Nature子刊綜述：生物響應材料！

引言：“智能”生物響應材料是指對生物信號或者病理學異常敏感，并且能與它們作用或者能被它們激勵的材料，智能生物材料是實現下一代精準醫療的一個吸引人的平臺。隨著對各種生物響應機理了解的深入，研究人員在材料化學、生物分子工程、制藥科學、微納制備取得了一系列成果來發展生物響應材料，生物響應材料的應用包括受控藥物釋放、診斷、組織工程和生物醫學裝置。最近，北卡羅來納大學教堂山分校Zhen Gu 和生物材料界大牛Robert Langer（共同通訊作者）等在Nature Reviews Materials上發表綜述概括了智能生物材料的最新進展，以及其設計原則、面臨的挑戰、未來的發展方向以及臨床轉化等 。

綜述導覽圖

1 簡介

早在70年代，將工程材料作為配藥或者用于控制藥物釋放的研究已經開始了。最近，如何將刺激-響應的智能材料應用到生物醫學中受到人們的廣泛關注，這些應用包括藥物遞送、診斷、組織工程和生物醫學設備。其中的研究焦點是設計生物相容性好的、并且能對特定生物刺激（如生物信號、病理性異常）做出響應的材料，這些刺激響應可以增強材料和生物目標的作用或者激勵藥物的釋放。

為什么需要智能響應材料呢？在藥物遞送中，治療效率直接與給藥方法相關，這就要求藥物的精確釋放（box 1）；對于診斷來說，智能生物材料能夠進行非侵入或者低程度侵入式的實時成像；在組織工程和再生醫療方面，智能生物材料能夠與細胞交流和作用。

生物響應材料通常可以分解為許多對生物敏感的功能片段，通過適當的方法將這些功能片段組建成需要的配方、支架或者裝置。為了避開在臨床轉化中遇到的困難，作者討論了智能生物材料的基本設計原則（主要是藥物遞送和組織工程）。

Box 1 藥物受控釋放的生物響應模式。大部分的受控藥物釋放可以分成以下三類：直接激活、逐步激活和自調節激活。（a）直接激活 材料直接對目標生物體做出響應從而促進藥物釋放（b）逐步激活 材料被第一種生物刺激激活，在第二種刺激的作用下藥物被釋放（c）自調節激活 也叫信號反饋控制系統，在這種模式中，受到刺激時藥物會直接釋放，但是被釋放的藥物會影響周圍的環境，反過來影響藥物的釋放，直到達到動態平衡

2 對生理環境敏感

病變（如癌癥、自身免疫性疾病感染、心血管疾病等）通常會導致該區域生理環境發生特定的改變，這些改變就成為生物響應材料的理想目標。通常這些刺激可以分為三類：器官層次的刺激、與生理環境相關的刺激和細胞組分的刺激（圖1，表1）。

圖1 與生理學刺激因素相關的生理環境。生理環境的差異存在于器官、組織和細胞層次，并且與各類的病理學相關，如癌癥、心血管疾病、糖尿病、中風、慢性創傷。ATP（三磷酸腺苷）、GI（腸胃）。

表1 典型的生理刺激因素總結

2.1 pH

能對pH做出響應的材料通常能進行物理或化學的變化，如溶脹、收縮、離解、降解等（box 2），pH響應性來源于可電離基團的質子化或者化學鍵的酸降解。

在細胞內輸運時，內涵體的酸化以及隨后與溶酶體融合為藥物釋放提供了理想的pH梯度，在器官層次上，沿著腸胃道的pH梯度使口服藥具有器官特異釋放性。癌癥或者發炎區域的局部酸化也經常被用來控制疾病特異的藥物釋放。這些材料包括由丙烯酸、甲基丙烯酸、順丁烯二酸酐、N，N-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯聚合形成的聚合物。在制藥工業上，氨基烷基甲基丙烯酸酯共聚物，一種美國食品藥品監督管理局（FDA）許可的陽離子聚合物，在酸性條件下溶解度增加，已經被用來作為味覺掩體（在口腔中溶解度低，從而藥物釋放緩慢，使人感覺不到）。

Box 2 典型的生物響應動作。生物響應材料能夠與生物支架、裝置等結合從而與生物刺激因素產生不同的作用，大部分這種材料能用“可變形”來形容，因為它們在遇到刺激因素的時候會發生形貌改變。理想的生物響應行為是高選擇性和高敏感性的，這就要求目標特異響應。如圖中所示，刺激響應能通過物理變化、化學變化或者兩者的結合實現。

pH響應材料的設計與選擇也與藥物分子的性質有關，比如可酸降解的藥物（質子泵抑制劑、某些蛋白等），就要保證它們不被胃降解。含有羥基的陰離子聚合物在堿性條件下溶解度更高，可以用來將對酸敏感的藥物輸運到腸中。聚陽離子作為非病毒運輸基因的載體非常有吸引力，因為它能通過靜電相互作用與帶負電的核酸結合。雖然其它藥物的效率和安全性能已經超過了聚乙烯亞胺，但是聚乙烯亞胺還是評估新的聚合物作為核酸運輸載體的性能的標準，比如高產量的屏蔽種類聚β-氨基酯被作為制備聚陽離子的指導。另外由帶相反電荷的兩親嵌段共聚物自組裝形成的微囊是另一類對pH敏感的材料，比如pH敏感的肽雙親物可以被用來進行pH引發的可逆自組裝（納米纖維）。在DNA組裝的納米線團中，內涵體中pH的下降會釋放被包圍的脫氧核糖核酸酶（DNase），DNase會攻擊DNA納米線團，最終實現在細胞內的藥物釋放，這可以被認為是一個逐步激活系統（box 1）

雖然有機物還是主要的pH響應材料，但是最近可酸降解的無機材料（如磷酸鈣和液態金屬）由于其生物相容性及其產生的代謝產物無毒或低毒也被應用到藥物輸送中。例如在基于液態金屬的藥物遞送系統中，由Ga-In合金組成的核在受到質子攻擊時會降解。在最近研究的pH響應造影劑中，磷酸鈣會在酸性的實體腫瘤中降解從而釋放被限制的Mn2+，Mn2+接著與蛋白質結合，從而增強了核磁共振成像時的弛豫性。

除了直接誘導藥物釋放外，生理環境中的pH梯度也可以用來實現藥物的釋放。在某些情況下，裝飾有pH響應片段的納米載體在弱酸性的腫瘤環境中會進行電荷轉移，從而通過內吞作用被癌細胞攝取。這種電荷轉移的方法也可以用來改善癌癥診斷。pH敏感的細胞穿透肽（CPPs），可以被腫瘤處的酸性環境激活，從而促進其在腫瘤內的富集。在最近的研究中，樹性分子共軛物前藥可以在腫瘤內特異釋放，由于其酰胺鍵在弱酸性的腫瘤環境中斷裂。其它種類的生理環境pH梯度，如慢性傷口和發炎地點的酸化，也可以作為pH響應藥物的目標。
最近研究人員利用在酸性條件下穩定但是在中性環境下可溶的pH敏感超分子凝膠來制造可以安置在胃中的裝置。超分子中的羥基在酸性環境中可以形成分子間氫鍵，從而形成彈性的含水超分子網絡。然而在中性環境中，由于羥基的去質子化，超分子凝膠會快速分解。

除了制造智能載藥系統外，pH響應水凝膠也被用在再生醫療中，比如甲基丙烯酸二甲胺乙酯基的支架在酸性環境中可以通過伸展來改變氧和營養的運輸，可以產生促愈合效應。

2.2 氧化還原

在組織和細胞中都存在氧化還原電勢差，比如谷胱甘肽/氧化谷胱甘肽對是動物中含量最高的氧化還原對，并且谷胱甘肽在細胞質中的含量比在細胞外體液中高2-3個數量級，此外對嚙齒類動物的研究表明，癌細胞中谷胱甘肽的含量比正常組織中的要高。除了還原物外，在很多疾病中，如癌癥、中風、動脈硬化等，活性氧簇（ROS）也大量存在。

二硫化物在在還原劑（如谷胱甘肽）存在下能轉化為硫醇，硫醇在氧化條件下又能生成二硫鍵，硫醇-二硫化物轉化的反應條件溫和，使得含二硫化物的材料很吸引人，甚至可以將二硫化物作為交聯劑。二硒鍵是另一種常用的氧化還原片段，在最近的研究中，由含聯[二]硒化物的嵌段共聚物自組裝形成的微球同時對氧化劑和還原劑敏感。

氧化響應性的材料的主要靶向目標是ROS（如過氧化氫、羥基自由基），硫基材料是其中主要的一類。研究人員用聚丙硫醚和聚乙二醇共聚形成可以自組裝的雙親性物質，酮縮硫醇用于基因輸送也取得了成功。

最近報道了一種以骨關節炎中的H2O2為目標的抗發炎藥物遞送系統，在這個系統中PLGA 空殼中載有抗炎藥、酸性前驅體（由乙醇和FeCl2組成）、發泡劑（碳酸氫鈉），在這種設計中，H2O2可以擴散通過外殼與乙醇反應建立一個酸性的環境，然后碳酸氫鈉分解產生CO2，CO2破壞了外殼，使抗炎藥釋放出來。

監控局部的ROS含量對一系列疾病（如心血管疾病和藥物誘導的器官衰竭）的診斷和治療有重要意義，包含硫代氨基甲酸酯鍵的水凝膠聚合物可以通過監控血液中的氧化應激來檢測藥物誘導的肝損傷。

2.3 酶

由于酶在不同生物過程中發揮的重要作用，與疾病相關的酶異常也可以成為醫學的一個靶向目標，比如酯鍵可以靶向磷酸酶、細胞內酸性水解酶和其它幾種酯酶。酰胺雖然在生理條件下相對穩定，但是很容易被酶消化，已經被制成對水解蛋白酶敏感的材料，如前列腺特異抗體。

間質金屬蛋白酶（MMPs）與腫瘤發病和轉移緊密相關，MMPs可以成為生物響應材料的靶向目標。可激活的CPPs（ACPPs）能被腫瘤處過度表達的MMPs激活，已經被應用在手術中對腫瘤進行可視化。除了腫瘤外，MMPs在哮喘和炎性腸疾病中也存在過度表達，在最近的研究中，帶負電的水凝膠被固定在MMPs過渡表達的結腸發炎表面，只有在酶的作用下才會釋放出抗炎藥。另外，由于結腸中存在幾種能分泌多種不同酶（包括幾種多糖分解酶）的細菌，使其成為多糖藥物遞送系統的靶向目標，生物相容性好的多糖，如殼聚糖、膠質、右旋糖苷已經被使用在結腸特異藥物遞送中。多糖也被作為交聯劑來形成可溶解酵素降解的納米膠，然后加入到隱形眼鏡中來進行治療青光眼藥物的持續釋放。另外一種在腫瘤中過度表達的酶是透明質酸酶，在一種凝膠-脂質體體系中，以細胞穿透性多肽改性的脂質體作為核來加載藥物，以透明質酸交聯的殼來包裹能誘導細胞凋亡的配體（TRAIL），在腫瘤環境中，透明質酸能夠被過度表達的透明質酸酶消化從而釋放TRAIL，然后再釋放Dox（抗癌藥）。

弗林蛋白酶是一類前蛋白轉化酶，它在腫瘤生長、轉移和血管再生中發揮重要作用，可被弗林蛋白酶降解的肽交聯劑被加入到藥物運輸載體中，在被細胞吸收的過程中它們能逐漸降解而釋放出里面的蛋白質。另外細胞內酶蛋白激酶Cα（PKCα ）在腫瘤增殖中發揮重要作用，PKCα在癌細胞中活性非常高，但是在正常細胞中活性則非常低，研究人員利用PKCα的這個特點來實現靶向基因運輸。

在一個水凝膠組成的系統中，當遇到血液凝塊時，凝血酶會降解載體中的肽從而釋放出肝素，而肝素則能降低凝血酶的活性抑制肝素的進一步釋放。

2.4 葡萄糖

目前，血糖監控和胰島素注入仍是治療糖尿病一類和晚期糖尿病二類的主要手段，但是這個過程除了痛苦和不方便之外，還很難控制血糖的含量，可能會導致糖尿病并發癥，另外，血糖過低則會導致致命的胰島素休克。因此急需發展一種能夠模擬胰腺功能，能對血糖響應并且自調節的閉環藥物系統。

1979制造了第一個葡萄糖響應胰島素遞送系統，使用的是伴刀豆球蛋白A（一種糖結合凝集素，ConA），葡萄糖能夠使ConA-聚合物復合物解離從而釋放胰島素。研究人員在這個領域做了大量的研究，特別是在實現快速響應、方便注射和生物相容性方面。通常按照控制血糖濃度的原理，可以將胰島素遞送系統分為兩類，一種是直接由高含量的血糖觸發胰島素的釋放（如ConAn），另一種要利用葡萄糖氧化酶，酶反應使高濃度血糖區域的pH值或氧含量降低，繼而促進胰島素的釋放。

亞硼酸與二醇之間的相互作用使得含亞硼酸的聚合物成為葡萄糖響應的潛在材料之一，在最近的研究中，研究人員將含脂肪酸族基團和PBA基團的小分子連接到胰島素中，這種結合體能與血清或血清中的其它疏水性成分結合，從而延長它們的循環周期和胰島素的葡萄糖響應釋放。

葡萄糖酶能在氧氣存在時將葡萄糖轉化為葡萄糖酸，從而降低局部的pH值，這會增強賴氨酸的溶解度從而觸發水凝膠的溶脹或者毀壞使胰島素釋放。其中的一個例子就是包含葡萄糖酶的陽離子聚合物水凝膠在葡萄糖的作用下的溶脹和退溶脹。除了利用局部酸化效應外，研究人員還利用酶產生的局部乏氧條件來建立葡萄糖響應的微針陣列小塊，快速葡萄糖響應胰島素釋放可以通過2-硝基咪唑共軛透明質酸自組裝形成的囊泡實現。

葡萄糖響應材料不僅可以作為胰島素運輸的載體，比如在最近的研究中由PBA衍生物組成的水凝膠還被用來作為蛋白質運輸載體或者細胞生長的基底，在PBA與二醇的動態相互作用下水凝膠能夠自愈合。在最近的報道中，靶向黑素瘤的微針癌癥免疫療法藥物遞送系統能夠在血糖的作用下釋放抗-PD1抗體，并且加長了在腫瘤中停留的時間。

除了藥物遞送系統外，葡萄糖響應材料也能用來進行長期的血糖監控。如用葡萄糖類似物功能化的單壁碳納米管就被做成葡萄糖傳感器。單壁碳納米管在ConA或者PBA的作用下能夠聚集從而發生熒光猝滅，而葡萄糖可以使團聚又重新分離從而恢復熒光。由含葡萄糖識別位點和熒光位點單體制備的熒光性聚丙烯酰胺水凝膠微球已經顯示出連續監控血糖含量的潛力。

2.5 離子

不同體液中的離子強度不同，如每個腸胃點都有特定的離子濃度，因此對離子強度敏感的材料作為藥物運輸載體引起了人們的興趣。

離子交換樹脂是一大類離子響應材料，經常被用做味覺掩體、反離子響應藥物釋放和持續藥物釋放，這些樹脂通常是不可溶的聚合物，由聚苯乙烯主鏈和包含離子活性的基團（如磺酸、羧酸）側鏈交聯而成。口服之后，唾液和腸胃液中的反離子會促進藥物的釋放，這是由離子交換平衡反應控制的。比如，含有季銨基的陽離子聚合物會對唾液中的離子敏感。有下部臨界會溶溫度（LCST）的聚合物對離子強度也敏感，在鹽中LCST會降低。聚離子復合膠束是另一類離子敏感材料，離子復合膠束隨著鹽濃度的變化而可逆形成和解離已經被用來控制藥物的釋放。

除了對離子強度的變化響應外，材料也可以通過形成復合物而對特定的離子類型敏感，在最近的報道中，用β-環式糊精和疏水2,2’-聯吡啶改性的金屬離子響應粘性水凝膠的化學選擇粘附性能通過金屬配體與宿主基團的反應而改變。

2.6 ATP

三磷酸腺苷（ATP）通常被稱為細胞內能量傳輸的分子貨幣單位，其在細胞內的含量比在細胞外環境高。

ATP控制的藥物遞送系統通常用靶向ATP的適體作為‘生物閘門’來實現藥物的按需釋放，近些年一系列的材料（如介孔二氧化硅、聚離子膠束、適體交聯的DNA微膠囊）已經被證明在細胞內高含量ATP條件下可以釋放治療藥物或者恢復熒光信號。在這些例子中，ATP要不競爭吸附在藥物結合位點上以觸發藥物釋放，要不促進構型改變來破壞載體的結構。比如，加載Dox的DNA雙螺旋如果加入DNA適體，在富含ATP的環境中ATP會競爭吸附在ATP適體上，造成DNA雙螺旋的解體從而釋放藥物。在另外的設計中，由桶狀伴侶蛋白單元組裝成的蛋白質納米管能夠保護藥物不被生理環境降解，但當它遇到ATP時伴侶蛋白的構型發生變化使管狀的結構發生解體，從而釋放藥物。除了單獨作用外，ATP還可以與其它刺激物共同作用。

2.7 乏氧

乏氧與一系列的疾病相關，如癌癥、心肌病、缺血、類風濕性關節炎、血管疾病等。

乏氧在腫瘤轉移、抵抗治療中扮演重要角色，已經被廣泛利用進行診斷和治療。硝基芳香化合物衍生物在乏氧條件下能夠轉化為親水性的2-氨基咪唑，并且靈敏度很高，使其成為被研究最廣泛的乏氧成像和生物還原前藥功能基團。類似的，先前被作為成像探針的乏氧敏感基團，偶氮苯，已經被作為可生物還原的交聯劑來實現siRNA的靶向輸送。最近研究人員用包含氧氣敏感官能團的材料來代替乏氧敏感的小分子或過渡金屬復合物來提高體內生物的敏感性和特異性。為了實現對腫瘤細胞的超靈敏檢測，合成了一種由磷光性Ir復合物和PVP共軛形成的水溶性大分子成像探針，這種探針具有乏氧靈敏性并且能發射近紅外光。

2.8 溫度

含有低臨界會溶溫度（LCST）的聚合物在溫度接近LCST時會發生劇烈的相變，而LCST能夠通過聚合物中親水性和疏水性成分的比例來調控。當LCST在室溫和人體體溫之間時，聚合物就對生理溫度敏感。

聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）在LCST（32℃）發生溶膠-凝膠轉變，并且這個溫度可以通過與疏水性單體共聚或者通過引入疏水性基團來使其更加接近體溫。用PNIPAM進行溫度響應藥物釋放在80年代發展起來，在一些雜化系統中，可以通過引入無機材料（如金納米顆粒）改變LCST。為了加速溫度響應轉變過程，研究人員將可控、可激活的納米膠作為交聯劑來建造溫度響應水凝膠，這種水凝膠在保持高彈性的同時展示出快速并且可逆的響應特性。丙烯酰基吡咯烷-甲基丙烯酸2-羥基乙酯均聚物和共聚物已經被合成并且用來實現溫度調節胰島素釋放。蛋白質中溫度敏感的卷曲螺旋域已經被引入可溶性聚合物中來產生溫度響應雜化材料。

其它的溫度響應材料包括幾類合成多肽，其中類彈性蛋白多肽（ELPs）引起了相當的關注。ELPs是由Val–Pro–Gly–X–Gly (X ≠ Pro)重復序列組成的可基因編碼多肽。這些具有可控成分和長度的多肽的LCST可以在0-100℃內精確調節以使其應用在不同方面。LCST低于體溫的ELP-治療藥物共軛物在局部注射后能夠由溫度誘導凝聚成藥物倉庫。在類似的方法中，ELP與可酶解的類胰高血糖素肽-1融合得到可注射的藥物倉庫。

2.9 機械因素

血管變窄或者堵塞會在正常血管和收縮血管之間產生明顯的流體切變力差別，利用受阻位點的高切變應力來靶向阻塞的病變血管近來受到關注。

比如球狀脂質體在切變力中很穩定，而扁豆狀脂質體在高切變力時會形成瞬時小孔而釋放藥物。另一種策略是使用在靜態條件下穩定而在高切變應力下變形的微米級團聚物，由幾種納米顆粒組成的血小板狀微團聚物在異常高切變應力的地方會解離，解離形成的納米顆粒由于受到更小的拖拽力而更有效的附著在血管壁中。這種設計使藥物在病變區域富集，降低偏靶藥物釋放。

另一種與體內壓力梯度相關的方法是精確調控納米顆粒的尺寸以利用高通透高滯留效應，提高平均動脈血壓可以提高效率并且增強藥物在腫瘤的富集。

最近發展了一種可穿戴、由可拉伸彈性體薄膜組成的拉伸應變敏感的裝置，這種裝置里面嵌入加載藥物的PLGA膠囊，在施加應變時，膠囊收到表面拉伸與收縮從而釋放藥物。

2.10 核酸

核酸，包括RNA和DNA，由于其在不同生物進程中的多種作用以及獨特的雜交特性已經成為重要的生物觸發因素。

miRNA的變性與腫瘤的形成與生長相關，使其成為癌癥治療的潛在目標。在一種設計中，多組分核酸酶被修飾到二氧化硅包覆的金納米棒表面上，其中由兩種多組分核酸酶組成的非活性DNA片段可以在目標miRNA存在時發生構型改變而被激活，被激活的多組分核酸酶解離釋放出熒光探針進行生物成像，而DNA片段構型的改變可以觸發治療藥物的釋放。用DNA適體作為‘閘門’的介孔硅納米載體在遇到目標miRNA時能夠特異釋放Dox。另外載有核糖核酸內切酶的仿生納米系統用寡核苷酸作為識別片段來實現位點特異的靶向RNA解離。

DNA能夠對納米顆粒系統進行高精度的物理化學控制，而DNA寡核苷酸特異作用輔助組裝的金納米顆粒增加了這種能力。最近用DNA控制膠體鍵合取得了重大突破，在這種方法中，無機納米顆粒在DNA鏈的引導下像原子一樣形成類晶體結構。在另外的動態膠體納米系統中，DNA被用來控制納米顆粒的形貌使細胞靶向性的葉酸配體隱藏或者暴露從而調節納米顆粒-細胞間的相互作用。

為了控制適體在治療時的活性以及減少副作用，研究人員開發出了匹配的寡核苷酸來中和治療中使用的寡核苷酸，另外，聚合物與蛋白質或適體之間的序列無關的相互作用被用作普適的手段來抵消循環適體的活性。

3 對生物顆粒敏感

除了制備對生理信號敏感的材料以外，現在的趨勢是制備能與生物顆粒（如真核細胞、細菌和病毒）作用的材料，這種設計策略主要包括化學工程（合成和改性）和生物工程（圖2）。

圖2 對生物顆粒敏感的材料。有兩種可以建造能與生物顆粒交流的智能材料的方法：化學工程（a-c）和生物工程（d-g）。（a）細胞響應支架可以擁有一系列有用的性質（b）材料表面可以用細胞粘附的配體修飾或者設計成分形結構以可逆捕獲和釋放癌細胞（c）擁有特定內化通道以及對細胞誘導環境改變敏感納米顆粒的運輸載體不同的生物工程方法包括使用抗原（d）真核細胞（e）以及T細胞（f）（g）經典的方法

3.1 支架與表面

再生醫療的最終目的是用材料代替病變的組織以取代器官移植，除了要維持所需的物理性能之外還需要加入生物活性的配體來制備生物響應材料。理想的生物材料應該能夠指導細胞的行為（如輸運、粘附和繁殖），對于干細胞還要引導它們的分化。

一種理性的策略是利用天然細胞外基質中的功能組分，在某個研究中，多孔、可注射的凝膠晶膠（cryogels）在注射之后能夠快速回復它們的初始形狀。除了凝膠固有的生物活性之外，這些纖維表面的微槽能夠促進細胞的包裹和粘著來誘導細胞排列。此外，蛋白質水凝膠由于其生物相容性和容易引人生物活性基團而受到關注。

與天然支架相比，合成支架具有幾個優勢，包括預設定的物理和化學性質以及價格較低。一種使用最廣泛的策略是用MMPs輔助模仿入侵天然細胞外基質以促進組織再生。在這種情況下，整聯蛋白結合位點和MMP基底都要提供生物特異降解的合成網絡。MMP響應母體已經被用來制備細胞響應藥物遞送系統以及合成可注射的母體來進行組織再生。通過原位加成反應能夠形成PEG和生物響應寡肽水凝膠，里面的母體能夠被細胞表面的蛋白酶降解而建立三維的細胞入侵通道。在一種基于PEG可MMP降解的母體中，生物活性的肽胸腺素（Tβ4）被與人臍靜脈內皮細胞（HUVEC）共同包裹，Tβ4能激發MMP-2和MMP-9從HUVEC中釋放出來，而MMP進一步降解基底觸發Tβ4的釋放。

除了純凈的天然或者合成材料外，雜化材料也被用來模擬細胞外基質（ECM）的功能。除了直接對母體進行改性，研究人員最近將包裹kartogenin（一種可以誘導分化的小分子）的PLGA納米顆粒引入透明質酸水凝膠中來促進軟骨再生。

細胞粘附配體是ECM的重要組成部分，因此經常被加入生物支架中，具有天然粘附性能的蛋白質和肽（如膠原蛋白和RGD）已經被廣泛用來模仿ECM的微環境。此外，研究表明DNA適體能夠被引入水凝膠中來特異的粘附細胞，同時最大限度降低對支架機械性能的影響。用小分子修飾的合成母體已經被用來引導細胞的分化。

在支架中加入細胞粘附性的配體的方法已經被用在醫學裝置中來特異的吸附并且無損的釋放細胞（如淋巴細胞和循環腫瘤細胞）。一種由重復DNA適體區域組成的3D網絡可以高效的捕捉并且釋放癌細胞。同樣，抗體也可以與細胞有效粘附，可以使用的基底包括柔性的有機材料（聚苯乙烯）和剛性的無機材料（如金納米結構和硅納米線）。除了拓撲形貌的相互作用，由PNIPAM薄膜產生的疏水相互作用已經被用來與抗體結合來提高細胞捕獲效率。值得注意的是，在時間和空間上控制水凝膠的物理化學性質和生物相容性至關重要，一種方法是光圖案化，光化學技術能用光遠距離并且精確的控制水凝膠的性質。

細胞響應材料的另一種應用是在體外和體內創建人工腫瘤微環境以改變免疫系統從而促進基因療法的效果，比如將免疫療法與能夠調節腫瘤微環境的生物活性材料結合以促進治療效率。

3.2 合成載體

納米材料是另一種能夠對生物顆粒響應的材料，尤其是細菌，兩種主要的響應途徑包括：直接靶向細菌（如通過特異攝取通道的微器官識別）和靶向感染的微環境。與細菌相關第二生物線索（cue）包括：毒性、酶的過度表達以及局部酸化。

一類基于麥芽糊精的成像探針被直接用來靶向細菌，這些探針通過細菌特異的麥芽糊精運輸通道有效被細菌攝取進而在細菌內富集。

70余年抗生素的濫用創造了超級細菌，超級細菌對傳統藥物的抗性極強。與傳統治療相比，抗病毒的方法可以延緩抗藥性的產生。在一些重度感染的情況下，靶向毒素是一種更好的策略，比如混合單層膜保護的金簇能夠識別并且穩定肽鏈ɑ-螺旋。

此外還發展了一種能夠被青霉素G酰化酶（PGA）解離而釋放藥物和發出熒光的載體-藥物共軛物，這種載體降低了殺死細菌的藥物使用量并且為靶向結合治療提供了途徑。細胞感染區域中細胞外脂肪酶異常豐富，利用這一點，研究人員開發了能被磷酸酶或者磷脂酶解離的納米膠。這種細胞靶向藥物釋放也可以通過用脂肪酶敏感的交聯劑連接抗體和PEG實現。

靶向細菌引起的局域酸化也成為對抗細菌感染的途徑之一，比如在酸性pH條件下會發生電荷轉移的聚合物納米顆粒被用來進行細菌壁靶向的抗生素運輸。

能夠防止感染和抑制生物膜生長的抗菌醫療設備在臨床中發揮重要作用，因為設備中的感染經常是致命的。比如固定有細胞溶解酶-肽的表面可以感知細菌的粘附并且殺死粘附的細菌，因此適合作為醫療植入體的抗菌表面。

3.3 工程生物顆粒

最近幾十年，開發了數量可觀的工程生物顆粒用于靶向治療，其中的一些已經進入臨床應用。

對于粘膜靶向運輸來說，嗜酸乳桿菌重組子被改造以表達炭疽桿菌保護性抗原，然后與靶向樹突狀細胞的肽融合以識別以及粘附到粘膜樹突狀細胞。另外已經證明某種菌株能特異的生長于腫瘤細胞中，顯示出天然的腫瘤靶向性。利用這種靶向性，這些細菌已經被基因改性表達某種治療蛋白來治療腫瘤。

與細菌類似，病毒也被用來作為天然載體。由改性病毒制造的細胞靶向載體主要利用它們對一系列目標的天然取向性。比如類病毒顆粒是由病毒衍生衣殼或包膜蛋白自組裝形成的顆粒，而病毒顆粒是包含病毒衍生表面糖蛋白的球狀類病毒脂質雙層膜。這些顆粒繼承了原來病毒的特異識別細胞并且與細胞作用的性質。盡管它們的潛力，但是目前它們的應用只限于運輸疫苗。

干細胞也具有腫瘤特異性，因此被基因改造在特定的腫瘤點表達抗癌蛋白。由于細胞能夠內吞納米顆粒或者將納米顆粒吸附到它們的表面，也可以用干細胞作為運輸納米顆粒的腫瘤靶向載體。腫瘤細胞的一個重要特征是同型腫瘤細胞相互粘著，利用這一點可以將腫瘤細胞膜覆蓋在PLGA的表面來靶向源細胞。天然RNA運輸囊泡，如外來體已經被基因改造來運輸基因。紅細胞（RBCs）是擁有很多有用性質（如長的循環時間）的載藥候選者，另外他們特殊的輸運性質使得基于RBCs的載體能夠靶向能消除RBCs細胞的細胞，如網狀內皮系統巨噬細胞。除了使用完整的RBCs外，RBCs膜也被覆蓋在PLGA核中用于其它用途，如毒素吸收。用血小板膜包裹的合成納米顆粒已經被用來靶向 MRSA252 細菌和循環腫瘤細胞。作為免疫系統的重要組成，巨噬細胞固有的在病變細胞沉積的傾向，也是藥物運輸的載體。與含有納米顆粒的干細胞類似，巨噬細胞中也可以加入納米顆粒。

免疫細胞與目標細胞的相互作用已經被廣泛研究以建造生物響應的載體。比如免疫系統中的淋巴細胞的相互作用已經被用來開發全細胞傳感系統。在最近發展起來的方法中，表達淋巴結轉移受體的活的T細胞被用來運輸加載有藥物的納米顆粒到癌變淋巴組織中。T細胞治療通常受到低的體內持久性和快速功能衰退的限制，因此常與其它輔助藥物一起注射，載有藥物的納米顆粒被吸附到T細胞的表面來增強療效。相反，T細胞的特異性可以通過基因工程改變其表面表達的嵌合抗原受體（CARs）而改變，然后培養改性后的T細胞并且注入病人的體內，這些“活的藥物”在體內繁殖、識別并且殺死癌細胞。

4 總結與展望

過去十年間生物響應材料得到了廣泛開發，同時材料科學、分子動力學和納米生物技術也取得了很大的進步。雖然發表的結果很多，但是很少能被商業化或者進入臨床試驗階段。對于抗癌藥物運輸來說，Cerulean Pharma 公司的基于環糊精的pH響應納米顆粒已經完成階段二的試驗，而他與FDA許可的藥物聚APD核糖聚合酶抑制劑LYNPARZA的共同使用已經進入臨床試驗1和2階段。幾種用于診斷的智能材料已經進入臨床階段，包括腫瘤靶向的修飾有NIR熒光團和放射標記肽的二氧化硅納米顆粒。對于糖尿病治療來說，默克生產的對葡萄糖敏感的胰島素已經進入臨床第1階段，Selecta Biosciences生產的用于治療痛風的SEL-212 已經開始進入臨床階段。

通常技術商業化的成功離不開容易生產、安全性和效率。回顧一下已經商業化的智能材料比如氨基烷基甲基丙烯酸酯共聚物和其它幾種脂質體具有一個共同點：簡單的結構加上明確的作用機制使得這些材料或裝置能夠工業化生產和商業化。生物材料的轉化經常被它們結構和機制的復雜性所限制。生物響應材料的設計應該以易于轉化為主，而不是修飾復雜的結構或者使用新的方法。

在圖3 和box 3我們總結了生物響應材料的設計原則以及著重表明了加速轉化的幾個指導原則。有兩個基本的準則應該遵守：響應效率—高選擇性、高敏感性以及準確的時間響應；轉化潛力—所需的穩定性、優異的生物相容性以及易于產業化。

圖3 生物響應材料的設計原則。多方面的考慮，包括響應模式、生理刺激因素、響應動作、材料性質、設計策略和轉化標準是制造生物響應材料的原則。

Box 3 設計生物響應材料時應當考慮的事情

更準確地，從材料的角度來說是實現在體內復雜的環境中既能有好的安全性能的同時又能擁有穩定的性能。比如在藥物遞送中，材料在臨床中的性能經常被系統毒性和致免疫性所損害，所以生物相容性是驗證所使用的方法正確與否的第一步。另外，生物響應材料要取得進展必須清楚材料在體內的行為，因此理解基本的生物物理和生物化學以及能夠實時監測材料在體內活動的技術至關重要。在大多數情況下，藥物要經過運輸才能到達響應的地點從而有效與生物環境響應，因此有效作用的時間點非常重要。在一些編程的刺激-響應系統中，使用兩種或多種刺激協同或者順序作用還需要進行全面的體內測試以便對每個觸發因素進行精準的時空控制。

對于發展新的響應機制以實現高的選擇性和敏感性來說，通過評估生物分析化學中的大量文獻可以鑒別具有高性能的新觸發源。比如最近用一氧化碳敏感的DNA寡核苷酸修飾熒光單壁碳納米管來檢測發炎位點的反應性一氧化碳衍生物，再加上驅動組分的話就可以建立一個閉環的藥物運輸系統。在最近的例子中，水濃度梯度也被作為刺激因素，這種水響應的聚合物薄膜由剛性組分多吡咯和柔性的多元醇硼酸基水響應單元組成，復合物的機械性能可以通過水觸發元調節，它的動作主要由硼酸酯的水解和重新形成而實現，通過與周圍環境的水交換使薄膜膨脹或者收縮，使其成為對皮膚濕度敏感的智能材料。研究人員進一步在這種薄膜中加入壓電薄膜以實現水濃度梯度驅動的能量輸出。

另外新出的策略是利用仿生系統來模擬身體中的自然生物響應機制。比如通過模仿胰腺β細胞的顆粒或囊狀的結構和響應機制，加載胰島素的合成囊泡可以幫助實現快速的葡萄糖響應胰島素釋放。受到病毒對細胞的穿透力強的啟發，制備了仿病毒來實現細胞的攝取和深度腫瘤穿透。我們注意到仿生不僅僅限制在生物化學方面，天然材料的物理性質，如形狀和機械性能，也可以啟發智能生物材料的制造。比如性質和表面生物類似于血小板的納米顆粒能靶向受損的血管，包裹有高濃度PEG刷的仿病毒納米顆粒可以有效穿透粘膜。

個體生物信號的差異阻礙了生物響應材料的轉化，對于受外部刺激響應的生物材料，如商業化的熱響應脂質體、氧化鐵納米顆粒，刺激因素能夠手動控制。相反對內部刺激因素敏感的材料則受到病人之間生物參數不一致的影響，另外動物與人之間的差異會更大，因此與被靶向的生物信號相關的信息應該被仔細分析。重要的是生物信號能人為的調節，如通過信號放大。在最近發展的包裹β細胞微針小塊中，研究人員設計了一個由 GOx、α-淀粉酶和葡糖淀粉酶組成的乏氧響應信號放大器，放大器首先將BGL轉化為局部乏氧以釋放被包裹的酶，被釋放的酶消化先前嵌入的α-淀粉酶以產生高濃度的局部葡萄糖從而誘導胰島素的產生。另外生理環境也可以通過基因工程調節，如創造乏氧條件。在某些情況下，物理或者生物化學的觸發因素可以原位生成，比如研究人員利用無線電波來條件Ca2+的運輸從而遙控體內胰島素的合成。在另外的實驗中，光被用來在特定地點和時間產生乏氧條件以促進藥物的釋放。更進一步，植入的無線生物芯片或者可穿戴的裝置能動態監測生理信號從而產生或者放大信號以實現精準控制的藥物釋放。

文獻鏈接：Bioresponsive materials?(Nat. Rev. Mater., 2016, DOI:10.1038/natrevmats.2016.75)

本文由材料人生物材料組陳昭銘供稿，材料牛編輯整理。

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