Hollow-structured Nanomaterials for Biomedical Applications： Current Development and Future Prospective

doi:10.7503/cjcu20230134

Abstract

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

CLC Number:

O611

TrendMD:

ZHANG Lu, ZOU Yunhe, XU Zhongsheng, LIU Yun. Hollow-structured Nanomaterials for Biomedical Applications： Current Development and Future Prospective[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(8): 20230134.

Figures/Tables 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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