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2022年 第11期  刊出日期:2022-11-20 上一期   
编者按  综述  研究论文  研究快报 
编者按
材料医学中的医学材料
陈雨 
2022 Vol. 37 (11): 1149–1150 摘要( 121 )   HTML( 27)     PDF(199KB)( 118 )

随着社会经济发展, 人们对疾病的预防、诊断、治疗和预后的要求日益提高。特别是, 新冠肺炎疫情爆发对人类生命健康造成了巨大威胁, 也给全球经济社会带来了明显冲击。生物材料(包括且不限于各种微纳米级生物材料和大量三维块体/植入体生物材料)领域的快速发展, 为解决医学健康问题提供了新的方向和可能性。但是, 生物材料的临床转化进展相对缓慢, 目前只有少量基于生物材料的产品获得了临床批准。

基于材料科学和临床医学的发展, 跨学科融合产生了一个新的学科——材料医学, 其从临床医学问题和挑战出发, 设计并制备满足直接应用目的/需求的生物材料/医用材料, 期望直接解决临床面临的关键问题。因此, 材料医学重点关注的是临床问题, 通过材料学的技术解决临床问题, 并进一步拓展至与临床医学直接相关的医用材料(医学材料), 包括医疗设备相关的材料体系等。一方面, 材料医学聚焦于解决传统医学面临的问题, 包括生物利用度低、治疗效果不理想、靶向特异性差和全身毒副作用等; 另一方面, 无机、有机和无机/有机杂化材料在微纳米尺度上具有独特的理化性质, 可被开发成多功能医用材料用于生物成像和疾病治疗。尤其是, 材料医学中的诊疗学将疾病诊断与治疗作为互补技术巧妙结合, 在影像引导下实现治疗和监控。其他基于材料医学发展的医学技术和医学材料, 例如组织工程材料、生物传感材料和抗微生物材料等, 也显现出巨大的潜力。尽管材料医学的各个分支都经历了爆炸式增长, 并为以更安全、更有效的方式进行疾病诊断和治疗提供了许多机会, 但其临床转化仍面临着一些关键挑战, 例如医学材料的可控制备、大规模生产和毒性评价, 体内生物屏障, 诊疗一体化和临床转化等。

近年来, 我国科研人员在医学材料的合理设计、制备、功能化修饰、理化机理探索以及生物医学应用等方面做出了许多代表性工作。为集中展示我国科学家在材料医学领域的最新研究成果, 激发社会各界对材料医学和医学材料的兴趣, 《无机材料学报》编辑部邀请上海大学陈雨教授担任特邀编辑, 以“医学材料”为主题出版专辑。本专辑收录了医学材料的最新综述文章和研究论文, 涉及压电半导体纳米材料、VA族单元素二维纳米材料、生物活性玻璃陶瓷、金属合金和氧化硅基杂化胶束等。希望本专辑能够抛砖引玉, 促进来自不同领域、不同学科背景的研究人员的合作, 共同推动材料医学这一新兴学科的发展, 以期改变和优化临床医学对各种疾病的诊断和治疗方式, 造福人类。

综述
材料医学和医学材料
黄慧, 陈雨 
2022 Vol. 37 (11): 1151–1169 摘要( 227 )   HTML( 20)     PDF(24409KB)( 261 )

临床医学和生物材料的蓬勃发展, 促进了多种疾病的诊断成像、有效治疗和精准诊疗。材料与医学交叉学科(简称“材料医学”)的发展旨在克服传统临床医学面临的主要障碍和挑战, 如系统性毒性、生物利用度差、靶向部位特异性低、诊断/治疗效果不理想等。本文系统地阐述了近年来各种医学材料在疾病诊断、治疗和诊疗方面的应用进展, 特别是纳米医学材料的研究进展。首先, 重点讨论癌症治疗领域的生物医学成像(如光学成像、磁共振成像、超声成像、计算机断层成像等)和治疗策略(如光热治疗、动力学治疗、免疫治疗、协同治疗等)。此外, 我们还重点介绍了医学材料对骨组织工程、呼吸系统、中枢神经系统等疾病的诊断和治疗的最新进展, 并重点阐述了用于生物传感和抗微生物等其他代表性生物医学领域的医学材料。最后, 我们讨论了这些独特的医学材料在实际临床转化和应用中所面临的挑战和未来的机遇, 以促进其早日实现临床转化, 推动医学进步和造福患者。

压电半导体纳米材料在声动力疗法中的应用进展
黄田, 赵运超, 李琳琳 
2022 Vol. 37 (11): 1170–1180 摘要( 273 )   HTML( 15)     PDF(19080KB)( 268 )

随着纳米医学的发展, 利用纳米材料在外源超声波的刺激下催化产生过量的活性氧物种(Reactive Oxygen Species, ROS)以治疗疾病的方法, 被称为声动力疗法(Sonodynamic Therapy, SDT), 已引起人们的广泛关注。目前, 开发可用于SDT的高效声敏剂用于提高ROS产率, 仍然是当前研究和未来临床转化的最大挑战之一。近年来, 得益于压电电子学和压电光电子学的兴起, 基于压电半导体纳米材料的新型声敏剂在SDT中崭露头角, 显示出良好的应用前景。本文从压电半导体的结构出发, 介绍了压电半导体纳米材料应用于SDT的机理研究, 以及利用压电半导体纳米材料作为声敏剂在声动力学癌症治疗及相关抗菌性能方面所取得的研究进展。最后, 本文对该领域存在的问题以及未来的发展趋势进行了展望。

VA族单元素二维纳米材料在生物医用领域的研究进展
雷伟岩, 王岳, 武世然, 石东新, 沈毅, 李锋锋 
2022 Vol. 37 (11): 1181–1191 摘要( 110 )   HTML( 18)     PDF(8388KB)( 128 )

纳米材料在不同技术领域均有广泛应用, 且在解决基础科学新发现上拥有巨大潜力。其中单元素构成的纳米材料因合成容易、制备简单而倍受关注, 尤其VA族二维单元素纳米材料(包括黑磷、砷烯等)的物理、化学、电子和光学特性优异, 在生物成像、药物递送和诊断治疗等生物医学领域应用前景广阔。本文总结了VA族二维单元素纳米材料的一般特性、合成和修饰方法, 重点介绍了其面向各种生物医学应用的纳米平台的研究进展, 最后, 讨论了其在生物医学领域所面临的挑战并展望了未来的发展方向。

中空有序介孔有机硅的研究进展: 制备及在肿瘤治疗中的应用
张文君, 赵雪莹, 吕江维, 曲有鹏 
2022 Vol. 37 (11): 1192–1202 摘要( 76 )   HTML( 8)     PDF(3411KB)( 67 )

随着介孔材料和生物医学的不断发展, 中空有序介孔有机硅(HPMOs)作为一种新型介孔硅材料, 具有高比表面积、高载药量、良好的生物相容性、多功能的有机-无机杂化框架、较低的细胞毒性以及可生物降解等特点,受到广泛关注, 以HPMOs为载体的药物递送系统得到多方持续开发, 为肿瘤治疗提供了新的策略。本文综述了近年来HPMOs的合成进展, 介绍了HPMOs的种类, 对硬模板法、液界面组装法和界面重组与转化法进行了详细的阐述, 并总结了其在肿瘤治疗中的应用进展。最后对其作为药物载体所面临的挑战及未来的发展趋势作了展望, 以期为HPMOs的制备及在肿瘤治疗中的应用研究提供参考。

研究论文
含铜硅酸钙纳米棒复合水凝胶用于肿瘤治疗和皮肤伤口愈合性能研究
吴爱军, 朱敏, 朱钰方 
2022 Vol. 37 (11): 1203–1216 摘要( 92 )   HTML( 15)     PDF(18922KB)( 118 )

为了清除皮肤肿瘤手术切除后的残余肿瘤细胞并促进皮肤伤口愈合, 开发一种具有肿瘤治疗和促进皮肤伤口愈合功能的水凝胶具有重要意义。本研究以水合硅酸钙纳米线为基体材料, 以NaCl和KCl为熔盐介质, CuSO4•5H2O为铜源, 采用熔盐法制备了含铜硅酸钙(Cu-CS)纳米棒, 并将其复合到海藻酸钠水凝胶得到Cu-CS纳米棒复合水凝胶(Cu-CS/SA)。实验结果表明, 随着铜盐添加量增大和熔盐处理温度升高, Cu-CS纳米棒的Cu含量逐渐上升, 但其催化过氧化氢(H2O2)生成羟基自由基(•OH)的性能呈现先升高后下降的趋势; 在3%铜盐添加量和熔盐处理温度700 ℃条件下所制备的3Cu-CS纳米棒具有最佳的催化性能, Cu元素均匀地分布在纳米棒表面, 其价态为+2价, 且Cu元素的含量极低, 仅为0.61%。细胞实验发现Cu-CS纳米棒含量不超过20%的复合水凝胶具有良好的生物相容性, 并且Cu- CS/SA水凝胶在模拟肿瘤微环境条件下能催化H2O2生成高细胞毒性的•OH, 进而实现化学动力学治疗肿瘤的效果, 同时还能促进血管内皮细胞和成纤维细胞的增殖和迁移。因此, Cu-CS纳米棒复合水凝胶有望用于皮肤肿瘤术后治疗。

钽离子注入对镍钛合金表面生物学性能的影响
吴凌, 谭继, 钱仕, 葛乃建, 刘宣勇 
2022 Vol. 37 (11): 1217–1224 摘要( 107 )   HTML( 8)     PDF(9843KB)( 147 )

镍钛合金血管支架植入后可引发血栓和支架再狭窄, 且对损伤的血管内壁无修复作用, 需进行表面改性赋予其抗凝血和促内皮化生物学功能。本研究采用等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D)技术将钽(Ta)注入至镍钛合金, 研究Ta离子注入对镍钛表面理化特性及生物学性能的影响规律。结果表明, 调控Ta离子注入时间, 可在镍钛表面分别构建含Ta、Ta/Ta2O5、Ta/Ta2O5-x/Ta2O5三种不同组分的改性层。各种改性样品中, 含Ta/Ta2O5-x/Ta2O5的改性镍钛表面亲水性均更好, 可提供更多细胞附着位点, 促进人脐静脉内皮细胞早期粘附和铺展, 并提高其增殖能力。相比仅含单质Ta的改性镍钛表面, 含Ta/Ta2O5-x/Ta2O5改性镍钛表面的血液相容性更高, 血小板粘附数量显著减少, 且基本保持为未被激活的球形状态; 各组改性表面的溶血率远低于5%阈值, 均未发生明显溶血现象。上述结果说明, Ta离子注入改性镍钛血管支架在降低血栓形成、加速内皮化方面具有潜在应用。

熔盐法制备含钴氯磷灰石及其抗氧化性能和细胞相容性研究
舒朝琴, 朱敏, 朱钰方 
2022 Vol. 37 (11): 1225–1235 摘要( 103 )   HTML( 8)     PDF(5217KB)( 103 )

生物活性陶瓷骨修复材料虽然具有优异的成骨性能, 但缺乏抗氧化应激的能力, 妨碍骨修复进程。本研究以β相磷酸三钙(β-TCP)粉体为原料, 采用LiCl-KCl熔盐体系, 以六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)为钴源, 利用熔盐法制备出含钴氯磷灰石(Co-MS-TCP)。通过Co-MS-TCP粉体清除过氧化氢(H2O2)分析了含钴氯磷灰石的抗氧化能力; 通过细胞活性、胞内活性氧(ROS)含量变化评价了材料的细胞相容性和细胞水平抗氧化性能。结果表明, 熔盐处理β-TCP粉体能够制备含钴氯磷灰石, 钴含量随CoCl2·6H2O加入量增加而增大; H2O2清除能力随氯磷灰石中钴含量的增加而增强, 6 h内对H2O2的清除率可达90%以上。细胞实验证实, 含钴氯磷灰石具有良好的细胞相容性和抗氧化性能, 1.5 mg·mL-1加3% Co盐的MS-TCP (3%Co-MS-TCP)即可保证软骨细胞和骨髓间充质干细胞存活率大于85%, 并且3% Co-MS-TCP可有效清除H2O2, 使得细胞内ROS含量显著降低。因此, 通过熔盐法制备含钴生物活性陶瓷是实现抗氧化应激的一种有效途径, 这也为开发催化活性高、生物相容好的功能化生物活性陶瓷提供了新的策略。

氧化硅基杂化胶束负载Flav7光热剂的合成与性能研究
池哲人, 张辽, 郭志前, 李永生, 牛德超 
2022 Vol. 37 (11): 1236–1244 摘要( 73 )   HTML( 10)     PDF(13637KB)( 106 )

近年来, 由于具有较好的近红外区吸收、结构可调等特点, 有机小分子光热剂在生物医药领域展示出广阔的应用前景。然而, 大部分有机小分子光热剂仍面临水溶性较差、生物稳定性不佳、光热转换效率较低等挑战。本研究发展了一种简便的合成方法, 制备了负载Flav7的氧化硅基杂化胶束(FPOMs)用于高效的光热治疗。首先利用嵌段共聚物PS132-b-PAA16自组装行为负载疏水近红外有机小分子Flav7得到胶束体系, 进一步引入3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)和聚乙二醇(PEG)对上述胶束体系进行结构固定和表面改性得到FPOMs。研究表明, 在808 nm波长激光的激发下, FPOMs展现出优异的光热稳定性和较高的光热转换效率(46.7%)。细胞实验证实FPOMs具有良好的生物相容性和光热毒性, 有望作为一类新型的纳米光热剂用于肿瘤高效安全光热治疗。

研究快报
掺钕介孔硼硅酸盐生物活性玻璃陶瓷骨水泥的制备与性能表征
陈铖, 丁晶鑫, 王会, 王德平 
2022 Vol. 37 (11): 1245–1258 摘要( 190 )   HTML( 9)     PDF(2237KB)( 230 )

骨肉瘤是一种常见的恶性骨肿瘤, 常通过手术切除进行治疗。但术后造成的骨缺损难以自愈, 残余肿瘤细胞还会增加复发可能性。本研究开发了一种用于修复骨缺损和协同治疗骨肉瘤的掺钕介孔硼硅酸盐生物活性玻璃陶瓷骨水泥。首先通过溶胶-凝胶法结合固态反应制备了可作为光热剂和药物载体的掺钕介孔硼硅酸盐生物活性玻璃陶瓷微球(MBGC-xNd), 然后将微球与海藻酸钠(SA)溶液混合制备了可同时进行光热治疗和化学治疗的可注射骨水泥(MBGC-xNd/SA)。结果表明掺Nd3+赋予微球可控的光热性能, 负载阿霉素(DOX)的微球显示出持续的药物释放行为。此外, 载药骨水泥的药物释放量随着温度的升高而显著增加, 说明光热疗法产生的热量可促进DOX释放。体外细胞实验结果表明, MBGC-xNd/SA具有良好的促成骨活性, 并且光热-化学联合疗法对MG-63骨肉瘤细胞起到了更显著的杀伤作用, 表现出协同效应。因此,MBGC-xNd/SA作为一种新颖的多功能骨修复材料, 在骨肉瘤的术后治疗方面具有良好的应用前景。