Matter综述：磷基多功能纳米材料的设计制备及生物医学应用

【背景介绍】

磷在能量代谢，酸碱平衡和遗传物质转移中起着不可或缺的作用。随着纳米技术的发展，已经开发了许多基于磷的纳米材料，并广泛用于生物学和医学领域。磷基纳米材料的尺寸和结构赋予它们独特的物理化学，光学和生物特性，大大丰富了纳米药物的种类。优异的性能进一步促进了磷基纳米材料在药物纳米载体，肿瘤治疗学，生物传感器和骨骼调节中的应用。

【成果简介】

近日，深圳大学张晗教授团队和哈佛医学院陶伟教授团队对磷基多功能纳米材料的设计与合成及生物医学应用进行了综述。作者按磷基纳米材料现有形式和磷的价态分类如下：有机磷（含磷的树枝状聚合物纳米平台），磷的低价态（金属磷化物纳米材料），磷的零价态（BP纳米材料），以及磷（金属磷酸盐纳米材料）的高价态。文章首先简要介绍了新兴的磷基纳米材料的一般分类/类型、相应的制备方法和功能修饰。接着，概述了磷基纳米材料的一般性能，包括物理，化学，光学和生物特性。随后，系统地介绍了磷基纳米材料的多种生物医学应用，并提出了磷基纳米材料的生物医学临床转化所面临的挑战和未来展望。研究成果以“Phosphorus Science-Oriented Design and Synthesis of Multifunctional Nanomaterials for Biomedical Applications”为题发表在Cell Press旗下材料类旗舰期刊Matter上。

【图文解读】

图1.磷基纳米材料的分类，特性和生物医学应用概述

图2.含磷的树枝状聚合物纳米平台和金属磷酸盐纳米材料的合成

图3.黑磷和金属磷酸盐纳米材料的合成

图4.磷基纳米材料的不同性质

图5.磷基纳米材料作为纳米载体的应用

图6.磷基纳米材料在神经性疾病治疗和细胞成像的应用

图7. 黑磷纳米片稳定性的调节及其用于肿瘤的光动力治疗

图8.磷基纳米材料的生物活性磷酸盐疗法和光动力/化学动力学治疗

图9.金属磷酸盐纳米材料在肿瘤治疗领域的应用

图10.磷基纳米材料在生物传感器中的应用

图11.磷基纳米材料的骨形成调控应用

【总结与展望】

本文系统地将磷基纳米材料分为含磷的树枝状大分子纳米材料，黑磷纳米材料，金属磷化物纳米材料和金属磷酸盐纳米材料。还总结了磷基纳米材料的当前发展，包括合成方法，相应的性质和丰富的生物医学应用。尽管在过去的几十年中磷基纳米材料得到了快速发展，但是该领域仍处于起步阶段，还存在以下挑战和机遇：（1）需要开发更简便的方法来生产足够的磷基纳米材料并确保其良好的重复性。（2）磷基纳米材料在体内的分布和代谢仍不清楚。因此，迫切需要使用先进的成像技术来监测磷基纳米材料的代谢以及在不同时间点的准确分布。（3）磷基纳米材料的长血液循环时间对于提高治疗效率很重要。为了解决这些问题，需要对磷基纳米材料进行表面改性。同样，大多数磷基纳米材料的靶向效率相对较低，这不仅抑制了治疗效率，而且还对正常组织产生了许多副作用。（4）需要阐明不同磷基纳米材料在癌细胞分子水平上的死亡机制，这将有助于磷基纳米材料在生物医学中的应用和优化。（5）磷基纳米材料在体内的主要给药方式包括瘤内注射和静脉内注射，可能不适用于所有类型的癌症，因此需要对每种类型的癌症采用合适的给药方法。（6）磷基纳米材料的生物安全性需要建立一个标准。总之，磷科学是一个有前途的研究领域，需要材料科学，医学，化学和生物学领域的科学家的进一步努力。最终目标是寻求并设计合适的磷基纳米药物，并结合先进的诊断工具和外部能场刺激，以提供用于治疗癌症和其他疾病的高效，精确和安全的方案。

本文的第一作者为哈佛大学医学院博士后研究员唐忠敏博士，深圳大学张晗教授、哈佛大学医学院陶伟教授为本文的通讯作者。

文献链接：Zhongmin Tang, Na Kong, Jiang Ouyang, Chan Feng, Na Yoon Kim, Xiaoyuan Ji, Cong Wang, Omid C Farokhzad, Han Zhang*, Wei Tao*. Phosphorus Science-Oriented Design and Synthesis of Multifunctional Nanomaterials for Biomedical Applications. Matter 2020, 2(2), 297–322, DOI: 10.1016/J.MATT.2019.12.007.