The Innovation | 超声响应性物质的生物医学应用

导 读

特定强度和频率的超声波对生物组织无害，在生物医学领域具有广泛的应用价值。基于超声波的多种理化效应，许多物质已被研究证实具有灵敏的超声响应性。在这篇综述中，我们总结了近年来超声响应性物质的发展现状及其生物医学应用，包括生物传感、成像诊断、疾病治疗等。

图1 图文摘要

根据某些聚合物特定的机械化学性质，超声波可在分子水平上对聚合物进行剪切和重排。厦门大学霍帅东教授团队创新性地提出了三种超声波诱导分子键断裂从而激活药物分子的方式。通过耦合连接二巯基团和碳酸键携带抗癌药物，该团队实现了超声辐照下二巯基团断裂并激活释放药物的超声响应性药物前体系统（图2A）。此外，基于RNA适配体对应靶点的结合力，该团队将新合成的聚合核酸适配体与抗生素非共价结合，实现超声触发RNA中磷酸双酯键断裂，从而引起药物释放（图2B）。该团队还提出了两种具有力敏感性的纳米分子组合体，通过将万古霉素和肽键靶序列进行超分子结合，实现超声打破超分子键和药物的激活（图2C，D）。霍帅东教授团队的上述研究发现为超声控释药物提供了新的思路。

图2 超声波诱导分子键断裂。

近年来，声动力治疗在疾病治疗中表现出的显著优势引起了科学家们的关注，其中，压电纳米材料被认为是一种理想的无机声敏剂。以非中心对称的四方钛酸钡（T-BTO）为例，其特殊的近立方形貌和面间距使其能在超声波的周期性振动下发生压电催化反应，生成活性氧自由基（ROS）；通过应用水凝胶包裹T-BTO并局部注射于肿瘤部位，研究人员实现了高效的超声触发下抗肿瘤治疗应用（图3A）。钼酸铋（BMO）纳米带是另一种具有特定二维铁电结构的压电纳米材料（图3B）。关于BMO纳米带的最新研究来自哈尔滨工程大学杨飘萍团队与长春应化所林君研究员，他们所合成的偶联有谷胱甘肽的超薄BMO纳米带不仅能实现肿瘤的CT成像，还能实现声动力抗肿瘤治疗，为压电材料在声动力治疗中的应用拓宽了道路。

图3 压电纳米材料声敏剂

目前，由外部刺激推动的微纳米马达在人体内的应用也已经引起了广泛的关注，相关应用包括靶向药物输送、精密微纳米手术、体内难以探测部位的活检和诊断等。与其它外部刺激相比，超声波具有指向性强、穿透性强、生物安全性高等优点。基于超声波空化效应引起的微气泡共振现象，研究者发现被封闭于单向开放空间中的微气核在相应共振频率的超声波刺激下，其气液界面会产生推动力，可以实现超声可控的微载体定向运动。有研究人员将多种不同尺寸的单向开放微管道以不同角度和朝向集成于单个微载体中，通过在不同方向施加不同频率的超声波，实现了超声波可控的微载体三维定向运动（图4A）。此外，通过对微载体的结构和材质进行调整优化，Aghakhani团队解决了大多数微纳米马达只能在均匀牛顿流体中推进的限制，设计了可在复杂生物流体中推进的超声波可控微马达（图4B）。

图4 超声响应性微马达

总结与展望

超声波与物质之间相互作用机制的发现和超声响应物质的研究进展使超声在生物医学领域具有广泛的应用潜力。无论是生物传感还是疾病治疗，其最终目的是促进人类健康，因此超声响应性物质的实际应用和发展离不开临床实验和临床医生的合作与推动。许多相关的临床研究已获得长足进展，但其生物安全问题及更多应用潜力的探索仍需要多个学科领域的合作和交流。相信在不久的将来，超声波的实际应用有望进一步扩展到更广泛的领域。

责任编辑

居 阳    南京大学

张 艳    中国科学院地质与地球物理研究所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00049-8

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第三期以Review发表的“Ultrasound-responsive matters for biomedical applications” (投稿: 2022-11-08；接收: 2023-04-03；在线刊出: 2023-04-06)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100421

引用格式：Huang D., Wang J., Song C., et al. (2023). Ultrasound-responsive matters for biomedical applications. The Innovation. 4(3),100421.

作者简介

赵远锦，教授，博导，国家杰青、国家“万人计划”科技创新领军人才，科技部中青年科技创新领军人才，国家优青，英国皇家化学会(RSC) Fellow，科技部重点专项首席科学家。主要从事微流控与器官芯片、人造器官、药物智能递送、仿生界面及其医学应用等研究。

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