在g因子为1.999处观察到信号，对应于单电子俘获氧空位（Vo•）。压电力显微镜（PFM）表征显示，BTO和BTZOX纳米颗粒均呈现典型的蝶形振幅环和180°相位滞后环，证实了纳米尺度的铁电特性。
BTZ体系增强的热释电性能
热释电系数定义为ρ = (?PS/?T)σ,E，其中PS为自发极化，T为温度。为评估宏观电学性能，将纳米颗粒压片烧结成致密陶瓷进行表征。BTZ的最大ρ达到3505 μC m?2K?1，相比未掺杂样品（450 μC m?2K?1）提升近8倍，验证了Zr掺杂的有效性。实验值低于分子动力学模拟值（4910 μC m?2K?1），因模拟为理想单晶，而实验样品为多晶陶瓷，晶粒随机取向和晶界降低了宏观响应。
极化-电场（P-E）回线显示，掺杂样品具有更低的剩余极化和矫顽场，表明Zr掺杂削弱了铁电有序，降低了极化反转的能垒。温度依赖性P-E回线表明，BTZ的自发极化（PS）在30°C至50°C间急剧下降，产生了大的?P/?T。从PS-T曲线导数计算得到的热释电系数，BTO约为486 μC m?2K?1（与直接测量值450 μC m?2K?1吻合），BTZ则达到约1522 μC m?2K?1。介电谱显示Zr掺杂将居里温度（TC）降低至64°C，从而在更低的温度下增强热释电性能。与铋层状结构铁电体（BLSF）、钨青铜结构及其他钙钛矿材料相比，本研究中的BTZ体系表现出更优的热释电系数。S-T curves of BTO and BTZ. (g) Temperature-dependent dielectric constant of BTO and BTZ. (h) The comparison of the pyroelectric coefficient between different pyroelectric materials. (i) 3D free energy barrier along the polarization rotation path of BTZ. (j) 2D domain structures of BTO and BTZ, and their phase structures determination at 273 K.">
通过热力学分析和相场模拟进一步解释了实验结果。在室温下，BTZ中R、O、T相之间的能垒间隙很小（约6 J cm?3），表明极化各向异性降低且相变势垒减小。温度升高至40°C时，能隙进一步缩小至约4 J cm?3，表明畴结构对热波动更为敏感。相场模拟显示，BTO具有大的铁电畴，而BTZ则呈现R、O、T相在纳米尺度共存，极化矢量相互穿插。这种纳米畴构型提供了多种极化旋转路径，使得热波动更容易诱导极化切换。
光热-热释电效应
基于上述增强的热释电性能，系统评估了BTZOX-P3纳米催化剂的热释电催化特性。当暴露于1064 nm激光时，BTZOX-P3经历加热-冷却循环，非平衡极化电荷积累产生内置电场，驱动表面电化学反应并促进ROS生成。
光热响应测试显示，在808 nm和1064 nm（1.0 W cm?2）激光照射下，BTZOX-P3分散液的温升在1064 nm下显著更高，6分钟内升温约30°C，而PBS、BTO和BTZ分散液变化可忽略，证实了氧空位对NIR能量的高效热转换。在70秒照射后，BTZOX-P3溶液温度升高约10°C，随后在100秒内冷却回35°C，完成一次热循环。使用荧光探针2′,7′-二氯荧光素（DCFH）追踪重复热循环过程中的ROS产生，荧光强度在两个循环后显著上升，证实了加热/冷却过程中的累积ROS形成。使用其他探针（APF检测•OH，SOSG检测1O2，DHR123检测•O2?）的结果表明，•OH和•O2?是生成的主要自由基。此外，BTZOX-P3表现出类过氧化物酶（POD）活性，在H2O2存在下，•OH生成量增加了1.37倍，表明NIR-II激发的热释电活性不仅触发热释电催化，还加速了类芬顿途径，导致ROS的快速爆发。
电化学分析进一步阐明了这一过程。在没有光照射的加热-冷却循环中，记录到热释电流信号，温度微小变化（1°C–5°C）即可引起电流的急剧增加。在1064 nm照射下，观察到显著的热释电流，源于光到热再到电的顺序转换。在没有NIR照射的情况下，通过DCFH荧光也证实了纯PCE产生的ROS形成。与原始BTO相比，BTZ在生理相关的35°C–45°C温度范围内产生的ROS量大约是其两倍，这归因于其更优的PCE性能。2O2using APF probe indicating the generation of •OH. (i) Schematic of the electrochemical workstation setup. (j) Pyroelectric current of BTZOX-P3 by a sudden rise of 5°C in temperature. (k) Pyroelectric current of BTZOX-P3 under 1064 nm laser on/off irradiation. (l) Pyroelectric current of BTZOX-P3 by a rise in temperature step-by-step. (m) PL intensity of DCFH incubated with BTO or BTZ dispersion after two heating/cooling processes (35°C–45°C).">
增强热释电催化性能的机制
为了深入理解BTZOX-P3增强的热释电催化效应，进行了理论计算。首先，利用密度泛函理论（DFT）计算分析了BTO和BTZ的能带结构。Zr掺杂引起了导带底（CBM）处电荷密度的显著重分布，降低了电子结合能，促进了催化过程中的电子迁移和转移，提高了整体催化转化效率。同时，Zr掺杂降低了CBM能级，将带隙从3.26 eV缩小至3.12 eV。带隙的减小使得在热释电催化中，热波动下电子-空穴对的产生所需能量降低，提高了载流子生成效率。紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和Tauc图谱实验证实了带隙变窄，BTO的光学带隙为3.29 eV，BTZ为3.15 eV，减少了0.14 eV，与DFT预测相符。
通过价带X射线光电子能谱（VB-XPS）确定了BTO和BTZ的价带（VB）。根据公式ENHE= Φ - EVBM+ 4.44（其中Φ为XPS功函数，本工作中为4.2 eV），计算得到BTO和BTZ的价带顶（VBM）分别为1.86 V和1.99 V（vs. NHE）。因此，BTO和BTZ的导带底（CBM）分别为-1.43 V和-1.16 V。BTZ的这种能带结构有利于高效生成•OH和•O2?，因为其VBM高于OH?/•OH的氧化还原电位（1.5 V），而CBM低于O2/•O2?的还原电位（-0.33 V）。
在催化反应中，表面活性位点与反应物底物之间的吸附行为至关重要。计算了羟基（OH?）在BTO和BTZ表面的电荷密度差分，平面平均电荷密度差分分析显示，Zr-OH体系在垂直于表面方向上表现出更大的振荡幅度，反映了Zr掺杂引起的电荷从面内（平行）积累向更陡峭的面外梯度的重新分布，这种各向异性的电荷重排优化了吸附能，增强了界面电荷转移。
除了阳离子掺杂，还通过引入界面氧空位作为催化活性位点，并研究了H2O在BTZ和BTZOX上的吸附行为。DFT计算揭示了两种不同的H2O吸附模式：分子吸附在BTZ表面（吸附能：-1.23 eV）以及在氧空位位点的解离吸附（吸附能：-9.83 eV）。在解离吸附过程中，水分子在空位处裂解，OH?填补空位，H+与相邻的表面氧结合。氧空位促进了解离吸附，将结合能增强了8.60 eV。平面平均电荷密度差分分析也证实了Vo-H2O体系在垂直于表面方向有更大的振荡幅度，确认表面氧空位是水分子活化的关键活性位点，进一步增强了热释电载流子作用下的•OH生成。
此外，利用有限元法（FEM）模拟进一步考察了BTZOX-P3纳米催化剂的热释电特性。构建了一个计算模型，包含一个立方水体（尺寸3000 nm）和位于其中心的球形BTZOX-P3颗粒。模拟结果显示，在加热和冷却阶段，BTZOX-P3极性面之间的电势差分布紧密跟随温度变化。在最高温度点，开路电压达到最大值0.562 V。这些发现表明，BTZOX-P3中电势随热变化而产生的波动，为材料表面持续的氧化还原反应提供了足够的驱动力。2O adsorbed on BTZ and BTZOX. (j) Adsorption energy of H2O on BTZ and BTZOX. (k) Schematic of the FEM simulation. (l) Selected temperature stage in the periodic thermal cycles, and (m) the corresponding distribution of pyroelectric potential of BTZOX-P3 NPs by finite element modelling.">
为了阐明增强的光热-热释电催化活性的基本原理，ROS生成机制被示意图解。在生理微环境中，BTZOX-P3表面丰富的氧空位作为特异性活性位点，有效吸附H2O2、H2O和OH?等反应物。在NIR-II激光循环照射下，周期性温度波动触发BTZOX-P3的热释电效应，建立内置电场，驱动电子（e?）和空穴（h+）分离并迁移至表面。BTZ的CBM位于-1.16 V（vs. NHE），显著负于O2还原为•O2?所需的电位（-0.33 V）以及H2O2单电子还原为•OH的电位（+0.73 V）。因此，光生电子可以自发触发这些还原反应。同时，BTZ的VBM位于+1.99 V。因此，光生空穴可以捕获吸附的OH?（表面氧化电位约为+1.5 V）以生成•OH。能带结构调控和界面优化的协同效应，显著放大了周期性温度变化下的热释电响应，最终使ROS生成量呈数量级增加。
体外抗癌性能评估
受BTZOX-P3纳米催化剂优异的热释电行为和ROS生成能力激励，进一步在体外评估了其治疗潜力。首先通过CCK-8法检测了细胞相容性，结果显示，即使在300 μg mL?1浓度下，BTZOX-P3对小鼠成纤维细胞（L929）和4T1乳腺癌细胞均显示出可忽略的细胞毒性效应，验证了其优异的细胞相容性。在1064 nm激光照射5分钟（记为1L）的条件下，培养基温度从35°C升至45°C，导致4T1细胞存活率降低约50%。重复照射两个循环（2L）进一步增强了细胞毒性反应，凸显了显著的光热-热释电效应。活/死染色支持了这些发现：1L处理后观察到明显的细胞死亡（红色荧光），2L暴露后几乎发生完全消融。
为了探究细胞内ROS产生，用2′,7′-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）处理细胞。被ROS氧化后，探针发出绿色荧光。当细胞单独暴露于BTZOX-P3或单独激光照射时，检测到微弱信号，而联合处理产生了强烈的绿色荧光，且在两个循环后强度增加，表明诱导了大量ROS。DCFH-DA荧光的流式细胞术分析证实了BTZOX-P3+2L组的这种增强。使用Annexin V和碘化丙啶（PI）双染进一步评估了细胞凋亡途径。与对照组相比，BTZOX-P3+L和BTZOX-P3+2L组显示凋亡细胞群显著增加，早期凋亡率上升至42.57%，晚期凋亡率达到70.67%，与CCK-8结果一致。溶血实验表明BTZOX-P3不会引起显著的红细胞损伤，排除了血液相容性方面的主要担忧。
体内治疗性能评估
由于强大的NIR吸收和高效的光热转换能力，BTZOX-P3可作为稳健的光声（PA）成像造影剂。检测到清晰的PA响应，并显示出浓度依赖性的线性增加。通过静脉注射系统给药后，监测肿瘤组织内的PA信号，在注射后约8小时达到最大强度。BTZOX-P3在肿瘤部位的积累可归因于增强的渗透和滞留（EPR）效应。这些观察结果表明BTZOX-P3在PA引导的治疗干预方面具有巨大潜力。
在随后的动物实验中，将携带4T1肿瘤的小鼠随机分为五个治疗组。基于PA成像确定的时间点，在注射后8小时对肿瘤区域进行1064 nm激光照射。热成像显示，整个过程中肿瘤表面温度保持在45°C以下。每隔两天记录肿瘤进展和体重。值得注意的是，BTZOX-P3+L或BTZOX-P3+2L治疗组表现出显著的肿瘤抑制效果，后者实现了97.7%的生长抑制率。记录了小鼠的生存曲线，显示BTZOX-P3+L或BTZOX-P3+2L治疗组延长了生存期。切除的肿瘤随后拍照并称重以进一步评估。任何组均未观察到明显的体重下降，表明可接受的全身安全性。
为了进一步评估生物安全性，在第7天测量了血液生化标志物，包括肌酸激酶（CK）、乳酸脱氢酶（LDH）、尿酸（UA）、肌酐（CR）、天冬氨酸氨基转移酶（AST）和丙氨酸氨基转移酶（ALT），所有数值均与对照组相当。主要器官（心、肝、脾、肺、肾）的组织学检查（H&E染色）显示无病理异常，支持了无全身毒性的结论。肿瘤组织的组织学分析提供了进一步的机制见解。BTZOX-P3+L和BTZOX-P3+2L组的H&E染色样本显示出广泛的坏死损伤，特征为细胞质空泡化、细胞间隙增大、核固缩和细胞质崩解，后者组损伤更严重。此外，Ki-67免疫染色和TUNEL检测证实，联合治疗显著降低了肿瘤细胞的增殖活性，同时显著促进了肿瘤细胞凋亡。
这些综合结果表明，BTZOX-P3纳米催化剂具有较强的抗肿瘤功效和优异的生物相容性，凸显了其作为NIR-II窗口激活的光热-热释电治疗剂的潜力。这种结合极化调控和界面活化的协同工程策略，为下一代热释电纳米疗法提供了可推广的蓝图。
讨论
BTZOX-P3的良好治疗效果源于对晶格本征动力学和界面缺陷化学的精准协同工程。结果表明，15%的Zr掺杂不仅是结构修饰，更是热力学能量景观的关键调节器。通过将居里温度（TC）调节至生理窗口并诱导多相共存，最大限度地提高了极化对温度波动的敏感性（dP/dT），从而获得了高达3505 μC m?2K?1的热释电系数。这种本征增强确保了在温和热刺激下强大的电荷载流子分离驱动力。互补地，引入氧空位起到了双重作用：它缩小了带隙，将光吸收延伸至具有深层穿透性的NIR-II区域，并创造了不饱和的表面位点，显著降低了H2O和OH?的吸附能。这种协同作用克服了传统热释电催化的两个主要瓶颈：电荷生成效率低和表面反应动力学缓慢。
BTZOX-P3的ROS生成机制代表了一系列能量转换事件的级联反应。在1064 nm激光照射下，缺陷丰富晶格中激发电子的非辐射弛豫产生局部热量，形成快速的时间温度梯度。与传统光催化仅依赖光子能量激发电子-空穴对不同，本系统主要利用这种热波动。温度变化改变了BTZOX-P3纳米畴的自发极化强度，破坏了表面电荷平衡并建立了内置电场。热力学能带对准分析证实，导带电位足以驱动O2和H2O2的还原，而缺陷调制的价带促进了OH?的氧化。热释电场有效抑制了这些热诱导载流子的复合，确保了反应性氧物种（•OH和•O2?）的连续、高通量输出，用于肿瘤消融。
结论
本研究通过同时调控本征铁电极化和界面反应性，提出了一种构建高性能热释电纳米催化剂的稳健策略。通过Zr掺杂，BTZ的居里温度（TC）被精确调节至生理窗口附近，伴随着相汇聚和极化对温度波动敏感性的增强。这导致了高达3505 μC m?2K?1的热释电系数（ρ），是原始BTO的8倍以上，实现了在温和热循环下高效的热-电能量转换。为了解决表面催化效率低下的第二个瓶颈，引入了氧空位，增强了NIR-II光热吸收，并创造了丰富的不饱和活性位点用于解离吸附H2O。DFT计算证实，带隙变窄、各向异性电荷重分布和缺陷诱导的水活化途径之间的协同相互作用，显著提高了ROS生成效率。在NIR-II照射下，BTZOX-P3实现了时空可控、可重复的光热-热释电ROS爆发，在体外和体内均触发了有效的肿瘤细胞凋亡，同时保持了最小的全身毒性。精确热响应性和放大氧化还原反应性的双重优势，使BTZOX-P3成为ROS介导的肿瘤治疗的有前景的平台。这些发现不仅推进了动态催化在生物医学领域的前沿，也为更广泛治疗背景下的精准ROS工程铺平了道路。
