中空结构纳米材料在生物医学领域的应用： 现状与展望

doi:10.7503/cjcu20230134

摘要/Abstract

摘要：

近年来, 中空结构纳米材料因其独特的空腔结构、广泛性的来源以及优异的磁性、电子、光学和催化性能, 在生物医学领域的各种应用中显示出巨大的优势. 该类材料经过特别设计用于装载药物或显像剂进行疾病治疗、诊断和监测治疗, 其目的是为了保护和改善健康状况. 本文首先综合评述了不同类型中空结构纳米材料的研究进展；并分别对具有刺激响应药物释放、多模态治疗、诊疗一体化以及监控治疗的先进性多功能化中空结构纳米材料进行了介绍; 最后, 探讨了中空结构纳米材料在生物医学应用中的挑战和潜在的未来发展方向.

关键词: 中空结构, 纳米材料, 药物负载, 多模态

Abstract:

In recent years， hollow-structured nanomaterials have shown great advantages in a variety of applications in biomedical fields because of their unique structures cavities， widely sources and excellent magnetic， electronic， optical or catalytic properties. They are designed specially for loading drugs or imaging agents for the disease therapy， diagnosis and monitoring of treatment， which aim to protect and improve health conditions. This review summarized the research progress of different types of hollow-structured nanomaterials， and then these advanced multifunctional hollow structured nanomaterials with stimuli responsive drug release， multimodal therapy， theragnostic and imaging and treatment monitoring were commented， respectively. This article has been also explored the challenges and potential future directions of hollow-structured nanomaterials for biomedical applications.

Key words: Hollow structure, Nanomaterials, Drug loading, Multimodality

中图分类号:

O611

TrendMD:

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图/表 9

Table 1 Summary of hollow-structured nanomaterials with different characteristics

Type of hollow⁃structured nanomaterials	Structural characteristic	Advantage
Hollow mesoporous silica nanoparticles	Hollow spheres with silicic shell	Adjustable sizes of cavity and pore， environmental friendliness and low cost
Hollow polymer particles	Hollow capsules with polymer shell	Effectively avoid the drug release and failure in the blood circulation
Hollow metal oxide nanospheres	Hollow spheres with metal oxide shell	Metal oxide intrinsic properties： superior magnetic properties or multiple enzymatic activities
Hollow metal-sulfide nanospheres	Hollow spheres of metal-sulfide shell	Metal-sulfide unique electronic， optical and catalytic properties
Hollow multiple shells nanospheres	Hollow spheres of multiple shells	Improve the amount of drug loading and provide a prolonged drug release
Exosome	Hollow vesicle with proteins and lipids shell	Well biodistribution， biocompatibility and low immunogenicity

Fig.1 Schematic illustration of the preparation of HMSNs for drug loading and release(A)[26] and preparation of surface⁃modified multifunctional platforms(B)[27]（A） Copyright 2017， American Chemical Society；（B） Copyright 2017， Wiley-VCH.

Fig.2 Schematic illustrating the synthesis of PMPC for encapsulating n(EGFP) and n(OVA)(A)[32], the design of the pH⁃sensitive hollow microspheres P(MBAAm⁃co⁃MAA)(B)[33]（A） Copyright 2015， Tsinghua University Press；（B） Copyright 2009， Elsevier.

Fig.3 Schematic representation of the synthesis of hollow multishelled structures silica(HMMSNs)[54]

Fig.4 Schematic representation of the synthesis(A) and the TEM images(B, C) of exosome⁃like vesicles Fe3O4⁃DOX@Exo[59]

Fig.5 Schematic showing the formation of HMONs⁃PTX@PDA⁃PEG for GSH and pH stimuli⁃responsive drug release(A)[64] and the design of f silica nanocapsules with a well⁃defined hole for laser irradiation stimuli⁃responsive the anticancer drug release(B)[65]（A） Copyright 2020， Wiley；（B） Copyright 2019， Wiley-VCH.

Fig.6 Schematic representation of the design of DOX@HMDN⁃PEI⁃PLL for combined chemo⁃chemo⁃ dynamic dulamodal therapy(A)[73] and the preparation of CSC2@PEG⁃Dox for combination chemotherapy(PDT and PDT)(B)[74]（A） Copyright 2021， Elsevier；（B） Copyright 2020， Elsevier.

Fig.7 Schematic illustration of the synthesis of hollow MoSe2/Fe3O4 nanospheres for combined DOX drug delivery and CT/MR imaging [78](A) Schematic representation of MoSe2 and MoSe2/Fe3O4 nanomaterials； (B—E) TEM images of M-1 to M-4, respectively； (F) UV-Vis spectra of the four samples； (G) XRD pattern of M-2； (H) highlighted HRTEM image of M-2； (I) TEM image of MF-2； (J—M) HAADF-STEM image of MF-2 and the corresponding STEM-EDX elemental mapping images for Mo, Se and Fe； (N) XRD patterns of sample MF-1, MF-2 and MF-3； (O) highlighted HRTEM of MF-2； (P) SAED image of MF-2.

Fig.8 Schematic showing the preparation of TMSN@PM treatmentmonitoring platform for inflammation treatment and therapeutic monitoring[86]

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