一、研究背景

早在新石器时代，人类就使用棉、麻和丝等天然纤维来覆盖身体和保暖。随着化学工业和高分子材料工业的发展，人们设计和合成了一系列合成高分子纤维，这些纤维已不局限于服装和家用纺织品，而是扩展到环境、能源、医药和其他高精尖技术领域。1990 年，第一届国际纳米科学与技术会议召开，标志着纳米技术领域的正式建立。纳米技术的兴起带动了纳米材料的蓬勃发展和广泛应用，使纳米材料成为推动科技进步的重要力量。纳米纤维是一种一维纳米材料，具有极高的表面特性。经过各种改性，纳米纤维具有光、热、电、磁等特性，可广泛应用于航空航天、国防、环境治理、电子能源、生物医药等高精尖领域。金属化纳米纤维是一种新型纳米材料，在生物医学领域有着广泛的应用前景。之所以具有如此广泛的应用前景，是因为金属离子具有许多独特的物理化学特性，如大的比表面积和良好的表面、磁性、光学和电子特性。使其在生物医学中具有许多非常规的用途。首先，金属微粒具有较大的比表面积，因此在生物医学应用中用途非常广泛。例如，金属微粒可用于生物传感器，通过检测金属微粒表面的化学反应来检测生物分子。此外，金属微粒还可用于给药，通过将药物包裹在金属微粒表面来增加药物的溶解度和生物利用度，从而提高药效。其次，金属微粒的表面特性可以通过表面改性来调节，从而提高其在生物医学领域的适用性。例如，对金属微粒进行表面改性可以改善其生物相容性、提高其稳定性并改变其表面电荷。此外，金属微粒的表面改性还可用于制备具有特定功能的纳米材料，如靶向给药系统和生物成像探针。第三，一些金属颗粒具有磁性，因此在生物医学领域应用非常广泛。例如，磁性金属颗粒可用于磁共振成像，通过控制金属颗粒的磁性来对生物组织成像。此外，磁性金属颗粒还可用于磁性靶向给药，通过磁性引导药物到达特定靶点，从而提高药物疗效。第四，一些金属微粒具有特殊的光学特性，如表面等离子体共振和荧光，使其在生物医学方面的应用非常广泛。例如，金属微粒可用于细胞成像，通过控制金属微粒的光学特性对细胞进行成像。此外，金属微粒还可用于生物传感器，通过检测金属微粒表面的荧光信号来检测生物分子。最后，一些金属微粒具有特殊的电子特性，如量子点和导电性，使其在生物医学应用中具有非常广泛的用途。例如，金属微粒可用于荧光成像，通过控制金属微粒的电子特性实现生物分子成像。此外，通过控制金属颗粒的导电性，金属颗粒还可用于电子传输。金属微粒作为一种新型纳米材料，在生物医学领域有着广阔的应用前景。金属微粒的物理化学特性使其可用于各种生物医学应用，如药物输送、细胞成像和生物传感。这些应用将推动生物医学领域的创新和发展。

纳米医学领域的许多研究进展都集中在用金属改性的纳米纤维上。金属的各种特性，如延展性、导热性和导电性、尺寸稳定性和高成型性，可用于纳米纤维的多种应用中。例如，金属化纳米纤维具有优异的可塑性和抗菌性，可用作组织工程领域的纳米纤维材料。此外，在纳米纤维上改性特定药物也有利于局部靶向和定位治疗。金属化纳米纤维的另一个应用是药物输送。金属与材料之间的相互作用可形成多孔网络结构；在孔隙中填充药物可实现局部靶向释放，从而提高药物效率，同时减少药物对主要组织和器官的影响。由于金属具有特定的导电性，可以制备一系列传感器来测定生物大分子的含量。因此，金属化纳米纤维用途广泛，在生物医学领域具有深远的影响。

本综述首次总结了基于金属材料的纳米纤维在生物医学方面的应用。总体而言，综述分为五个部分（图 1）。第一部分介绍了在制备纳米纤维时加入金属元素的原因，以及金属的特性和应用。第二部分列举了纳米纤维的各种改性方法和特性。接着，介绍了纳米纤维的不同制备方法和形态特征。第四部分涉及金属化纳米纤维的表征。最后一部分重点概述了金属化纳米纤维的生物医学应用。总之，本综述使研究人员能够更好地了解金属化纳米纤维在生物医学中的各种应用，以解决临床医学难题。

二、摘要

纳米纤维是具有纳米级直径和特定长度直径比的长线状材料。纳米纤维具有多孔网状网络，具有极高的比表面积，孔隙之间具有显著的互联性，可进行化学修饰和装载药物。金属化纳米纤维是一种新型材料，它通过静电纺丝掺杂、化学修饰和负载方法将金属与纳米纤维结合在一起，从而提高了传统纳米纤维的性能属性。由于其独特的物理和化学性质，金属化纳米纤维是物理化学、材料科学和电池制备领域迅速发展的多样化材料。迄今为止，随着先进制备技术和材料生物相容性水平的提高，金属化纳米纤维凭借其优异的导热性、导电性和独特的金属特性，其应用正逐渐扩展到生物医学领域。东华大学史向阳教授和山西医科大学张瑞平教授团队在本综述总结了金属化纳米纤维在生物医学中的应用。建议以安全性和稳定性为主要材料选择准则，制备用于组织工程、药物输送、肿瘤治疗、伤口愈合和生物传感应用的金属化多功能纳米纤维。最后，总结并讨论了生物医学应用纳米纤维的开发。

三、结论

从化学领域的角度来看，金属化纳米纤维可以储存能量，用于开发太阳能电池。此外，金属化纳米纤维还可被各种材料功能化，从而应用于许多催化和仿生领域。本综述重点介绍了金属化纳米纤维的制备概念和材料在生物医学领域的应用。首先，我们总结了金属在纳米纤维中的优势，包括较强的机械性能，为后续构建载药成像、医疗器械等奠定了基础。然后，我们介绍了基于生物医学应用的纳米纤维的制备和改性，生物医学应用要求材料无毒、无害、无细菌。接着，讨论了金属化纳米纤维的形态分类及其基本表征。最后，综述重点介绍了金属化纳米纤维的生物医学应用。

从许多有关金属化纳米纤维的研究中可以看出，为满足研究人员的需求，出现了许多开发成果，包括基于金属有机框架、基于金属酚醛网络、基于水凝胶和纳米粒子功能化的纳米纤维。这些金属化纳米纤维各具特色，在纳米药物输送、肿瘤治疗、伤口修复和生物传感等领域有着积极的应用。此外，金属化纳米纤维可结合多种金属材料的特性，如铁磁材料的热疗性、纳米金的多组合治疗模式、金属银纳米粒子的抗菌性，以及适应各种不同药物和靶向肽的灵活性；这些纤维可扩展到开发各种具有不同特异性的纳米药物和治疗不同类型的疾病。最后，纳米纤维的研究在有关封装药物效率和释放过程的检测部分得到了更好的发展。研究人员仍需探索改进这一部分的检测机制。金属化纳米纤维可用于制备各种生物医学材料，如人工心脏瓣膜、人工血管和组织工程支架。此外，金属纳米纤维还可用作生物传感器和药物载体，对生物医学研究和治疗具有重要意义。

金属化纳米纤维作为具有优异性能的材料，在生物医学领域前景广阔，但仍存在一些局限性。因此，可以从以下几个方面考虑改进金属化纳米纤维的制备和应用。

1) 金属纳米纤维的安全性不容忽视。由于涉及生物医学应用，研究人员选择的材料必须是无毒无害的，尤其要注意金属的副作用、代谢方式和可能的身体免疫反应。

2) 必须进一步优化金属化纳米纤维的合成方法和多部位改性。在纳米纤维的表面改性过程中，可通过特定的官能团（羧基、氨基、酰胺基、烷氧基、磺酸基等）对纳米纤维进行改性，以拓宽金属化纳米纤维的应用领域。此外，随着人工智能的发展，制备过程可以结合人工智能进行优化选择。

3) 金属化纳米纤维材料的设计可在材料科学、纳米技术、药学和临床医学等多个领域得到提升。研究人员需要拓展应用领域，重点解决制药行业的实际问题。

4) 临床转化一直是纳米材料面临的挑战。如何在工业化生产金属化纳米纤维的同时，确保其产品的稳定性、安全性和可控性，是研究人员需要攻克的一大难题。尽管存在这些缺点，但随着技术的进步和应用需求的增加，金属化纳米纤维仍具有广阔的应用前景。

图1.金属化纳米纤维的设计、改性、表征及其生物医学应用示意图。

 

图2.a) 合成 TiO2 纳米纤维的电纺丝设置示意图。 b) 介孔 TiO2-NF 检测酯化胆固醇的原理。酯化胆固醇检测的原理。经许可转载。[2] 美国化学会 2014 年版权所有。

 

 

图3.a) 多孔碳纳米纤维的合成方法。16] 2014 年美国化学学会版权所有。 b) Ni(PDA)MOF@CNF 垫的制备方法示意图及其用于葡萄糖检测的原理。经授权转载。版权 2022 年，爱思唯尔。

 

图4.带有生物活性 PFB 端帽的五肽自组装形成了具有不同交联密度的超分子纳米结构，并在三维水凝胶培养物中形成了依赖于基质的 hMSCs 多细胞组装。[16]版权归英国皇家化学会所有，2022 年。

 

图5.a) TOCNF-GN/PAA 水凝胶示意图。b) TOCNF-GN/PAA 水凝胶的详细制备机制。c) 表征实验结果表明 TOCNF-GN/PAA 水凝胶具有优异的导电性、自愈性、柔韧性和拉伸性。d) 利用 TOCNF-GN/PAA 水凝胶的应变传感器功能改变电流，从而在实验中写出不同的字母（N、J、F 和 U）。字母（N、J、F 和 U）。 e) 在手臂上涂抹 TOCNF-GN/PAA 水凝胶。 f) 在腿部使用 TOCNF-GN/PAA 水凝胶。经许可转载，版权归 2020 年爱思唯尔所有。

 

图6.a) 用于皮下肿瘤的软性广谱透明均匀温度分布 HTP。 b,c) 用 HTP 进行皮下肿瘤热疗的示意图。皮下肿瘤的热疗示意图。比较 HTP 在 45 和 47 °C 两种过热温度下的热疗效果。d) Notch 信号通路示意图。 e) TEM 图像显示 CAL-27 细胞的形态变化。 f) Western 印迹分析显示细胞凋亡相关蛋白的变化。经授权转载。约翰威利父子公司版权所有 2022 年。