无机非金属生物材料是生物材料的主要类型之一, 在组织修复、肿瘤治疗、药物递送等生物医药领域应用广泛, 为国民生命健康做出了重要贡献。我国无机非金属生物材料的研究日渐繁盛, 但其生产和应用仍处于攻坚克难阶段。为了实现我国无机非金属生物材料的高质量发展, 提高其为国民生命健康保驾护航的硬实力, 本文通过战略研究, 分析了我国无机非金属生物材料研究应用的热点和难点问题。基于目前的发展机遇与挑战, 提出了在材料的独特性能设计、材料生物学效应研究、材料介导的新原理和新机制探索、智能个性化定制、大数据筛选和人工智能设计、标准化评价和监管等方面系统发展无机非金属生物材料的建议, 以期为无机非金属生物医药产品的发展提供指导并积蓄科研和人才力量。

牙科树脂因美观、安全和容易操作等优势, 已成为目前临床最常用的龋洞填充材料, 但仍存在机械强度较低、抗菌性能不足等问题, 导致使用寿命较短。本研究首先制备了放射状介孔二氧化硅(Radial mesoporous silica, RMS)粉体材料, 再将纳米银载入其多孔孔道中, 得到载银放射状介孔二氧化硅(Ag-RMS)。将Ag-RMS与牙科树脂复合, 研究其含量对牙科树脂抗菌性能、机械性能及其他理化性能的影响。结果表明, Ag-RMS可显著提高牙科树脂抗菌性能, Ag-RMS质量分数为5%时, 对变形链球菌的抗菌率已达99.68%。牙科复合树脂机械强度随Ag-RMS含量增加而逐渐升高, 质量分数为7%时, 复合树脂弯曲强度比树脂基体高28.16%。而且, 添加Ag-RMS不会对牙科树脂的聚合收缩率、单体转化率、光固化深度和表面亲疏水性等产生显著影响。本研究所制备的Ag-RMS可提高牙科树脂的抗菌和机械性能。

相比于功能单一且易催生细菌耐药性的抗生素等药物, 具有催化活性的无机纳米功能材料凭借自身对感染微环境(弱酸、高H₂O₂含量)或外部物理刺激(激光、超声)的高响应性和广谱杀菌等优势, 在致病菌感染的治疗中占据愈发重要的地位。然而, 感染微环境酸性微弱且不稳定, 光、声信号功率密度过高会对人体细胞造成伤害, 而诸如交变磁场等非侵入性、高组织穿透性和易于远程控制的信号类型及其介导的磁电催化在抗菌中的应用尚未见报道。本研究将基于磁致伸缩-压电催化效应的交变磁场响应性纳米催化策略应用于抗菌, 并使用含氮基团L-精氨酸(LA)修饰CoFe₂O₄-BiFeO₃磁电纳米颗粒(BCFO)表面, 以实现磁电响应可控释放强杀菌物种活性氮(RNS)。在交变磁场中, BCFO同时产生羟基自由基(·OH)和超氧阴离子(·O₂^-)两种活性氧(ROS), 前者与LA反应产生一氧化氮(NO), 后者与NO反应生成RNS物种过氧亚硝酸根(ONOO^-)。作为高活性的硝化和氧化剂, ONOO^-可在生物友好的交变磁场下展现出比ROS更强的抗菌能力。本研究证实BCFO能产生ONOO^-, 并发挥更强的杀菌功效。这一研究不仅将磁电纳米催化医学策略用于抗菌, 还通过ROS向RNS转变显著提升了材料的抗菌性能。

目前感染性骨缺损修复仍然是临床难题。本研究采用微弧氧化结合水热合成方法在纯铌表面原位构建氧化铌/硫化铁异质结涂层MN@FS。结果表明,该异质结不仅具有类酶活性, 而且在超声作用下具有声动力性能。在模拟细菌感染的酸性条件下, 超声可触发异质结声动力, 并增强类氧化酶活性, 产生多种活性氧以协同抗菌/清除细菌生物膜, 其抑菌率和清除率分别为98.57%和91.43%。在模拟生理条件下, 超声可触发异质结, 增强其类抗氧化酶活性, 清除活性氧, 缓解氧化应激, 促进骨髓间充质干细胞(rBMSCs)的增殖与成骨分化。综上, 该涂层材料在感染性骨修复方面具有广阔的应用前景。

癌细胞的全身性转移是目前癌症晚期患者的主要死亡原因。由于肿瘤细胞的快速增殖和细胞外基质的异常沉积, 晚期癌症大体积瘤体组织致密且刚度较高, 这为晚期实体肿瘤的治疗带来了极大的困难。一方面, 由于大体积肿瘤的结构特性, 使得常规药物难以渗透至其内部, 免疫细胞难以浸润; 另一方面, 硬基质上的肿瘤细胞具有更强的侵袭能力, 这容易引起肿瘤的全身性转移。为了解决这一问题, 本研究制备了乙二胺四乙酸(EDTA)插层锌铝双金属氢氧化物纳米材料(EDTA/LDH), 基于两个平行的Ca²⁺剥夺机制, 开展了EDTA/LDH材料体系对晚期大体积实体瘤的抗转移免疫治疗研究。该材料在肿瘤微酸环境中, 通过静电力作用贴附在肿瘤细胞膜上, 并释放EDTA以螯合细胞连接蛋白中的Ca²⁺, 切断部分细胞连接, 从而降低大体积瘤体的致密程度, 促进免疫细胞向瘤体内浸润。此外, 该材料在机体内被巨噬细胞作为“异物”吞噬, 引起钙库操纵性钙内流, 激活巨噬细胞抗肿瘤免疫效应, 抑制多形核髓系抑制性细胞(PMN-MDSCs)和调节性T细胞(Tregs)的促肿瘤侵袭作用。本研究将为晚期恶性实体瘤的抗转移治疗提供借鉴性思路和方法。

四氧化三铁(Fe₃O₄)磁性纳米颗粒因其制备简单, 在外加磁场作用下具有靶向性，并且表面易接枝等特性, 可作为被动靶向载体应用于基因治疗领域。本研究采用溶剂热法制备纳米颗粒, 并调控堆积生长时间, 制得粒径在4~9 nm范围内可控的油相Fe₃O₄纳米颗粒; 使用内消旋-2,3-二巯基丁二酸(DMSA)二次取代其表面的油酸分子, 使其具备良好的水相分散性; 通过酰胺化反应在其表面接枝支链型聚乙烯亚胺(PEI), 最终得到Fe₃O₄-DMSA-PEI磁性纳米颗粒。研究发现, Fe₃O₄-DMSA-PEI磁性纳米颗粒的表面Zeta电位高达(52.50±1.94) mV, 具有一定的超顺磁性(14.48 emu/g, 1 emu/g=1 A∙m²/kg)。磁性纳米颗粒与质粒DNA的质量比为15 : 1时可完全阻滞DNA在凝胶上的电泳, 装载量高达6.67%。本研究制备的Fe₃O₄-DMSA-PEI磁性纳米颗粒具有一定的基因负载能力, 有望作为基因载体应用于基因转染领域。

化学动力学疗法(CDT)利用肿瘤细胞内源性H₂O₂与芬顿催化剂反应生成高毒性的羟基自由基(•OH), 从而杀死肿瘤细胞, 但内源性H₂O₂不足和纳米粒子转运效率较低导致抗癌效果不理想。本研究制备了一种分散性良好、尺寸较小的铜掺杂介孔二氧化硅(Cu-MSN), 负载化疗药物阿霉素(DOX)和抗坏血酸盐(AA)后, 表面经叶酸(FA)和二甲基马来酸酐(DMMA)改性的壳聚糖(FA-CS-DMMA)以及羧甲基壳聚糖(CMC)包裹, 得到pH响应型靶向纳米催化剂FA-CS-DMMA/CMC@Cu-MSN@DOX/AA(缩写为FCDC@Cu-MSN@DA)。扫描电镜显示纳米粒子FCDC@Cu-MSN@DA粒径约为100 nm。体外48 h内Cu²⁺释放量可达80%, 药物DOX释放达到57.3%。释放的AA经自氧化后产生H₂O₂, 诱导Cu²⁺发生类芬顿反应, 从而增强CDT。细胞实验证明, FCDC@Cu-MSN@DA联合化疗药物表现出优异的抗肿瘤活性, 说明该多功能纳米催化剂在癌症治疗中具有潜在应用前景。

骨科钛内置物存在感染的风险, 需要开发具有抗菌性、生物相容性且不易产生耐药性的表面涂层。通过电泳沉积15、30、45、60 s在微弧氧化(MAO)的钛表面制备了4组纳米氧化镁(MgO)涂层。MgO颗粒在MAO表面形成均匀涂层, 覆盖率随电泳时间延长。与金黄色葡萄球菌共培养6 h后, 4组样品抗菌率分别为1%、69%、83%、84%; 共培养24 h后抗菌率分别为81%、86%、89%、98%。显微观察发现MgO沉积样品表面黏附细菌密度、活细菌比例均随沉积时间延长而减少。与小鼠成骨细胞共培养1 d后, 4组样品存活率(相对空白孔板中所接种细胞)分别为108%、89%、53%、27%, 5 d后分别为139%、117%、112%、66%。荧光显微观察发现MAO样品表面未见死细胞, 而MgO沉积样品表面死细胞比例随沉积时间延长而增加, 但在实验周期(5 d)内均<5%。本研究表明电泳沉积30 s制备的MgO涂层具有良好的体外抗菌性和生物相容性。

盖髓剂对于保存牙髓和治疗龋病具有重要作用。临床常用的三种盖髓剂的治疗效果存在较大差异, 如何依据病情选择恰当的盖髓剂亟需相关对比研究予以指导。本研究旨在对临床常用的三种盖髓剂: 齿科氧化锌丁香酚水门汀(ZnO)、自固化氢氧化钙(Dycal)和光固化氢氧化钙间接盖髓剂(Calcimol)的形貌、成分以及理化性能进行表征, 并通过体外细菌和细胞培养实验对其抗菌性和生物相容性进行对比评价。实验结果表明, 齿科氧化锌丁香酚的疏水性能较强, 其有效成分ZnO可持续释放Zn离子, 呈现出优异的抗菌性能; Dycal和Calcimol具有相似的结构形貌和成分, 但Dycal相对疏水, 能持续释放Ca离子, 在周围形成碱性微环境, 从而赋予其抗菌性和较好的生物相容性; Calcimol为亲水材料, 便于临床操作, 钙离子释放量少, 抗菌性稍弱, 但生物相容性优异。本研究结果为临床上以龋病程度及牙髓健康状况为依据，选择合适的盖髓剂提供了实验基础。

天然酶对维持生物体生命活动的正常运行具有重要意义, 但天然酶固有的缺点诸如不稳定、反应条件苛刻和提纯成本高等限制了其广泛应用。与天然酶相比, 具有高稳定性、低成本、便于结构调控与改性等优点的纳米酶吸引了科学家们的关注。纳米酶的类天然酶活性和选择性使其在生物医学、环境治理、工业生产等领域得到广泛应用。铜作为人体内必需元素和天然酶活性中心金属之一, 铜基纳米酶受到了人们广泛的关注和研究。本综述重点介绍了铜基纳米酶的分类, 包括铜纳米酶、氧化铜纳米酶、碲化铜纳米酶、铜单原子纳米酶和铜基金属有机框架材料纳米酶等, 并阐述了铜基纳米酶的酶学特性和催化机理, 总结了铜基纳米酶在生物传感、伤口愈合、急性肾损伤和肿瘤治疗等方面的应用, 最后对铜基纳米酶面临的挑战和未来的发展方向进行了总结和展望。

次氯酸(HClO)是一种活性氧(ROS), 在许多生理和病理过程中起着至关重要的作用。然而, 过量的HClO会导致组织损伤、动脉粥样硬化、神经退行性疾病甚至癌症。因此, 实时检测肿瘤细胞中HClO对于探索HClO在肿瘤进展以及免疫治疗中的作用具有重要意义。与目前常用的工艺复杂、水溶性差的有机分子探针不同, 本工作简单地将异硫氰酸荧光素(FITC)与中空介孔普鲁士蓝纳米粒子(HMPB)相结合, 构建了一种新型的无机亲水荧光纳米探针。由于内滤光效应, HMPB中FITC的荧光有一定程度的猝灭, 但通过Fe²⁺-ClO^-氧化还原反应可恢复荧光。 体外条件下, 加入HClO后, FITC在发射峰(520 nm)处荧光逐渐增强, HClO在5×10^-6-50×10^-6 mol/L范围内呈良好的线性关系, 检出限为2.01×10^-6 mol/L。此外, 在细胞水平上, 该纳米探针对癌细胞中的HClO显示出良好的特异检测能力, 且灵敏度高。

细菌和病毒一直对人类健康构成威胁。SARS-CoV-2已经在世界各地肆虐了近三年, 给人类健康带来了巨大危险。面对细菌的抗药性和抗生素治疗效果不佳等种种挑战, 人们迫切需要新的方法来对抗致病微生物。最近, 具有内在酶活性的纳米酶作为一种有前途的新型“抗生素”, 通过催化生成大量活性氧, 在生理条件下表现出卓越的抗菌和抗病毒活性。此外, 基于纳米酶的治疗中, 纳米材料在独特的物理化学特性(如光热和光动力效应)的帮助下可以增强治疗效果。本文综述了纳米酶在抗菌、抗病毒-方向的研究进展, 从机制角度系统总结分析了纳米酶消除细菌、病毒等微生物的原理, 对未来的新型纳米抗菌抗病毒材料的研发方向及其所面临的挑战进行了展望, 为开发下一代抗微生物感染纳米酶提供了思路。