近年来,癌症的发病率和死亡率呈现逐年递增态势,已成为威胁人类生命健康的头号杀手。如何破解肿瘤治疗的难题,是当今世界共同关注和亟待解决的重大科学问题之一。融合多学科的技术和理念,发展新型高效的肿瘤治疗技术,是破解当前肿瘤困局的重要研究方向。随着纳米科技的快速发展,具有独特物理化学性质和丰富结构与功能设计性的纳米材料,在肿瘤治疗中展现出有别于传统药物的独特优势,尤其是纳米材料的高催化活性,为肿瘤高的特异性和高效治疗带来了曙光。恶性肿瘤的无限生长依赖于细胞内无时无刻不在进行的生化反应,其核心是酶的催化反应。因此,利用肿瘤独特的化学微环境特点,将催化化学的理念引入肿瘤治疗中,设计肿瘤内特定催化反应,利用纳米催化剂将肿瘤内源性分子催化转化为具有抗肿瘤活性的新物质,开发新型催化肿瘤治疗技术,将为恶性肿瘤的高特异性治疗带来希望。根据恶性肿瘤微环境偏酸性和高H2O2含量的特点而开发的基于芬顿或类芬顿反应的化学动力学疗法（Chemodynamic therapy,CDT）,是一类极具开发潜力的新型肿瘤治疗技术。然而,传统纳米催化剂在肿瘤微环境条件下较低的催化反应活性,是制约化学动力学疗法发展的关键瓶颈问题。开发新型高效纳米催化剂和高效催化技术,是提高肿瘤治疗效果和推动化学动力学疗法发展的关键。在催化领域中,调控催化剂活性中心的电子态,是优化催化反应活性的有效途径。异质结纳米材料因其独特的界面效应,在电子调控方面具有独特的优势。因此,从催化剂电子态调控角度,设计开发新型高效的异质结催化材料体系和电子态调控策略,提升化学动力学疗法的治疗效果,具有重要的学术价值和临床意义。本论文聚焦于新兴的化学动力学疗法对高性能催化剂的迫切需求,将催化化学的理念引入肿瘤治疗中,巧妙利用肿瘤微环境的化学特点,提出利用异质结材料的电子态调控策略提高催化活性的核心思想,设计开发了一系列新型的异质结纳米材料,系统探究了异质结电子调控在肿瘤内实现高催化反应活性的关键科学问题。主要研究内容如下:1、基于Fe@FeOx-Cu2O异质结的内建电场驱动“自修复”共催化策略,用于高效化学动力学疗法。针对肿瘤化学动力学疗法中催化剂Fe3+到Fe2+(或Cu2+到Cu+)转化速率慢、反应活化能高以及转化过程需要消耗瘤内有限的H2O2等影响疗效的关键瓶颈问题,在本章研究中,借助于新型Janus结构Fe@FeOx-Cu2O异质结纳米颗粒,首次提出了双金属催化剂自修复共催化机制的创新策略,实现了无p H依赖性的高效化学动力学疗法。该策略具备以下特点:（1）材料结构的创新性:以非晶Fe@FeOx纳米球形颗粒为种子和还原剂,利用置换反应在其表面生长超小Cu纳米颗粒,继而通过有限氧化反应,得到了新型的Fe@FeOx-Cu2O异质结,其中,单质Fe核起到阻止Cu2O进一步氧化的作用。（2）双金属共催化机制的创新性:铁基非晶结构表面及Cu2O具有丰富的Fe（II）和Cu（I）催化活性位点,赋予材料高效催化芬顿和类芬顿催化反应的功能;芬顿反应过程中,在异质结表面产生的正电性Fe（III）和Cu（II）,与零价Fe核之间构成内建电场,在电场力驱动下,电子从Fe核向表面迁移,表面的Fe（III）和Cu（II）得到电子,被还原恢复为高催化活性Fe（II）和Cu（I）,巧妙赋予该材料体系在芬顿和类芬顿反应中自循环恢复的独特性。（3）突破常规CDT依赖肿瘤酸性微环境的瓶颈:异质结的Fe（II）-Cu（I）双金属共催化机制,确保了其在肿瘤不同p H区均可以催化产生羟基自由基（·OH）,进而实现了整个肿瘤区的高效治疗。值得一提的是,本章详细探究了新型Fe@FeOx-Cu2O异质结的独特置换合成机理:（1）与结晶Fe相比,非晶态结构有效克服晶格错配度的影响,进而实现了Cu在非晶表面的形核和生长;（2）置换法在180～230℃宽域温度区间内实现异质结的合成,随着反应温度升高,置换反应动力学过程加快,Cu的尺寸随之增加。水溶液、肿瘤细胞和荷瘤小鼠实验结果均表明,相比于将Fe@FeOx和Cu2O纳米颗粒简单物理混合的策略,Fe@FeOx-Cu2O异质结表现出明显提升的芬顿和类芬顿催化效率,实现了CDT对乳腺癌肿瘤的高效治疗。该工作发展了一种基于置换反应的新型高质量、单分散异质结纳米颗粒的合成方法,将为新型异质结的设计与合成提供借鉴;同时,提出了基于异质结内建电场驱动的“自修复”共催化的创新策略,将为宽域p H范围共催化剂的开发及其在整个肿瘤区域内的高效CDT治疗提供借鉴性思路。2、基于Au-Fe异质结的“纳米原电池”效应驱动高效化学动力学疗法。针对肿瘤化学动力学疗法中Fe3+到Fe2+转化速率慢,难以持续快速提供Fe2+用于瘤内芬顿反应的关键瓶颈问题,受启发于经典的金属原电池反应,本章设计合成了新型偏心核@壳结构Au@Fe异质结（E-Au Fe）,作为肿瘤微环境特异性响应激活的纳米原电池,提出了利用纳米原电池效应驱动芬顿反应的创新策略,实现了不依赖于Fe3+还原的高效肿瘤化学动力学疗法。该策略具备以下特点:（1）材料结构的创新性:偏心核壳结构E-Au Fe巧妙地将Au的表面隐藏,类似于电池的“包装”,该结构有效避免纳米原电池在体内输运过程中发生原电池反应的毒性和到达肿瘤区前的电池失效;E-Au Fe异质结中Fe壳最薄处仅有1～2 nm,在肿瘤酸性微环境中,随着表面Fe的溶解,暴露出Au的表面,继而激活纳米原电池效应（Fe为负极,Au为正极）;（2）纳米原电池效应驱动催化反应机制的创新性:根据原电池反应中氧化和还原半反应的分离特性,在Fe负极发生加速的氧化反应,持续快速产生Fe2+,继而催化H2O2分解产生·OH;与此同时,负极反应产生的电子,通过界面传递到正极Au的表面,也可以催化H2O2分解产生·OH,进而实现了在原电池两极同时快速产生·OH;（3）突破了常规化学动力学疗法对Fe3+还原依赖的瓶颈:利用原电池负极反应,持续快速提供Fe2+用于芬顿反应,避免了传统催化剂需要将Fe3+还原的技术难题。值得一提的是,借助于实验和理论计算,详细探究了Au种子颗粒表面能和异质界面能两大因素分别对Fe异质形核的影响:（1）随着Au种子颗粒表面能或异质界面能的降低,Fe对Au的润湿性随之提高,异质结结构逐渐由Janue型向中心核@壳型衍变;（2）分子动力学和吸附热力学计算发现,Fe倾向于在Au的（200）和（220）晶面形核生长,（111）面不利于Fe的形核。利用上述独特的合成法,成功制备了一系列不同结构的Au-Fe异质结（包括E-Au Fe）。在模拟肿瘤微环境的水溶液实验中,证明了E-Au Fe在10小时左右暴露出Au表面,并激活原电池反应。水溶液、肿瘤细胞和荷瘤鼠实验结果均表明,相比于中心核@壳结构的C-Au Fe（无原电池反应）,E-Au Fe和Janus结构J-Au Fe均表现出明显提升的芬顿和类芬顿催化效率,实现了化学动力学疗法对乳腺癌的高效治疗。该工作发展了一种基于种子表面能和界面能调控策略合成不同结构纳米异质结的有效合成方法,将为纳米异质结的结构调控提供理论和方法上的借鉴;同时,提出了基于纳米原电池效应驱动高效催化的创新策略,将为用于肿瘤内新型高效CDT的催化剂设计开发提供借鉴性思路,也为开拓纳米级原电池应用于其它领域提供了启示。3、基于FePt-FeC异质结的磁场驱动“电子涡流效应”用于磁-电增强高效化学动力学疗法。针对CDT因恶性肿瘤细胞快速无限增殖特性对·OH的抵抗,而导致疗效受限的瓶颈问题,本章基于新型Janus结构FePt-FeC异质结,借助于交变磁场诱导电子涡流效应原理,提出了磁-电增强催化的创新策略,通过诱导恶性肿瘤细胞的衰老,显著提升了肿瘤化学动力学疗法疗效。该策略具有以下特点:（1）材料合成方法的创新性:以FePt立方体纳米颗粒为种子,通过在高能位点选择性异质形核和取向生长,合成了Janus结构的FePt-Fe3O4异质结,进而首次在液相中实现了对Fe3O4的碳化反应,成功制备了Janus结构的FePt-FeC异质结纳米颗粒;（2）异质结组成和结构的创新性:由FePt磁性合金和FeC磁性金属间化合物组成的异质结,具有良好的磁性和导电性,有助于在交变磁场下诱导产生涡流效应;值得一提的是,由于FePt的功函数高于FeC,二者之间功函数差异将驱动涡流电子向FePt偏移;（3）电子涡流效应驱动催化反应机制的创新性:在交变磁场下,磁电感应原理赋予异质结产生电子涡流的功能,在异质结的界面处（尤其是FePt一侧）产生了明显的电荷聚集现象,Pt和Fe催化活性中心电荷密度的显著提高,使其NAD+催化加氢反应活性提高了约3.5倍,类芬顿反应·OH产率提升了约1.6倍;（4）诱导细胞衰老联合CDT的创新性:肿瘤细胞内NAD+/NADH比例的严重失调,诱发肿瘤细胞逐渐衰老,使其对·OH的抵抗性降低,进而显著提升了CDT对恶性肿瘤的治疗效果。有限元模拟和粉末磁热实验结果表明,在交变磁场下,FePt-FeC异质结可以产生涡流效应。水溶液、肿瘤细胞和荷瘤鼠实验结果均表明,与不加磁场相比,在生物安全的交变磁场下,FePt-FeC异质结对NAD+催化加氢反应和类芬顿反应的催化效率显著提升,实现了诱导肿瘤细胞衰老显著提升化学动力学疗法对乳腺癌肿瘤的高效治疗。该工作开创了在溶液相中实现Fe3O4可控碳化的合成方法,并可用于对异质结中Fe3O4组分的有效碳化,将为碳化铁及其异质结的可控合成,提供理论和方法的支持。本研究提出了磁-电增强催化反应的异质结设计原则和可行性方案,为生物安全的交变磁场在生物医学领域的应用开辟了新的路径,该策略也将为探索其它催化领域高催化反应活性方案提供方法和思路上的借鉴。