生物医学应用的氧化纳米颗粒的工程技术
氧化物纳米颗粒在生物医学研究中引起了极大的关注，因为有许多可用的合成方法和高度可调的物理化学性质，使生物系统中的多种功能成为可能。这些纳米颗粒可以根据其生物医学应用的特性大致分类。例如，磁性氧化物纳米颗粒在核磁共振成像中主要用作造影剂，并作为产生热、机械力或治疗用电的介质。催化氧化物纳米颗粒可以产生或消除活性氧，这是许多生物过程的核心。多孔氧化物纳米颗粒擅长装载染料或药物分子，使其成为生物成像和治疗干预的宝贵资源。
2025年1月29日，
韩国基础科学研究所纳米粒子研究中心
Taeghwan Hyeon
课题组在
Nature Reviews Materials
中发表题为“Design of oxide nanoparticles for biomedical applications”的综述文章。
在这篇综述中，作者重点介绍了为生物医学应用量身定制的氧化纳米颗粒的制造和先进工程技术。作者主要专注于氧化铁，二氧化铈和二氧化硅纳米颗粒，深入研究其诊断和治疗潜力。作者还讨论了未来的前景和必须解决的挑战，以满足临床需求。
【文章要点】
一、用于生物医学应用的氧化纳米颗粒
生物医学应用的纳米颗粒根据其组成可大致分为有机和无机两大类。有机纳米颗粒，包括脂质纳米颗粒和聚合物纳米颗粒，是由含碳有机分子合成的。相比之下，无机纳米颗粒通常由非碳基化合物制成，如金属和类金属。这些无机纳米颗粒又进一步分为氧化物纳米颗粒和非氧化物纳米颗粒。氧化物纳米颗粒由氧和另一种金属或类金属元素组成，包括氧化铁、氧化铈和二氧化硅纳米颗粒。本文综述了纳米氧化物的研究进展，并根据其在生物医学上的应用将其分为三类:磁性纳米氧化物、催化纳米氧化物和多孔纳米氧化物。这些纳米颗粒通过产生热量、机械力或电力被广泛用于治疗各种疾病、调节活性氧和促进药物输送。虽然光学和电学性质等其他特性对生物医学应用也很重要，但非氧化物纳米颗粒通常更适合这些用途。为了获得与氧化物纳米颗粒相似的特性，它们通常与其他材料相结合。例如，多孔氧化物纳米颗粒可以通过将荧光染料加载到其孔中来用于光学成像。
图1 用于生物医学应用的氧化纳米颗粒
二、医用氧化纳米颗粒的制备
氧化物纳米粒子在医疗领域的广泛应用，得益于湿化学合成方法的发展。这些方法如热注入、加热、共沉淀和Stöber法等，可以精确控制纳米粒子的尺寸和均一性。进一步研究发现，使用表面包覆剂可以调节单体的扩散和吸附，从而更好地控制尺寸、分布和形状。尽管合成过程中使用表面包覆剂可以防止凝聚，但纳米粒子在生物环境中仍会与蛋白质等生物大分子发生吸附，形成"蛋白冠层"。进入血液循环后，纳米粒子需要靶向病变部位，并完成细胞摄取、内吞小体逃逸等过程，才能发挥预期功能。这需要被动靶向、主动靶向和内源性靶向等定制策略，但各种清除途径(肾脏排出、网状内皮系统清除、肝胆排出)限制了纳米粒子抵达靶器官的量。值得庆幸的是，研究表明，氧化铁和二氧化硅等氧化物纳米粒子具有良好的生物相容性。
图2 静脉注射纳米颗粒的体内旅程
三、磁性氧化物纳米颗粒
磁性氧化物纳米粒子作为MRI对比剂的应用：超小铁氧化物纳米粒可提高T1 MRI的生化特异性、信噪比和安全性。通过引入生物分子响应基团，可实现分子响应型MRI，用于早期精准诊断。磁性氧化物纳米粒子还可用作磁粒子成像(MPI)的可视化追踪剂。磁热性氧化物纳米粒子的应用：通过磁滞后和弛豫产热，可用于癌症治疗等。可远程激活神经系统中的温度敏感离子通道，实现无创深部大脑刺激。与温响应载体结合，可实现磁场触发的药物释放。磁力性氧化物纳米粒子的应用：利用磁力定向将纳米粒子靶向到深部组织，用于药物递送。磁电性氧化物纳米粒子的应用：由磁致伸缩的铁磁芯和压电的铁电壳组成，可直接产生电信号，用于无基因修饰的神经调控、细胞再生和药物递送总的来说，各类氧化物纳米粒子在MRI成像、热疗、机械刺激和电刺激等医疗领域展现出广泛应用前景。
图3 用于成像和治疗的磁性氧化纳米颗粒
四、催化氧化物纳米颗粒
催化性氧化物纳米粒子可根据材料特性和环境条件，通过产生或清除活性氧(ROS)发挥治疗作用。ROS生成型纳米粒子可诱导肿瘤细胞氧化应激，用于化动力疗法;而抗氧化性纳米粒子则能有效减轻ROS引起的有害效应，如脂质过氧化、神经退行性疾病等。这类催化性纳米粒克服了小分子抗氧化剂和天然酶的局限性，具有更高的稳定性和靶向性。其中，Fenton反应型纳米粒子设计用于弱酸性肿瘤微环境下，释放催化金属离子高效产生羟基自由基。同时， H2O2浓度提高、pH降低、抗氧化物清除等辅助技术也被用来增强其治疗效果。抗氧化性氧化铈纳米粒子模拟多种抗氧化酶活性，通过优化其表面结构和晶格可提高清除ROS的能力，在缓解炎症反应、神经退行性疾病等方面展现出优势。总之，催化性氧化物纳米粒子为肿瘤化动力疗法和ROS相关疾病的治疗提供了新的可能。
图4 催化氧化纳米颗粒对ROS的调节
五、多孔氧化物纳米颗粒
多孔氧化物纳米粒子作为新型纳米载体，在医学成像诊断和靶向给药方面展现出广泛应用前景。其中，介孔二氧化硅纳米粒子(MSNs)因具有高载药量、表面可修饰性和良好的生物相容性，成为研究热点。MSNs可同时负载小分子和大分子药物，并通过响应性降解键实现对药物释放的精确时空控制。此外，MSNs还可用于开发荧光成像探针，借助负载染料或放射性同位素提高成像的特异性和灵敏度。针对生物组织对可见光的损伤和穿透力有限，近红外染料和上转换纳米粒子也被用作新型成像探针。与传统的无机和有机多孔材料相比，MSNs展现出更优异的性能和更广泛的应用前景，成为推动医学影像和智能给药发展的重要载体平台。
