Nature子刊综述：生物响应材料！

引言：“智能”生物响应材料是指对生物信号或者病理学异常敏感，并且能与它们作用或者能被它们激励的材料，智能生物材料是实现下一代精准医疗的一个吸引人的平台。随着对各种生物响应机理了解的深入，研究人员在材料化学、生物分子工程、制药科学、微纳制备取得了一系列成果来发展生物响应材料，生物响应材料的应用包括受控药物释放、诊断、组织工程和生物医学装置。最近，北卡罗来纳大学教堂山分校Zhen Gu 和生物材料界大牛Robert Langer（共同通讯作者）等在Nature Reviews Materials上发表综述概括了智能生物材料的最新进展，以及其设计原则、面临的挑战、未来的发展方向以及临床转化等 。

综述导览图

1 简介

早在70年代，将工程材料作为配药或者用于控制药物释放的研究已经开始了。最近，如何将刺激-响应的智能材料应用到生物医学中受到人们的广泛关注，这些应用包括药物递送、诊断、组织工程和生物医学设备。其中的研究焦点是设计生物相容性好的、并且能对特定生物刺激（如生物信号、病理性异常）做出响应的材料，这些刺激响应可以增强材料和生物目标的作用或者激励药物的释放。

为什么需要智能响应材料呢？在药物递送中，治疗效率直接与给药方法相关，这就要求药物的精确释放（box 1）；对于诊断来说，智能生物材料能够进行非侵入或者低程度侵入式的实时成像；在组织工程和再生医疗方面，智能生物材料能够与细胞交流和作用。

生物响应材料通常可以分解为许多对生物敏感的功能片段，通过适当的方法将这些功能片段组建成需要的配方、支架或者装置。为了避开在临床转化中遇到的困难，作者讨论了智能生物材料的基本设计原则（主要是药物递送和组织工程）。

Box 1 药物受控释放的生物响应模式。大部分的受控药物释放可以分成以下三类：直接激活、逐步激活和自调节激活。（a）直接激活 材料直接对目标生物体做出响应从而促进药物释放（b）逐步激活 材料被第一种生物刺激激活，在第二种刺激的作用下药物被释放（c）自调节激活 也叫信号反馈控制系统，在这种模式中，受到刺激时药物会直接释放，但是被释放的药物会影响周围的环境，反过来影响药物的释放，直到达到动态平衡

2 对生理环境敏感

病变（如癌症、自身免疫性疾病感染、心血管疾病等）通常会导致该区域生理环境发生特定的改变，这些改变就成为生物响应材料的理想目标。通常这些刺激可以分为三类：器官层次的刺激、与生理环境相关的刺激和细胞组分的刺激（图1，表1）。

图1 与生理学刺激因素相关的生理环境。生理环境的差异存在于器官、组织和细胞层次，并且与各类的病理学相关，如癌症、心血管疾病、糖尿病、中风、慢性创伤。ATP（三磷酸腺苷）、GI（肠胃）。

表1 典型的生理刺激因素总结

2.1 pH

能对pH做出响应的材料通常能进行物理或化学的变化，如溶胀、收缩、离解、降解等（box 2），pH响应性来源于可电离基团的质子化或者化学键的酸降解。

在细胞内输运时，内涵体的酸化以及随后与溶酶体融合为药物释放提供了理想的pH梯度，在器官层次上，沿着肠胃道的pH梯度使口服药具有器官特异释放性。癌症或者发炎区域的局部酸化也经常被用来控制疾病特异的药物释放。这些材料包括由丙烯酸、甲基丙烯酸、顺丁烯二酸酐、N，N-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯聚合形成的聚合物。在制药工业上，氨基烷基甲基丙烯酸酯共聚物，一种美国食品药品监督管理局（FDA）许可的阳离子聚合物，在酸性条件下溶解度增加，已经被用来作为味觉掩体（在口腔中溶解度低，从而药物释放缓慢，使人感觉不到）。

Box 2 典型的生物响应动作。生物响应材料能够与生物支架、装置等结合从而与生物刺激因素产生不同的作用，大部分这种材料能用“可变形”来形容，因为它们在遇到刺激因素的时候会发生形貌改变。理想的生物响应行为是高选择性和高敏感性的，这就要求目标特异响应。如图中所示，刺激响应能通过物理变化、化学变化或者两者的结合实现。

pH响应材料的设计与选择也与药物分子的性质有关，比如可酸降解的药物（质子泵抑制剂、某些蛋白等），就要保证它们不被胃降解。含有羟基的阴离子聚合物在碱性条件下溶解度更高，可以用来将对酸敏感的药物输运到肠中。聚阳离子作为非病毒运输基因的载体非常有吸引力，因为它能通过静电相互作用与带负电的核酸结合。虽然其它药物的效率和安全性能已经超过了聚乙烯亚胺，但是聚乙烯亚胺还是评估新的聚合物作为核酸运输载体的性能的标准，比如高产量的屏蔽种类聚β-氨基酯被作为制备聚阳离子的指导。另外由带相反电荷的两亲嵌段共聚物自组装形成的微囊是另一类对pH敏感的材料，比如pH敏感的肽双亲物可以被用来进行pH引发的可逆自组装（纳米纤维）。在DNA组装的纳米线团中，内涵体中pH的下降会释放被包围的脱氧核糖核酸酶（DNase），DNase会攻击DNA纳米线团，最终实现在细胞内的药物释放，这可以被认为是一个逐步激活系统（box 1）

虽然有机物还是主要的pH响应材料，但是最近可酸降解的无机材料（如磷酸钙和液态金属）由于其生物相容性及其产生的代谢产物无毒或低毒也被应用到药物输送中。例如在基于液态金属的药物递送系统中，由Ga-In合金组成的核在受到质子攻击时会降解。在最近研究的pH响应造影剂中，磷酸钙会在酸性的实体肿瘤中降解从而释放被限制的Mn2+，Mn2+接着与蛋白质结合，从而增强了核磁共振成像时的弛豫性。

除了直接诱导药物释放外，生理环境中的pH梯度也可以用来实现药物的释放。在某些情况下，装饰有pH响应片段的纳米载体在弱酸性的肿瘤环境中会进行电荷转移，从而通过内吞作用被癌细胞摄取。这种电荷转移的方法也可以用来改善癌症诊断。pH敏感的细胞穿透肽（CPPs），可以被肿瘤处的酸性环境激活，从而促进其在肿瘤内的富集。在最近的研究中，树性分子共轭物前药可以在肿瘤内特异释放，由于其酰胺键在弱酸性的肿瘤环境中断裂。其它种类的生理环境pH梯度，如慢性伤口和发炎地点的酸化，也可以作为pH响应药物的目标。
最近研究人员利用在酸性条件下稳定但是在中性环境下可溶的pH敏感超分子凝胶来制造可以安置在胃中的装置。超分子中的羟基在酸性环境中可以形成分子间氢键，从而形成弹性的含水超分子网络。然而在中性环境中，由于羟基的去质子化，超分子凝胶会快速分解。

除了制造智能载药系统外，pH响应水凝胶也被用在再生医疗中，比如甲基丙烯酸二甲胺乙酯基的支架在酸性环境中可以通过伸展来改变氧和营养的运输，可以产生促愈合效应。

2.2 氧化还原

在组织和细胞中都存在氧化还原电势差，比如谷胱甘肽/氧化谷胱甘肽对是动物中含量最高的氧化还原对，并且谷胱甘肽在细胞质中的含量比在细胞外体液中高2-3个数量级，此外对啮齿类动物的研究表明，癌细胞中谷胱甘肽的含量比正常组织中的要高。除了还原物外，在很多疾病中，如癌症、中风、动脉硬化等，活性氧簇（ROS）也大量存在。

二硫化物在在还原剂（如谷胱甘肽）存在下能转化为硫醇，硫醇在氧化条件下又能生成二硫键，硫醇-二硫化物转化的反应条件温和，使得含二硫化物的材料很吸引人，甚至可以将二硫化物作为交联剂。二硒键是另一种常用的氧化还原片段，在最近的研究中，由含联[二]硒化物的嵌段共聚物自组装形成的微球同时对氧化剂和还原剂敏感。

氧化响应性的材料的主要靶向目标是ROS（如过氧化氢、羟基自由基），硫基材料是其中主要的一类。研究人员用聚丙硫醚和聚乙二醇共聚形成可以自组装的双亲性物质，酮缩硫醇用于基因输送也取得了成功。

最近报道了一种以骨关节炎中的H2O2为目标的抗发炎药物递送系统，在这个系统中PLGA 空壳中载有抗炎药、酸性前驱体（由乙醇和FeCl2组成）、发泡剂（碳酸氢钠），在这种设计中，H2O2可以扩散通过外壳与乙醇反应建立一个酸性的环境，然后碳酸氢钠分解产生CO2，CO2破坏了外壳，使抗炎药释放出来。

监控局部的ROS含量对一系列疾病（如心血管疾病和药物诱导的器官衰竭）的诊断和治疗有重要意义，包含硫代氨基甲酸酯键的水凝胶聚合物可以通过监控血液中的氧化应激来检测药物诱导的肝损伤。

2.3 酶

由于酶在不同生物过程中发挥的重要作用，与疾病相关的酶异常也可以成为医学的一个靶向目标，比如酯键可以靶向磷酸酶、细胞内酸性水解酶和其它几种酯酶。酰胺虽然在生理条件下相对稳定，但是很容易被酶消化，已经被制成对水解蛋白酶敏感的材料，如前列腺特异抗体。

间质金属蛋白酶（MMPs）与肿瘤发病和转移紧密相关，MMPs可以成为生物响应材料的靶向目标。可激活的CPPs（ACPPs）能被肿瘤处过度表达的MMPs激活，已经被应用在手术中对肿瘤进行可视化。除了肿瘤外，MMPs在哮喘和炎性肠疾病中也存在过度表达，在最近的研究中，带负电的水凝胶被固定在MMPs过渡表达的结肠发炎表面，只有在酶的作用下才会释放出抗炎药。另外，由于结肠中存在几种能分泌多种不同酶（包括几种多糖分解酶）的细菌，使其成为多糖药物递送系统的靶向目标，生物相容性好的多糖，如壳聚糖、胶质、右旋糖苷已经被使用在结肠特异药物递送中。多糖也被作为交联剂来形成可溶解酵素降解的纳米胶，然后加入到隐形眼镜中来进行治疗青光眼药物的持续释放。另外一种在肿瘤中过度表达的酶是透明质酸酶，在一种凝胶-脂质体体系中，以细胞穿透性多肽改性的脂质体作为核来加载药物，以透明质酸交联的壳来包裹能诱导细胞凋亡的配体（TRAIL），在肿瘤环境中，透明质酸能够被过度表达的透明质酸酶消化从而释放TRAIL，然后再释放Dox（抗癌药）。

弗林蛋白酶是一类前蛋白转化酶，它在肿瘤生长、转移和血管再生中发挥重要作用，可被弗林蛋白酶降解的肽交联剂被加入到药物运输载体中，在被细胞吸收的过程中它们能逐渐降解而释放出里面的蛋白质。另外细胞内酶蛋白激酶Cα（PKCα ）在肿瘤增殖中发挥重要作用，PKCα在癌细胞中活性非常高，但是在正常细胞中活性则非常低，研究人员利用PKCα的这个特点来实现靶向基因运输。

在一个水凝胶组成的系统中，当遇到血液凝块时，凝血酶会降解载体中的肽从而释放出肝素，而肝素则能降低凝血酶的活性抑制肝素的进一步释放。

2.4 葡萄糖

目前，血糖监控和胰岛素注入仍是治疗糖尿病一类和晚期糖尿病二类的主要手段，但是这个过程除了痛苦和不方便之外，还很难控制血糖的含量，可能会导致糖尿病并发症，另外，血糖过低则会导致致命的胰岛素休克。因此急需发展一种能够模拟胰腺功能，能对血糖响应并且自调节的闭环药物系统。

1979制造了第一个葡萄糖响应胰岛素递送系统，使用的是伴刀豆球蛋白A（一种糖结合凝集素，ConA），葡萄糖能够使ConA-聚合物复合物解离从而释放胰岛素。研究人员在这个领域做了大量的研究，特别是在实现快速响应、方便注射和生物相容性方面。通常按照控制血糖浓度的原理，可以将胰岛素递送系统分为两类，一种是直接由高含量的血糖触发胰岛素的释放（如ConAn），另一种要利用葡萄糖氧化酶，酶反应使高浓度血糖区域的pH值或氧含量降低，继而促进胰岛素的释放。

亚硼酸与二醇之间的相互作用使得含亚硼酸的聚合物成为葡萄糖响应的潜在材料之一，在最近的研究中，研究人员将含脂肪酸族基团和PBA基团的小分子连接到胰岛素中，这种结合体能与血清或血清中的其它疏水性成分结合，从而延长它们的循环周期和胰岛素的葡萄糖响应释放。

葡萄糖酶能在氧气存在时将葡萄糖转化为葡萄糖酸，从而降低局部的pH值，这会增强赖氨酸的溶解度从而触发水凝胶的溶胀或者毁坏使胰岛素释放。其中的一个例子就是包含葡萄糖酶的阳离子聚合物水凝胶在葡萄糖的作用下的溶胀和退溶胀。除了利用局部酸化效应外，研究人员还利用酶产生的局部乏氧条件来建立葡萄糖响应的微针阵列小块，快速葡萄糖响应胰岛素释放可以通过2-硝基咪唑共轭透明质酸自组装形成的囊泡实现。

葡萄糖响应材料不仅可以作为胰岛素运输的载体，比如在最近的研究中由PBA衍生物组成的水凝胶还被用来作为蛋白质运输载体或者细胞生长的基底，在PBA与二醇的动态相互作用下水凝胶能够自愈合。在最近的报道中，靶向黑素瘤的微针癌症免疫疗法药物递送系统能够在血糖的作用下释放抗-PD1抗体，并且加长了在肿瘤中停留的时间。

除了药物递送系统外，葡萄糖响应材料也能用来进行长期的血糖监控。如用葡萄糖类似物功能化的单壁碳纳米管就被做成葡萄糖传感器。单壁碳纳米管在ConA或者PBA的作用下能够聚集从而发生荧光猝灭，而葡萄糖可以使团聚又重新分离从而恢复荧光。由含葡萄糖识别位点和荧光位点单体制备的荧光性聚丙烯酰胺水凝胶微球已经显示出连续监控血糖含量的潜力。

2.5 离子

不同体液中的离子强度不同，如每个肠胃点都有特定的离子浓度，因此对离子强度敏感的材料作为药物运输载体引起了人们的兴趣。

离子交换树脂是一大类离子响应材料，经常被用做味觉掩体、反离子响应药物释放和持续药物释放，这些树脂通常是不可溶的聚合物，由聚苯乙烯主链和包含离子活性的基团（如磺酸、羧酸）侧链交联而成。口服之后，唾液和肠胃液中的反离子会促进药物的释放，这是由离子交换平衡反应控制的。比如，含有季铵基的阳离子聚合物会对唾液中的离子敏感。有下部临界会溶温度（LCST）的聚合物对离子强度也敏感，在盐中LCST会降低。聚离子复合胶束是另一类离子敏感材料，离子复合胶束随着盐浓度的变化而可逆形成和解离已经被用来控制药物的释放。

除了对离子强度的变化响应外，材料也可以通过形成复合物而对特定的离子类型敏感，在最近的报道中，用β-环式糊精和疏水2,2’-联吡啶改性的金属离子响应粘性水凝胶的化学选择粘附性能通过金属配体与宿主基团的反应而改变。

2.6 ATP

三磷酸腺苷（ATP）通常被称为细胞内能量传输的分子货币单位，其在细胞内的含量比在细胞外环境高。

ATP控制的药物递送系统通常用靶向ATP的适体作为‘生物闸门’来实现药物的按需释放，近些年一系列的材料（如介孔二氧化硅、聚离子胶束、适体交联的DNA微胶囊）已经被证明在细胞内高含量ATP条件下可以释放治疗药物或者恢复荧光信号。在这些例子中，ATP要不竞争吸附在药物结合位点上以触发药物释放，要不促进构型改变来破坏载体的结构。比如，加载Dox的DNA双螺旋如果加入DNA适体，在富含ATP的环境中ATP会竞争吸附在ATP适体上，造成DNA双螺旋的解体从而释放药物。在另外的设计中，由桶状伴侣蛋白单元组装成的蛋白质纳米管能够保护药物不被生理环境降解，但当它遇到ATP时伴侣蛋白的构型发生变化使管状的结构发生解体，从而释放药物。除了单独作用外，ATP还可以与其它刺激物共同作用。

2.7 乏氧

乏氧与一系列的疾病相关，如癌症、心肌病、缺血、类风湿性关节炎、血管疾病等。

乏氧在肿瘤转移、抵抗治疗中扮演重要角色，已经被广泛利用进行诊断和治疗。硝基芳香化合物衍生物在乏氧条件下能够转化为亲水性的2-氨基咪唑，并且灵敏度很高，使其成为被研究最广泛的乏氧成像和生物还原前药功能基团。类似的，先前被作为成像探针的乏氧敏感基团，偶氮苯，已经被作为可生物还原的交联剂来实现siRNA的靶向输送。最近研究人员用包含氧气敏感官能团的材料来代替乏氧敏感的小分子或过渡金属复合物来提高体内生物的敏感性和特异性。为了实现对肿瘤细胞的超灵敏检测，合成了一种由磷光性Ir复合物和PVP共轭形成的水溶性大分子成像探针，这种探针具有乏氧灵敏性并且能发射近红外光。

2.8 温度

含有低临界会溶温度（LCST）的聚合物在温度接近LCST时会发生剧烈的相变，而LCST能够通过聚合物中亲水性和疏水性成分的比例来调控。当LCST在室温和人体体温之间时，聚合物就对生理温度敏感。

聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）在LCST（32℃）发生溶胶-凝胶转变，并且这个温度可以通过与疏水性单体共聚或者通过引入疏水性基团来使其更加接近体温。用PNIPAM进行温度响应药物释放在80年代发展起来，在一些杂化系统中，可以通过引入无机材料（如金纳米颗粒）改变LCST。为了加速温度响应转变过程，研究人员将可控、可激活的纳米胶作为交联剂来建造温度响应水凝胶，这种水凝胶在保持高弹性的同时展示出快速并且可逆的响应特性。丙烯酰基吡咯烷-甲基丙烯酸2-羟基乙酯均聚物和共聚物已经被合成并且用来实现温度调节胰岛素释放。蛋白质中温度敏感的卷曲螺旋域已经被引入可溶性聚合物中来产生温度响应杂化材料。

其它的温度响应材料包括几类合成多肽，其中类弹性蛋白多肽（ELPs）引起了相当的关注。ELPs是由Val–Pro–Gly–X–Gly (X ≠ Pro)重复序列组成的可基因编码多肽。这些具有可控成分和长度的多肽的LCST可以在0-100℃内精确调节以使其应用在不同方面。LCST低于体温的ELP-治疗药物共轭物在局部注射后能够由温度诱导凝聚成药物仓库。在类似的方法中，ELP与可酶解的类胰高血糖素肽-1融合得到可注射的药物仓库。

2.9 机械因素

血管变窄或者堵塞会在正常血管和收缩血管之间产生明显的流体切变力差别，利用受阻位点的高切变应力来靶向阻塞的病变血管近来受到关注。

比如球状脂质体在切变力中很稳定，而扁豆状脂质体在高切变力时会形成瞬时小孔而释放药物。另一种策略是使用在静态条件下稳定而在高切变应力下变形的微米级团聚物，由几种纳米颗粒组成的血小板状微团聚物在异常高切变应力的地方会解离，解离形成的纳米颗粒由于受到更小的拖拽力而更有效的附着在血管壁中。这种设计使药物在病变区域富集，降低偏靶药物释放。

另一种与体内压力梯度相关的方法是精确调控纳米颗粒的尺寸以利用高通透高滞留效应，提高平均动脉血压可以提高效率并且增强药物在肿瘤的富集。

最近发展了一种可穿戴、由可拉伸弹性体薄膜组成的拉伸应变敏感的装置，这种装置里面嵌入加载药物的PLGA胶囊，在施加应变时，胶囊收到表面拉伸与收缩从而释放药物。

2.10 核酸

核酸，包括RNA和DNA，由于其在不同生物进程中的多种作用以及独特的杂交特性已经成为重要的生物触发因素。

miRNA的变性与肿瘤的形成与生长相关，使其成为癌症治疗的潜在目标。在一种设计中，多组分核酸酶被修饰到二氧化硅包覆的金纳米棒表面上，其中由两种多组分核酸酶组成的非活性DNA片段可以在目标miRNA存在时发生构型改变而被激活，被激活的多组分核酸酶解离释放出荧光探针进行生物成像，而DNA片段构型的改变可以触发治疗药物的释放。用DNA适体作为‘闸门’的介孔硅纳米载体在遇到目标miRNA时能够特异释放Dox。另外载有核糖核酸内切酶的仿生纳米系统用寡核苷酸作为识别片段来实现位点特异的靶向RNA解离。

DNA能够对纳米颗粒系统进行高精度的物理化学控制，而DNA寡核苷酸特异作用辅助组装的金纳米颗粒增加了这种能力。最近用DNA控制胶体键合取得了重大突破，在这种方法中，无机纳米颗粒在DNA链的引导下像原子一样形成类晶体结构。在另外的动态胶体纳米系统中，DNA被用来控制纳米颗粒的形貌使细胞靶向性的叶酸配体隐藏或者暴露从而调节纳米颗粒-细胞间的相互作用。

为了控制适体在治疗时的活性以及减少副作用，研究人员开发出了匹配的寡核苷酸来中和治疗中使用的寡核苷酸，另外，聚合物与蛋白质或适体之间的序列无关的相互作用被用作普适的手段来抵消循环适体的活性。

3 对生物颗粒敏感

除了制备对生理信号敏感的材料以外，现在的趋势是制备能与生物颗粒（如真核细胞、细菌和病毒）作用的材料，这种设计策略主要包括化学工程（合成和改性）和生物工程（图2）。

图2 对生物颗粒敏感的材料。有两种可以建造能与生物颗粒交流的智能材料的方法：化学工程（a-c）和生物工程（d-g）。（a）细胞响应支架可以拥有一系列有用的性质（b）材料表面可以用细胞粘附的配体修饰或者设计成分形结构以可逆捕获和释放癌细胞（c）拥有特定内化通道以及对细胞诱导环境改变敏感纳米颗粒的运输载体不同的生物工程方法包括使用抗原（d）真核细胞（e）以及T细胞（f）（g）经典的方法

3.1 支架与表面

再生医疗的最终目的是用材料代替病变的组织以取代器官移植，除了要维持所需的物理性能之外还需要加入生物活性的配体来制备生物响应材料。理想的生物材料应该能够指导细胞的行为（如输运、粘附和繁殖），对于干细胞还要引导它们的分化。

一种理性的策略是利用天然细胞外基质中的功能组分，在某个研究中，多孔、可注射的凝胶晶胶（cryogels）在注射之后能够快速回复它们的初始形状。除了凝胶固有的生物活性之外，这些纤维表面的微槽能够促进细胞的包裹和粘着来诱导细胞排列。此外，蛋白质水凝胶由于其生物相容性和容易引人生物活性基团而受到关注。

与天然支架相比，合成支架具有几个优势，包括预设定的物理和化学性质以及价格较低。一种使用最广泛的策略是用MMPs辅助模仿入侵天然细胞外基质以促进组织再生。在这种情况下，整联蛋白结合位点和MMP基底都要提供生物特异降解的合成网络。MMP响应母体已经被用来制备细胞响应药物递送系统以及合成可注射的母体来进行组织再生。通过原位加成反应能够形成PEG和生物响应寡肽水凝胶，里面的母体能够被细胞表面的蛋白酶降解而建立三维的细胞入侵通道。在一种基于PEG可MMP降解的母体中，生物活性的肽胸腺素（Tβ4）被与人脐静脉内皮细胞（HUVEC）共同包裹，Tβ4能激发MMP-2和MMP-9从HUVEC中释放出来，而MMP进一步降解基底触发Tβ4的释放。

除了纯净的天然或者合成材料外，杂化材料也被用来模拟细胞外基质（ECM）的功能。除了直接对母体进行改性，研究人员最近将包裹kartogenin（一种可以诱导分化的小分子）的PLGA纳米颗粒引入透明质酸水凝胶中来促进软骨再生。

细胞粘附配体是ECM的重要组成部分，因此经常被加入生物支架中，具有天然粘附性能的蛋白质和肽（如胶原蛋白和RGD）已经被广泛用来模仿ECM的微环境。此外，研究表明DNA适体能够被引入水凝胶中来特异的粘附细胞，同时最大限度降低对支架机械性能的影响。用小分子修饰的合成母体已经被用来引导细胞的分化。

在支架中加入细胞粘附性的配体的方法已经被用在医学装置中来特异的吸附并且无损的释放细胞（如淋巴细胞和循环肿瘤细胞）。一种由重复DNA适体区域组成的3D网络可以高效的捕捉并且释放癌细胞。同样，抗体也可以与细胞有效粘附，可以使用的基底包括柔性的有机材料（聚苯乙烯）和刚性的无机材料（如金纳米结构和硅纳米线）。除了拓扑形貌的相互作用，由PNIPAM薄膜产生的疏水相互作用已经被用来与抗体结合来提高细胞捕获效率。值得注意的是，在时间和空间上控制水凝胶的物理化学性质和生物相容性至关重要，一种方法是光图案化，光化学技术能用光远距离并且精确的控制水凝胶的性质。

细胞响应材料的另一种应用是在体外和体内创建人工肿瘤微环境以改变免疫系统从而促进基因疗法的效果，比如将免疫疗法与能够调节肿瘤微环境的生物活性材料结合以促进治疗效率。

3.2 合成载体

纳米材料是另一种能够对生物颗粒响应的材料，尤其是细菌，两种主要的响应途径包括：直接靶向细菌（如通过特异摄取通道的微器官识别）和靶向感染的微环境。与细菌相关第二生物线索（cue）包括：毒性、酶的过度表达以及局部酸化。

一类基于麦芽糊精的成像探针被直接用来靶向细菌，这些探针通过细菌特异的麦芽糊精运输通道有效被细菌摄取进而在细菌内富集。

70余年抗生素的滥用创造了超级细菌，超级细菌对传统药物的抗性极强。与传统治疗相比，抗病毒的方法可以延缓抗药性的产生。在一些重度感染的情况下，靶向毒素是一种更好的策略，比如混合单层膜保护的金簇能够识别并且稳定肽链ɑ-螺旋。

此外还发展了一种能够被青霉素G酰化酶（PGA）解离而释放药物和发出荧光的载体-药物共轭物，这种载体降低了杀死细菌的药物使用量并且为靶向结合治疗提供了途径。细胞感染区域中细胞外脂肪酶异常丰富，利用这一点，研究人员开发了能被磷酸酶或者磷脂酶解离的纳米胶。这种细胞靶向药物释放也可以通过用脂肪酶敏感的交联剂连接抗体和PEG实现。

靶向细菌引起的局域酸化也成为对抗细菌感染的途径之一，比如在酸性pH条件下会发生电荷转移的聚合物纳米颗粒被用来进行细菌壁靶向的抗生素运输。

能够防止感染和抑制生物膜生长的抗菌医疗设备在临床中发挥重要作用，因为设备中的感染经常是致命的。比如固定有细胞溶解酶-肽的表面可以感知细菌的粘附并且杀死粘附的细菌，因此适合作为医疗植入体的抗菌表面。

3.3 工程生物颗粒

最近几十年，开发了数量可观的工程生物颗粒用于靶向治疗，其中的一些已经进入临床应用。

对于粘膜靶向运输来说，嗜酸乳杆菌重组子被改造以表达炭疽杆菌保护性抗原，然后与靶向树突状细胞的肽融合以识别以及粘附到粘膜树突状细胞。另外已经证明某种菌株能特异的生长于肿瘤细胞中，显示出天然的肿瘤靶向性。利用这种靶向性，这些细菌已经被基因改性表达某种治疗蛋白来治疗肿瘤。

与细菌类似，病毒也被用来作为天然载体。由改性病毒制造的细胞靶向载体主要利用它们对一系列目标的天然取向性。比如类病毒颗粒是由病毒衍生衣壳或包膜蛋白自组装形成的颗粒，而病毒颗粒是包含病毒衍生表面糖蛋白的球状类病毒脂质双层膜。这些颗粒继承了原来病毒的特异识别细胞并且与细胞作用的性质。尽管它们的潜力，但是目前它们的应用只限于运输疫苗。

干细胞也具有肿瘤特异性，因此被基因改造在特定的肿瘤点表达抗癌蛋白。由于细胞能够内吞纳米颗粒或者将纳米颗粒吸附到它们的表面，也可以用干细胞作为运输纳米颗粒的肿瘤靶向载体。肿瘤细胞的一个重要特征是同型肿瘤细胞相互粘着，利用这一点可以将肿瘤细胞膜覆盖在PLGA的表面来靶向源细胞。天然RNA运输囊泡，如外来体已经被基因改造来运输基因。红细胞（RBCs）是拥有很多有用性质（如长的循环时间）的载药候选者，另外他们特殊的输运性质使得基于RBCs的载体能够靶向能消除RBCs细胞的细胞，如网状内皮系统巨噬细胞。除了使用完整的RBCs外，RBCs膜也被覆盖在PLGA核中用于其它用途，如毒素吸收。用血小板膜包裹的合成纳米颗粒已经被用来靶向 MRSA252 细菌和循环肿瘤细胞。作为免疫系统的重要组成，巨噬细胞固有的在病变细胞沉积的倾向，也是药物运输的载体。与含有纳米颗粒的干细胞类似，巨噬细胞中也可以加入纳米颗粒。

免疫细胞与目标细胞的相互作用已经被广泛研究以建造生物响应的载体。比如免疫系统中的淋巴细胞的相互作用已经被用来开发全细胞传感系统。在最近发展起来的方法中，表达淋巴结转移受体的活的T细胞被用来运输加载有药物的纳米颗粒到癌变淋巴组织中。T细胞治疗通常受到低的体内持久性和快速功能衰退的限制，因此常与其它辅助药物一起注射，载有药物的纳米颗粒被吸附到T细胞的表面来增强疗效。相反，T细胞的特异性可以通过基因工程改变其表面表达的嵌合抗原受体（CARs）而改变，然后培养改性后的T细胞并且注入病人的体内，这些“活的药物”在体内繁殖、识别并且杀死癌细胞。

4 总结与展望

过去十年间生物响应材料得到了广泛开发，同时材料科学、分子动力学和纳米生物技术也取得了很大的进步。虽然发表的结果很多，但是很少能被商业化或者进入临床试验阶段。对于抗癌药物运输来说，Cerulean Pharma 公司的基于环糊精的pH响应纳米颗粒已经完成阶段二的试验，而他与FDA许可的药物聚APD核糖聚合酶抑制剂LYNPARZA的共同使用已经进入临床试验1和2阶段。几种用于诊断的智能材料已经进入临床阶段，包括肿瘤靶向的修饰有NIR荧光团和放射标记肽的二氧化硅纳米颗粒。对于糖尿病治疗来说，默克生产的对葡萄糖敏感的胰岛素已经进入临床第1阶段，Selecta Biosciences生产的用于治疗痛风的SEL-212 已经开始进入临床阶段。

通常技术商业化的成功离不开容易生产、安全性和效率。回顾一下已经商业化的智能材料比如氨基烷基甲基丙烯酸酯共聚物和其它几种脂质体具有一个共同点：简单的结构加上明确的作用机制使得这些材料或装置能够工业化生产和商业化。生物材料的转化经常被它们结构和机制的复杂性所限制。生物响应材料的设计应该以易于转化为主，而不是修饰复杂的结构或者使用新的方法。

在图3 和box 3我们总结了生物响应材料的设计原则以及着重表明了加速转化的几个指导原则。有两个基本的准则应该遵守：响应效率—高选择性、高敏感性以及准确的时间响应；转化潜力—所需的稳定性、优异的生物相容性以及易于产业化。

图3 生物响应材料的设计原则。多方面的考虑，包括响应模式、生理刺激因素、响应动作、材料性质、设计策略和转化标准是制造生物响应材料的原则。

Box 3 设计生物响应材料时应当考虑的事情

更准确地，从材料的角度来说是实现在体内复杂的环境中既能有好的安全性能的同时又能拥有稳定的性能。比如在药物递送中，材料在临床中的性能经常被系统毒性和致免疫性所损害，所以生物相容性是验证所使用的方法正确与否的第一步。另外，生物响应材料要取得进展必须清楚材料在体内的行为，因此理解基本的生物物理和生物化学以及能够实时监测材料在体内活动的技术至关重要。在大多数情况下，药物要经过运输才能到达响应的地点从而有效与生物环境响应，因此有效作用的时间点非常重要。在一些编程的刺激-响应系统中，使用两种或多种刺激协同或者顺序作用还需要进行全面的体内测试以便对每个触发因素进行精准的时空控制。

对于发展新的响应机制以实现高的选择性和敏感性来说，通过评估生物分析化学中的大量文献可以鉴别具有高性能的新触发源。比如最近用一氧化碳敏感的DNA寡核苷酸修饰荧光单壁碳纳米管来检测发炎位点的反应性一氧化碳衍生物，再加上驱动组分的话就可以建立一个闭环的药物运输系统。在最近的例子中，水浓度梯度也被作为刺激因素，这种水响应的聚合物薄膜由刚性组分多吡咯和柔性的多元醇硼酸基水响应单元组成，复合物的机械性能可以通过水触发元调节，它的动作主要由硼酸酯的水解和重新形成而实现，通过与周围环境的水交换使薄膜膨胀或者收缩，使其成为对皮肤湿度敏感的智能材料。研究人员进一步在这种薄膜中加入压电薄膜以实现水浓度梯度驱动的能量输出。

另外新出的策略是利用仿生系统来模拟身体中的自然生物响应机制。比如通过模仿胰腺β细胞的颗粒或囊状的结构和响应机制，加载胰岛素的合成囊泡可以帮助实现快速的葡萄糖响应胰岛素释放。受到病毒对细胞的穿透力强的启发，制备了仿病毒来实现细胞的摄取和深度肿瘤穿透。我们注意到仿生不仅仅限制在生物化学方面，天然材料的物理性质，如形状和机械性能，也可以启发智能生物材料的制造。比如性质和表面生物类似于血小板的纳米颗粒能靶向受损的血管，包裹有高浓度PEG刷的仿病毒纳米颗粒可以有效穿透粘膜。

个体生物信号的差异阻碍了生物响应材料的转化，对于受外部刺激响应的生物材料，如商业化的热响应脂质体、氧化铁纳米颗粒，刺激因素能够手动控制。相反对内部刺激因素敏感的材料则受到病人之间生物参数不一致的影响，另外动物与人之间的差异会更大，因此与被靶向的生物信号相关的信息应该被仔细分析。重要的是生物信号能人为的调节，如通过信号放大。在最近发展的包裹β细胞微针小块中，研究人员设计了一个由 GOx、α-淀粉酶和葡糖淀粉酶组成的乏氧响应信号放大器，放大器首先将BGL转化为局部乏氧以释放被包裹的酶，被释放的酶消化先前嵌入的α-淀粉酶以产生高浓度的局部葡萄糖从而诱导胰岛素的产生。另外生理环境也可以通过基因工程调节，如创造乏氧条件。在某些情况下，物理或者生物化学的触发因素可以原位生成，比如研究人员利用无线电波来条件Ca2+的运输从而遥控体内胰岛素的合成。在另外的实验中，光被用来在特定地点和时间产生乏氧条件以促进药物的释放。更进一步，植入的无线生物芯片或者可穿戴的装置能动态监测生理信号从而产生或者放大信号以实现精准控制的药物释放。

文献链接：Bioresponsive materials (Nat. Rev. Mater., 2016, DOI:10.1038/natrevmats.2016.75)

本文由材料人生物材料组陈昭铭供稿，材料牛编辑整理。

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