繼四種鎂結合型納米顆粒及其制備方法之后，本期#材料輕Talk之元素系列，我們將展開探討它在生物醫藥領域的應用前景，并帶來精選相關文獻介紹。歡迎文末留言參與討論！

鎂結合型納米顆粒的
生物醫學應用

腫瘤治療

H2可以選擇性清除羥基自由基（·OH）和過氧亞硝酸根陰離子（ONOO-），打破細胞內氧化還原平衡，誘導腫瘤細胞凋亡，同時保留生理活性氧。福州大學宋繼彬團隊制備了pH 敏感聚合物涂層的 Mg 納米花，通過在酸性腫瘤微環境中產生H2用于癌癥治療[1]。此外，中科院上海硅酸鹽研究所施劍林教授課題組與華東師范大學步文博課題組制備了一種可注射的Mg2Si納米顆粒，這種納米顆粒在腫瘤細胞的酸性環境中能夠釋放出硅烷，硅烷與組織溶解氧以及血紅蛋白結合的氧迅速反應生成SiO2。SiO2可以阻塞腫瘤毛細血管，達到“餓死癌細胞”的目的[2]。還有研究證明鎂離子可以增強T細胞的效應功能，因此可以推測鎂結合型納米顆粒在癌癥免疫治療方面也有很大的潛力[6]。

抗菌

氧化鎂的表面包覆一層氫氧根離子，由于氧氣在堿性環境中具有化學穩定性，所以高濃度的活性氧離子得以在氧化鎂表面存在。而活性氧的強氧化性，可以破壞細菌的細胞膜壁的肽鍵結構從而迅速殺死細菌。納米氧化鎂粒子可以產生破壞性吸附，也可以將細菌的細胞膜破壞。通過粒徑大小、形貌特征等控制，可以提高納米氧化鎂的抗菌性能。比如，科學家已成功開發出了一種鱗片狀納米氧化鎂粉體，對炭疽熱、葡萄球菌、大腸桿菌等表現出極強的抗菌殺菌能力。與納米氧化鎂類似，納米氫氧化鎂也具有顯著的抗菌活性。

骨修復

Mg2+是骨內穩態和代謝不可或缺的組成成分。目前研究已經發現Mg2+缺乏會破壞全身骨代謝，其特征是骨形成不足和骨吸收失調，相反補充Mg2+可以幫助骨愈合。張等人開發了一種基于透明質酸和自組裝雙磷酸鎂納米顆粒的新型生物活性納米復合水凝膠，水凝膠通過釋放Mg2+ 促進體內骨再生，而且促進人體間充質干細胞（hMSCs）分化的同時，又增強了細胞的粘附和擴散[3]。Mg2+可以調控骨組織微環境，增強抗炎（IL-10）和促成骨（BMP-2和TGF-β1）細胞因子的產生，有效誘導巨噬細胞從M0表型向M2表型極化，促進骨髓間充質干細胞的增殖和成骨分化[7]。

抗炎

在生理條件下，Mg首先轉化為Mg(OH)2。由于體內Cl-的存在，Mg(OH)2隨后轉化為氯化鎂并產生氫氧化物。因此，Mg的溶解可以緩沖周圍環境中的酸，增加局部的pH值。樊瑜波教授團隊研制了一種鎂/聚乳酸（Mg/PLLA）復合載藥微球，將可降解金屬鎂顆粒引入聚乳酸微球中。由于鎂的降解產物呈堿性，能夠中和聚乳酸降解產生的酸性產物，因而大大減輕了微球植入后的炎癥反應[8]。

文獻案例

Nature Nanotechnology

硅化鎂納米粒作為脫氧劑用于腫瘤饑餓療法

Magnesium silicide nanoparticles as a deoxygenation agent for cancer starvation therapy

摘要：

氧氣對癌癥的生長至關重要，通過消耗腫瘤內氧氣來饑餓腫瘤是抗癌的一個潛在的有用策略。這里我們展示了可注射的聚合物改性硅化鎂（Mg2Si）納米顆粒可以通過清除腫瘤中的氧來充當DOA，并形成阻止腫瘤毛細血管再氧化的副產物。納米顆粒是通過自蔓延高溫合成策略制備的。在酸性腫瘤微環境中，Mg2Si釋放硅烷，硅烷與組織溶解的氧和血紅蛋白結合的氧有效反應，形成氧化硅（SiO2）聚集體。這種二氧化硅的原位形成阻斷腫瘤的毛細血管，阻止腫瘤獲得新的氧氣和營養供應。

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Chem

鎂納米粒子的合成用于 NIR-II區光聲成像引導的協同爆發和氫氣癌癥治療

Synthesis of magnesium nanoparticle for NIR-II-photoacoustic-imaging-guided synergistic burst-like and H2 cancer therapy

摘要：

金屬鎂是H2癌癥治療的一個有前途的平臺。而現有鎂顆粒的不良直徑和形狀大大阻礙了它的治療應用。在此，作者首次報告了直徑和形狀可控的Mg納米顆粒的合成。包括六邊形納米片（80-320納米）、納米花（100- 250 nm），以及小型納米顆粒（平均65 nm），通過一鍋法制備了pH敏感的聚合物涂層的鎂納米花，并應用于NIR（近紅外）-II光聲和氣泡增強的超聲波成像和癌癥治療。它在腫瘤中持續產生H2，因為酸性的腫瘤環境觸發了聚合物外殼的分解，導致了鎂和水的反應。產生的H2氣泡不僅誘發了瞬時空化和機械性破裂溶酶體，還擾亂了細胞的能量代謝，同時誘發了高氧化應激，導致了癌細胞死亡。因此，這種無藥治療方法呈現出卓越的協同抑制腫瘤的效果。

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特別鳴謝：張婷婷

參考文獻：

[1] L. Liu, Y. Wu, J. Ye, Q. Fu, L.Su, Z. Wu, J. Feng, Z. Chen, J. Song, Synthesis of magnesium nanoparticle for NIR II-photoacoustic-imaging-guided synergistic burst-like and H2 cancer therapy,Chem,(2022).

[2] C. Zhang, D. Ni, Y. Liu, H. Yao, W. Bu, J. Shi, Magnesium silicide nanoparticles as a deoxygenation agent for cancer starvation therapy, Nature Nanotechnology, 12 (2017) 378-386.

[3] K.Y. Zhang, S.E. Lin, Q. Feng, C.Q. Dong, Y.H. Yang, G. Li, L.M. Bian, Nanocomposite hydrogels stabilized by self-assembled multivalent bisphosphonate-magnesium nanoparticles mediate sustained release of magnesium ion and promote in-situ bone regeneration, Acta Biomaterialia, 64 (2017) 389-400.

[4] B. Zhang, R.J. Yao, L.H. Li, Y.N. Wang, R.F. Luo, L. Yang, Y.B. Wang, Green Tea Polyphenol Induced Mg2+-rich Multilayer Conversion Coating: Toward Enhanced Corrosion Resistance and Promoted in Situ Endothelialization of AZ31 for Potential Cardiovascular Applications, Acs Applied Materials & Interfaces, 11 (2019) 41165-41177.

[5] C. Hu, F. Zhang, Q. Kong, Y. Lu, B. Zhang, C. Wu, R. Luo, Y. Wang, Synergistic Chemical and Photodynamic Antimicrobial Therapy for Enhanced Wound Healing Mediated by Multifunctional Light-Responsive Nanoparticles, Biomacromolecules, 20 (2019) 4581-4592.

[6] J. Loetscher, A.-A.M.I. Lindez, N. Kirchhammer, E. Cribioli, G.M.P.G. Attianese, M.P. Trefny, M. Lenz, S.I. Rothschild, P. Strati, M. Kuenzli, C. Lotter, S.H. Schenk, P. Dehio, J. Loeliger, L. Litzler, D. Schreiner, V. Koch, N. Page, D. Lee, J. Graehlert, D. Kuzmin, A.-V. Burgener, D. Merkler, M. Pless, M.L. Balmer, W. Reith, J. Huwyler, M. Irving, C.G. King, A. Zippelius, C. Hess, Magnesium sensing via LFA-1 regulates CD8(+) T cell effector function, Cell, 185 (2022) 585-+.

[7] Z. Lin, D. Shen, W. Zhou, Y. Zheng, T. Kong, X. Liu, S. Wu, P.K. Chu, Y. Zhao, J. Wu, K.M.C. Cheung, K.W.K. Yeung, Regulation of extracellular bioactive cations in bone tissue microenvironment induces favorable osteoimmune conditions to accelerate in situ bone regeneration, Bioactive Materials, 6 (2021) 2315-2330.

[8] F. Yang, X. Niu, X. Gu, C. Xu, W. Wang, Y. Fan, Biodegradable Magnesium-Incorporated Poly(L-lactic acid) Microspheres for Manipulation of Drug Release and Alleviation of Inflammatory Response, Acs Applied Materials & Interfaces, 11 (2019) 23546-23557.