納米凝膠具有獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),內(nèi)部由大量氫鍵支撐,展現(xiàn)出獨(dú)特的體積相變(Volume phase transition,VPT)行為。精準(zhǔn)調(diào)控納米凝膠的體積相變行為,對(duì)于滿足不同生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景中的定制化治療需求,例如在經(jīng)導(dǎo)管動(dòng)脈栓塞術(shù)(Transcatheter arterial embolization,TAE)中平衡栓塞劑的流動(dòng)性與栓塞強(qiáng)度,以及在腫瘤靶向藥物遞送(Tumor targeting drug delivery,TTDD)中實(shí)現(xiàn)藥物的響應(yīng)釋放,具有重要的借鑒與指導(dǎo)意義。
近日,華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李子福教授系統(tǒng)總結(jié)并討論了納米凝膠的體積相變特性及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
2025年12月18日,相關(guān)工作以Nanogels with volume phase transition for biomedical applications為題發(fā)表在nature communications 上。
基于納米凝膠分子內(nèi)部的氫鍵變化,通過(guò)合理設(shè)計(jì)并簡(jiǎn)單改變納米凝膠的主體單體、共聚單體、交聯(lián)劑、結(jié)構(gòu)、氘代程度以及環(huán)境刺激等因素,可以精準(zhǔn)調(diào)控納米凝膠的三種體積相變特性,包括體積相變曲線的平移(Shift)、銳度(Sharpness)和區(qū)間(Range),分別對(duì)應(yīng)納米凝膠相變溫度的升降、響應(yīng)速率的快慢和體積變化的范圍,如圖1所示。納米凝膠的相關(guān)參數(shù),按照其在調(diào)控各個(gè)體積相變特性中的重要性自上而下列出,其中主要參數(shù)位于頂部。因此,可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)納米凝膠的體積相變行為,為諸如經(jīng)導(dǎo)管動(dòng)脈栓塞術(shù)和腫瘤靶向藥物遞送等定制化生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供支持。與此同時(shí),基于納米凝膠的體積相變特性逐漸衍生出多種治療策略,如光熱誘導(dǎo)的腫瘤靶向釋藥和網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)阻塞策略等。

圖1. 納米凝膠的體積相變行為在經(jīng)導(dǎo)管動(dòng)脈栓塞術(shù)和腫瘤靶向藥物遞送等定制化生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的合理設(shè)計(jì)。
進(jìn)一步,納米凝膠在體積相變過(guò)程中所表現(xiàn)的獨(dú)特理化性質(zhì)在腫瘤治療中展現(xiàn)不可忽視的潛力。納米凝膠的回轉(zhuǎn)半徑與流體力學(xué)半徑之比、體積模量K和楊氏模量E在相轉(zhuǎn)變溫度附近呈現(xiàn)最小值,同時(shí)納米凝膠穩(wěn)定的Pickering乳液在相轉(zhuǎn)變溫度附近具有最小的表面張力,如圖2所示。其中,最小和K值有助于納米凝膠實(shí)現(xiàn)最佳的栓塞效率。最小E值在提高納米凝膠腫瘤滲透和腫瘤靶向遞送效率中發(fā)揮重要作用。Pickering乳液的最小γ值在優(yōu)化經(jīng)導(dǎo)管動(dòng)脈栓塞術(shù)和腫瘤靶向藥物遞送方面也展現(xiàn)出巨大潛力。因此,探索并利用納米凝膠理化性質(zhì)在體積相變溫度附近的最小值,有助于進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有腫瘤治療方案并開(kāi)發(fā)更高效的腫瘤治療策略。

圖2. 納米凝膠理化性質(zhì)在體積相變溫度附近呈現(xiàn)最小值,在經(jīng)導(dǎo)管動(dòng)脈栓塞術(shù)和腫瘤靶向藥物遞送中具有重要應(yīng)用前景。
該工作是對(duì)納米凝膠體積相變行為在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中所發(fā)揮關(guān)鍵作用的系統(tǒng)總結(jié)和展望。近幾年來(lái),李子福教授團(tuán)隊(duì)基于納米凝膠力學(xué)特性開(kāi)發(fā)了網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)阻塞策略和光熱調(diào)控腫瘤力學(xué)策略,顯著提高了納米藥物的抗腫瘤療效(Nature Communications, 2023, 14, 1437);系統(tǒng)總結(jié)了利用納米藥物力學(xué)特性賦能抗腫瘤治療的研究進(jìn)展并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行展望(Chemical Society Reviews, 2020, 49, 2273-2290;Chemical Society Reviews, 2025, 54, 5698-5734);同時(shí),建立了納米藥物力學(xué)和腫瘤力學(xué)之間的邏輯關(guān)聯(lián),為優(yōu)化納米藥物力學(xué)設(shè)計(jì)提供新思路(Advanced Science, 2024, 11, 2306730;Chemistry of Materials, 2024, 36, 1041-1053)。
原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-025-67780-8
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