繼上期我們了解了會“隱身”的兩性離子聚合物這種神奇的高分子材料，這種高分子材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有豐富的應(yīng)用前景。本期#技術(shù)領(lǐng)域解析，將為您介紹另一種在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛用途的材料—層狀雙金屬氫氧化物。內(nèi)容精彩，不容錯過！

定義和組成

層狀雙金屬氫氧化物( layered double hydroxides，LDHs)是一種主客層材料，是一類由兩種或兩種以上金屬元素組成的金屬氫氧化物，結(jié)構(gòu)由主層板和層間的陰離子及水分子相互交疊構(gòu)成[1]。

 LDHs結(jié)構(gòu)示意圖（頂部）和周期表（底部）。已報道的進(jìn)入或錨定在LDH層上的金屬元素以紅色突出顯示[2]。

如圖所示，LDHs的化學(xué)式一般描述為[M1-x2+ Mx3+（OH）2]x+[An-]x/n·mH2O，其中M2+（例如Mg2+、Ca2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+或Zn2+）和M3+（例如Al3+、 Cr3+、Mn3+、Fe3+、Co3+、 Ga3+、In3+或Gd3+）代表位于主板層的二價和三價金屬陽離子，An-代表存在于層間區(qū)域的可交換陰離子（例如NO3-、CO32-、Cl-等），用于中和層的正電。X由M3+/（M2+ + M3+）摩爾比決定。通過改變金屬陽離子的類型、電荷和比例、層間陰離子的電荷和方向以及水分子的相對含量，可以對LDHs的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、尺寸、形態(tài)、層間間距和陰離子交換能力進(jìn)行調(diào)整。

LDHs的發(fā)展歷史

? 1842年，Hochstetter首次從片巖中發(fā)現(xiàn)了天然水滑石礦物[3]。

? 1942年，F(xiàn)eitknecht等人通過金屬鹽溶液與堿金屬氫氧化物的反應(yīng)，首次人工合成了MgAl-LDHs，并提出了一個層狀結(jié)構(gòu)模型[4]。

? 20世紀(jì)70年代和80年代，Miyata等人對MgAl-LDHs的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并對其作為一種新型催化劑的應(yīng)用進(jìn)行了探索[5]。

? 20世紀(jì)90年代，人們應(yīng)用現(xiàn)代分析技術(shù)對LDHs的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了更詳細(xì)的研究，充分揭示了其層狀結(jié)構(gòu)的靈活性和可變性。

? 1994年，段等人率先開展了工程和產(chǎn)業(yè)化研究，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，突破了關(guān)鍵制備技術(shù)[6]。1999年，他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了LDHs的插入特性，并成功構(gòu)建了一系列基于LDHs的具有超分子插入結(jié)構(gòu)的先進(jìn)功能材料[7]。

? 自20世紀(jì)中期以來，LDHs由于其特殊的層狀結(jié)構(gòu)、可調(diào)化學(xué)成分和吸引人的物理化學(xué)性質(zhì)，在各種應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛探索，包括光學(xué)、能源存儲和轉(zhuǎn)換、環(huán)境修復(fù)和催化。

? 21世紀(jì)初，LDHs作為抗酸劑和抗胃蛋白酶藥物的活性成分第一次應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。從那時起，LDHs被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

LDH在各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的圖示，按時間順序排列

LDHs的種類和優(yōu)勢

根據(jù)其組成部分，LDH基納米材料可分為三類：原始LDHs、LDH基納米復(fù)合材料和LDH衍生納米材料。具體分類如下圖所示：

LDHs在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面具有的優(yōu)勢:

① LDHs具有高生物相容性和低細(xì)胞毒性。例如，MgAl-LDH是商用抗胃病口服藥的主要成分之一，證明了LDH在體內(nèi)的良好生物安全性。

② LDHs的插入特性以及可調(diào)節(jié)的層間間距（0.73-2.28 nm）和高比表面積（100-600m2g-1）使它們能夠裝載多種功能分子。LDHs的顆粒尺寸和/或?qū)娱g間距可以通過功能分子的插入來調(diào)整，這可能會改變其性質(zhì)和/或優(yōu)化其在特定應(yīng)用中的性能。

③ LDHs的封閉效應(yīng)可以顯著提高插層分子的治療性能，穩(wěn)定性和分散性，避免生物、化學(xué)和物理環(huán)境造成的破壞。

④ LDHs的正電荷有利于與帶負(fù)電荷的藥物共軛，類水滑石層豐富的羥基可以通過氫鍵進(jìn)一步增加藥物負(fù)載。此外，帶正電荷的LDHs可以很容易地與帶負(fù)電荷的細(xì)胞膜（或細(xì)菌膜）相互作用，使藥物（或?qū)?xì)菌的殺菌劑）。在細(xì)胞內(nèi)有效傳遞

⑤ LDHs具有酸敏感特性，可以在酸性環(huán)境中緩慢釋放負(fù)載的藥物分子。

⑥ LDHs的原料來源廣、成本低、合成簡單等特點(diǎn)使其生產(chǎn)容易達(dá)到噸級。此外，具有高比表面積的單層LDHs納米片也已在實(shí)驗(yàn)室中大規(guī)模生產(chǎn)。

基于LDH的納米材料在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的特性和優(yōu)勢示意圖[2]

LDHs的制備和表面改性

基于LDH的納米材料可以通過不同的合成方法制備，以獲得不同的結(jié)構(gòu)（如形狀、大小、厚度、結(jié)晶度）和物理化學(xué)性質(zhì)（如光學(xué)和電子性質(zhì)），并實(shí)現(xiàn)各種功能（如治療、生物成像、生物傳感、抗菌等）。

影響因素

一般來說，制備不同形態(tài)的LDHs涉及金屬鹽溶液與堿性溶液混合，受以下合成條件的影響：

(1)反應(yīng)介質(zhì)的pH值

(2)合成中使用的堿性溶液的濃度和性質(zhì)

(3)反應(yīng)溫度和時間

(4)總金屬陽離子濃度及其摩爾比

制備方法

表面改性

LDHs表面改性的目的一般有兩個：

? 提高LDHs在生理環(huán)境下的穩(wěn)定性和分散性。

? 豐富LDHs的功能。

一般來說，通過化學(xué)修飾來獲得功能化的LDH基納米材料主要通過兩種策略實(shí)現(xiàn)：

? 非共價覆蓋

LDH基納米材料的表面可以通過非共價相互作用（靜電相互作用、氫鍵和范德華力）被某些生物分子、熒光團(tuán)或聚合物（如PEG和PVP）修飾，以調(diào)整其理化性質(zhì)。

? 共價共軛

使用LDHs的羥基與所需基團(tuán)上的特定官能團(tuán)共價偶聯(lián)，如靶向配體或熒光探針。

LDHs的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

● 藥物的控制釋放

LDHs較大的比表面積和可調(diào)節(jié)的層間間距可以實(shí)現(xiàn)藥物分子的高效負(fù)載。將藥物插入LDHs可以保護(hù)藥物分子在生理環(huán)境中的降解和失效，通過與LDHs層上的羥基作用提高其穩(wěn)定性。LDHs的層狀結(jié)構(gòu)可使難溶藥物進(jìn)入以增加藥物的溶解度，同時LDHs的表面/空間限制效應(yīng)還可以減少藥物分子的聚集，發(fā)揮最佳的治療效果。LDHs能通過獨(dú)特的“核內(nèi)體逃逸”能力允許負(fù)載藥物逃離核內(nèi)體，從而保護(hù)藥物保留其功能。LDHs的酸降解特性可以控制藥物釋放率，而且有利于藥物的體內(nèi)清除。

● 腫瘤成像

LDHs作為各種成像方式如FLI、MRI、CT、PET等潛在造影劑受到關(guān)注。LDHs的成像對比能力可以通過加載成像功能劑或改變層的金屬元素來實(shí)現(xiàn)。目前，基于LDHs的ICAs（成像造影劑）可分為單模和多模ICAs。鑒于多種成像模式可以整合到單一的LDHs納米平臺上，因此可以合理地設(shè)計LDHs，使其表現(xiàn)出多種特征的組合，以獲得比傳統(tǒng)單模式成像對比劑更全面的生物信息。

● 癌癥治療

迄今為止，LDHs及其納米復(fù)合材料已經(jīng)在各種癌癥治療中得到了廣泛的探索，包括傳統(tǒng)化療、新興光療法（光熱療法（PTT）和PDT）、基因治療、免疫治療、化學(xué)動力學(xué)治療（CDT）和聯(lián)合治療。

● 治療學(xué)

治療學(xué)是一種將疾病的診斷或監(jiān)測與治療相結(jié)合的生物醫(yī)學(xué)技術(shù)。許多基于LDH的多功能治療納米平臺已經(jīng)被開發(fā)出來，包括單成像模式治療和多成像模式治療。基于LDH的單模治療試劑已成功應(yīng)用于化療、CDT、PDT和PTT。為了獲得更準(zhǔn)確和全面的成像診斷信息，多模式治療技術(shù)也一直在開發(fā)中。

● 生物傳感

目前，基于LDH的生物傳感器的功能主要集中在檢測傳統(tǒng)的生物標(biāo)志物，如過氧化氫、葡萄糖、多巴胺（DA）和蛋白質(zhì)成分，具有以下特點(diǎn)：(1)帶正電荷的LDHs可以與生物酶通過靜電相互作用確保其均勻分布，提高它們的催化活性。(2) LDHs可以作為電催化劑、吸附劑以及固定生物分子或其他修飾劑的載體，以延長分析物與電極之間的作用時間。(3) LDHs具有良好的滲透性和孔隙率，可以提高分析物和其他反應(yīng)產(chǎn)物的遷移率。(4) LDHs的中間層可為化學(xué)反應(yīng)提供良好的微環(huán)境，保護(hù)其免受外界干擾。

● 抗菌應(yīng)用

LDHs的pH敏感生物降解性和靜電相互作用下驅(qū)動的細(xì)菌吸附能力，為制備高效抗菌劑奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。LDHs的抗菌機(jī)制包括：(1) LDHs本身作為抗菌劑。在LDHs和致病菌的相互作用過程中，LDHs中的具有抗菌活性的金屬離子會隨著菌層的溶解而緩慢釋放，從而抑制細(xì)菌的生長和繁殖。同時，特定LDHs（如Zn-LDHs、Ti-LDHs）的光催化性能和表面的大量羥基也會導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生，從而破壞細(xì)菌的生理結(jié)構(gòu)。(2) LDHs作為抗菌劑載體?？咕鷦┛梢栽趯娱g空間或裝載到LDHs表面，并從LDH載體持續(xù)釋放，以達(dá)到理想的抗菌效果。

● 組織工程

LDHs在骨修復(fù)、傷口愈合、神經(jīng)再生、牙齒修復(fù)和心臟修復(fù)等方面取得了重大成果。基于LDH的組織工程材料主要有兩個功能：(1) LDH與支架材料的結(jié)合克服了原始支架材料生物活性不足的限制，可以在沒有免疫排斥的情況下替代或修復(fù)人體組織。同時，通過調(diào)整LDHs中金屬離子的組成，可以使復(fù)合支架具有成骨特性。(2)LDHs作為優(yōu)秀的藥物載體，可以實(shí)現(xiàn)藥物/生長因子的持續(xù)釋放，不僅延長了藥物在人體組織中的作用時間，而且有效避免了藥物突發(fā)釋放引起的副作用。

LDH的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[8]

文獻(xiàn)案例

Nano Letters：鈣粘蛋白E破壞引起的腫瘤細(xì)胞分離用于治療低位結(jié)直腸癌

Low Colorectal Tumor Removal by E?Cadherin Destruction-Enabled Tumor Cell Dissociation

結(jié)腸切除術(shù)帶來的沉重的身體和心理負(fù)擔(dān)、化療中強(qiáng)烈的藥物毒性以及骨髓抑制等給低位結(jié)直腸癌（CRC）的治療帶來了巨大的挑戰(zhàn)。同濟(jì)大學(xué)施劍林院士等人開發(fā)了一種安全且有效的基于腫瘤細(xì)胞分離的低位CRC治療策略。將EDTA裝載到層狀雙氫氧化物（LDH）納米片中，制備了pH響應(yīng)的LDH/EDTA納米片。在腫瘤部位的微酸性條件下，LDH納米片逐漸降解，使EDTA在腫瘤部位實(shí)現(xiàn)酸響應(yīng)的可控性釋放。釋放出的EDTA能夠螯合鈣離子，引起連接腫瘤細(xì)胞的連接蛋白中鈣離子的耗竭，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞分離，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的解聚、清除。分離的腫瘤細(xì)胞能被LDH/EDTA包裹，阻止了其與鄰近組織的再粘連，能有效預(yù)防轉(zhuǎn)移。該研究作為“腔道用微納米片再結(jié)直腸癌中的應(yīng)用及臨床試驗(yàn)”項(xiàng)目已穩(wěn)步開啟，并在晚期結(jié)直腸癌患者身上取得了較好的效果。

全文：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35333538/

Advanced Materials：瘤周注射免疫調(diào)節(jié)佐劑誘導(dǎo)強(qiáng)大且安全的實(shí)體瘤金屬免疫治療

A Peritumorally Injected Immunomodulating Adjuvant Elicits Robust and Safe Metalloimmunotherapy against  Solid Tumors

雖然疫苗佐劑與炎癥細(xì)胞因子或免疫激動劑合理結(jié)合以緩解免疫抑制是一種針對實(shí)體瘤的有吸引力的治療策略，但仍然存在不可避免的非特異性毒性。本文報道了一種基于Zn2+的層狀雙氫氧化物（Zn-LDH）免疫調(diào)節(jié)佐劑，不僅能緩解免疫抑制，還能引起強(qiáng)大的抗腫瘤免疫。瘤周注射Zn-LDH可持續(xù)中和酸性TME，釋放豐富的Zn2+，促進(jìn)由M1-腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞、細(xì)胞毒性T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞組成的促炎網(wǎng)絡(luò)。此外，腫瘤細(xì)胞內(nèi)化的Zn-LDH有效破壞內(nèi)/溶酶體，阻斷自噬，誘導(dǎo)線粒體損傷，釋放的Zn2+激活cGas-STING信號通路，誘導(dǎo)免疫原性細(xì)胞死亡，進(jìn)一步促進(jìn)腫瘤相關(guān)抗原的釋放，誘導(dǎo)抗原特異性細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞。僅注射Zn-LDH佐劑，而不使用任何細(xì)胞毒性炎癥細(xì)胞因子或免疫激動劑，可顯著抑制小鼠實(shí)體腫瘤的生長、復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。

全文：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35986645/

參考文獻(xiàn)：

[1] M. Xu and M. Wei , Adv. Funct. Mater., 2018, 28 , 1802943

[2] T. Hu , Z. Gu, Gareth R. W,  et al. Chem. Soc. Rev., 2022,51, 6126-6176

[3] C. Hochstetter J. Prakt. Chem., 1842, 27 , 376

[4] W. Feitknecht and M. Gerber , Helv. Chim. Acta, 1942, 25 , 131

[5] S. Miyata , T. Kumura , H. Hatori and K. Tannabe , Nippon Kagaku Zasshi, 1971, 92 , 514 —519

[6] L. Wang , Y. Zhou , Y. Lin and X. Duan , Chem. Bull., 2011, 74 , 1074 —1083

[7] X. Xu , Y. Lin , D. G. Evans and X. Duan , Sci. China Chem., 2010, 53 , 1461 —1469

[8] Ameena Shirin. V. K, Sankar, R,Johnson, A. P, et al, J. Control .Release., 2021,330, 398-4262, 25 , 131