納米凝膠具有獨特的三維網絡結構,內部由大量氫鍵支撐,展現出獨特的體積相變(Volume phase transition,VPT)行為。精準調控納米凝膠的體積相變行為,對于滿足不同生物醫學應用場景中的定制化治療需求,例如在經導管動脈栓塞術(Transcatheter arterial embolization,TAE)中平衡栓塞劑的流動性與栓塞強度,以及在腫瘤靶向藥物遞送(Tumor targeting drug delivery,TTDD)中實現藥物的響應釋放,具有重要的借鑒與指導意義。
近日,華中科技大學生命科學與技術學院李子福教授系統總結并討論了納米凝膠的體積相變特性及其在生物醫學領域中的應用。
2025年12月18日,相關工作以Nanogels with volume phase transition for biomedical applications為題發表在nature communications 上。
基于納米凝膠分子內部的氫鍵變化,通過合理設計并簡單改變納米凝膠的主體單體、共聚單體、交聯劑、結構、氘代程度以及環境刺激等因素,可以精準調控納米凝膠的三種體積相變特性,包括體積相變曲線的平移(Shift)、銳度(Sharpness)和區間(Range),分別對應納米凝膠相變溫度的升降、響應速率的快慢和體積變化的范圍,如圖1所示。納米凝膠的相關參數,按照其在調控各個體積相變特性中的重要性自上而下列出,其中主要參數位于頂部。因此,可以通過合理設計納米凝膠的體積相變行為,為諸如經導管動脈栓塞術和腫瘤靶向藥物遞送等定制化生物醫學應用提供支持。與此同時,基于納米凝膠的體積相變特性逐漸衍生出多種治療策略,如光熱誘導的腫瘤靶向釋藥和網狀內皮系統阻塞策略等。

圖1. 納米凝膠的體積相變行為在經導管動脈栓塞術和腫瘤靶向藥物遞送等定制化生物醫學應用中的合理設計。
進一步,納米凝膠在體積相變過程中所表現的獨特理化性質在腫瘤治療中展現不可忽視的潛力。納米凝膠的回轉半徑與流體力學半徑之比、體積模量K和楊氏模量E在相轉變溫度附近呈現最小值,同時納米凝膠穩定的Pickering乳液在相轉變溫度附近具有最小的表面張力,如圖2所示。其中,最小和K值有助于納米凝膠實現最佳的栓塞效率。最小E值在提高納米凝膠腫瘤滲透和腫瘤靶向遞送效率中發揮重要作用。Pickering乳液的最小γ值在優化經導管動脈栓塞術和腫瘤靶向藥物遞送方面也展現出巨大潛力。因此,探索并利用納米凝膠理化性質在體積相變溫度附近的最小值,有助于進一步改進現有腫瘤治療方案并開發更高效的腫瘤治療策略。

圖2. 納米凝膠理化性質在體積相變溫度附近呈現最小值,在經導管動脈栓塞術和腫瘤靶向藥物遞送中具有重要應用前景。
該工作是對納米凝膠體積相變行為在生物醫學應用中所發揮關鍵作用的系統總結和展望。近幾年來,李子福教授團隊基于納米凝膠力學特性開發了網狀內皮系統阻塞策略和光熱調控腫瘤力學策略,顯著提高了納米藥物的抗腫瘤療效(Nature Communications, 2023, 14, 1437);系統總結了利用納米藥物力學特性賦能抗腫瘤治療的研究進展并對其應用前景進行展望(Chemical Society Reviews, 2020, 49, 2273-2290;Chemical Society Reviews, 2025, 54, 5698-5734);同時,建立了納米藥物力學和腫瘤力學之間的邏輯關聯,為優化納米藥物力學設計提供新思路(Advanced Science, 2024, 11, 2306730;Chemistry of Materials, 2024, 36, 1041-1053)。
原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-025-67780-8
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