NUS刘斌教授团队《Biomaterials》综述：有机功能物质修饰的活性材料在生物医学领域的应用

为了控制和监测活性材料在生物体内的运输、递送和分泌等过程，引入有机功能物质来修饰活性材料是一种方便且有效的策略。有机功能物质分为两类：有机小分子和有机聚合物，它们具有良好的衍生性、出色的性能和优异的生物相容性等优点，与活性材料巧妙结合后，赋予其实时监测、可控的药物释放、更好的生物相容性和精确诊断与治疗等功能。

鉴于此，新加坡国立大学刘斌教授和天津大学福州国际联合学院吴敏副研究员等总结了该领域的最新进展，详细分析了有机功能物质修饰活性材料的不同方法，并讨论了工程化的生物材料在健康监测、药物递送、伤口愈合和组织再生等方面的应用。

本综述首先讨论了不同的修饰方法，有机小分子药物、发光分子、光敏剂等）可以通过共轭连接、代谢标记和膜插入的方法修饰在活性材料表面，有机聚合物材料可以通过静电吸附、微流控、三维打印等技术来工程化活性材料。由小分子或聚合物自组装形成的有机纳米粒子可以通过细胞摄取、脂质体融合、细胞膜电穿孔或变形等方法来巧妙修饰活性材料。

在健康监测领域，与非活性材料相比，有机物质修饰的活性材料最大优势在于增强了其自身的生理功能，包含自主生长、感应、代谢物的分泌、再生和趋化性等功能。举例而言，中性粒细胞是首批聚集在急性感染炎症区域并启动宿主反应的细胞，利用中性粒细胞为基础的纳米治疗工程在抵抗感染和炎症性疾病方面具有巨大潜力，而传统的中性粒细胞标记方法耗时较长，容易导致污染。我们组设计了一种新型的具有聚集诱导发光特性的有机小分子，可以通过膜插入的方法，在30秒内对活体中性粒细胞进行无需洗涤的快速标记，该方法简便快捷，标记后呈现红色荧光。这种策略不会改变中性粒细胞固有的生理功能，并已成功用于炎症检测。

在药物递送领域，活体材料可以弥补传统化学药物治疗的缺陷，尽量降低副作用和耐药性，免疫细胞、干细胞、红细胞、细胞器和基因修饰细菌已被用于治疗血管问题和癌症等疾病。尽管活体材料具有众多优点和巨大潜力，但受限于正常组织的吸附和免疫系统的排异，如何维持治疗细胞的活性并成功地将它们移植到目标组织中仍是一个主要的挑战。为了提高其靶向性，在活性材料表面修饰抗体或者多肽是一种有效的方法。为了提高其治疗效果、降低副作用，可以将有机功能物质与活细胞、工程化的细菌或细胞器（线粒体或叶绿体）巧妙结合，实现优异的联合治疗效果。

在伤口愈合和组织再生领域，有机功能物质工程化的活性材料也发挥着重要作用。举例而言，蔗糖发酵胶乳杆菌可以将葡萄糖代谢成线性β-1,4-葡聚糖链，并分泌细菌纤维素用于组织工程支架。通过引入光敏剂修饰的葡萄糖做为代谢底物，蔗糖发酵胶乳杆菌可以含光敏剂的细菌纤维素薄膜。在光照下，该薄膜可以产生大量的活性氧杀死大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，具有良好的生物相容性且无暗毒性，基于细菌纤维素的敷料可以有效促进感染伤口的愈合。该方法为通过微生物代谢制造功能材料提供了新的视角。

最后，作者总结了该领域目前的挑战。从研究角度而言，仍需提高功能化活性材料的稳定性和性能，并对其在微观尺度上的作用机制和原理进行深入研究。在临床应用领域，应仔细研究材料在体内的分布、保留和代谢，提高生物相容性和生物安全性，降低对身体和环境的潜在负面影响。在大规模工业生产的角度看，目前精心设计的细胞或细菌生长缓慢，仅依靠其生长或代谢所制备的材料具有非常小的尺寸和体积，且对其制备过程与功能测定缺乏统一的标准。总之，尽管面临许多挑战，但随着该领域在未来的进一步发展，我们相信有机物质功能化的活性材料在疾病监测、药物和基因递送、皮肤敷料、组织工程等方面发挥更加重要的作用，为人类健康的发展保驾护航。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2023.122248