2023西湖未来论坛-最值得关注的十大生物健康材料.pdf

探索未来趋势：最值得关注的十大生物健康材料国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINA1986导言过往几十年当中，由于生物材料所具备的出色适用性，科学界对生物材料的研究呈现出快速且多样化的趋势，开发出越来越多种类的生物材料。生物材料是指被设计用于与生物体相互作用，且不会产生明显副作用的材料。凭借其出色的生物相容性，生物材料通常用于对人体进行治疗和诊断。1-3生物材料包括天然材料和合成材料两大类。胶原蛋白、丝蛋白和纤维素等属于天然生物材料，而聚合物、金属、陶瓷和复合材料等属于合成生物材料。天然生物材料和合成生物材料，都在现代医学中发挥着重要作用。4-5本报告采用了CAS内容合集与大数据分析方法。CAS内容合集是目前最大的人工整理与标引的科学知识集合,是访问和了解目前世界上最新与最完整的跨学科科学的文献资源，覆盖化学、生物医学、工程、材料科学等学科。对于本报告的研究主题生物材料，CAS学科问题专家开发了关键词检索程序，提取了生物材料检索查询结果相关数据，包括标题、摘要、出版年份、概念词、文献类型（期刊与专利）和引文等信息。利用自然语言工具包，Python语料库识别出约三万个短语。每个短语的识别由相关文献在过去三年间（2020-2022）的发表率和相对增长率来决定。此外，在短语排序时还考虑了引文的内聚性。引文的图内聚度是通过计算提及特定短语的出版物引用次数，除以提及该短语的出版物数量而定。这些机器生成的短语经CAS学科问题专家多次审校，除去噪声，并提供反馈优化算法。最后，进入候选名单的短语，被用于优先考虑具有高发表率和良好引文图凝聚率的主题。入围的新兴短语由生物材料和应用混合组成，用于为各个子主题创建重点搜索查询。依据上述方法，我们在本报告中确定了十种最具前景的材料类型。我们将介绍这些材料在期刊和专利上的出版趋势，展现其多样化的应用，并揭示特定性质或材料快速发展的原因。我们的目标是全面概述这些领域的发展现状，并为未来的科研方向提供有价值的洞见。我们相信，这份报告将为研究人员、机构、甚至企业家和投资者们提供有益的引导，帮助他们进行战略规划，并进一步激励他们在这一领域的投入。一、水凝胶水凝胶是由三维聚合物网络构成的柔性材料，能吸收和保持大量水分。水凝胶具有亲水性和多孔性，呈交联结构，具有无限的分子量，且不溶于水。过去二十年中，水凝胶因其广泛的应用引起了研究人员的极大关注。图1A和1B分别展示了水凝胶期刊出版物和专利数量的增长情况。近五年来看，期刊出版物呈指数级增长，而已公开的专利数量则相对增长稳定。水凝胶可分为两种类型，物理水凝胶和化学水凝胶。物理水凝胶，也可称为可逆水凝胶，在改变温度、pH值、溶液离子强度等调控因素时，可变得易于溶解。6与之相反，化学水凝胶中的网络结构通过共价键结合而成，因此更稳定和不可逆。水凝胶材料具有可调节的物理和化学特性，使其在隐形眼镜、卫生用品和组织工程等多种应用场景中都具有极高的适用性。此外，一些水凝胶可作为药物或活性生物分子的刺激反应性载体，提供伤口保护并促进伤口愈合。研究人员致力于创新性地设计针对特定应用的水凝胶。为实现这一目标，研究人员探索了各种天然的、合成的原材料。根据来源不同，水凝胶可以是天然的、合成的、混合的或半合成的。7天然水凝胶可由胶原蛋白、壳聚糖、海藻酸盐、透明质酸、纤维素和明胶等天然成分制成，具有最好的生物相容性、生物可降解性和较好的粘合性。8-10然而，天然水凝胶通常存在可调性较差的问题，并由此导致在实现某些非常规特质方面存在局限性。由于合成水凝胶通常较天然水凝胶更容易定制化制备，进而克服天然水凝胶的固有缺陷。因此，在确保生物相容性的前提下，合成水凝胶通常会是生物医药应用中的首选。聚乙二醇(PEG)、8-10聚乙烯醇(PVA)、11-12聚丙烯酸(PAA)13和聚乙烯氧化物(PEO)14等合成聚合物，都被广泛用于制备各种合成水凝胶。混合水凝胶由天然和合成聚合物组合而成，以同时发挥两者各自的优势。15-17值得注意的是，合成水凝胶已作为成熟材料应用在多个领域，而天然水凝胶则仍处于开发过程中。为满足各种应用场景的需求，研究者们近年来制备了许多类型的功能性水凝胶。图1C展示不同类型水凝胶按功能分类后，以导电、自愈合、坚韧、刺激响应、可注射、形状记忆、多功能为主题的水凝胶相关期刊出版物增长趋势。如，具有混合乳胶颗粒的离子导电水凝胶，表现出近似人体皮肤的出色机械适应性，包括良好的延展性、强韧电性、快速自恢复性和低模量。18大多数水凝胶的实际应用受限于其有限的韧性。为解决这一问题，研究者开发出了一种具有黏附面和高药物负载能力的韧性生物相容水凝胶，能实现肌腱滑动和与肌腱的强黏附。19此外，还有数篇关于水凝胶的文献报道了其用于特别值得关注的领域，如食品科学、20组织再生、21三维生物打印22-23等 领域。图1D根据药物递送、组织工程、抗菌活性/载体等三个主要应用领域，对水凝胶相关出版物进行了分类。值得注意的是，天然水凝胶可能是由于其固有的生物相容性，在这些应用领域中占主导地位。如前所述，专利量远远低于学术期刊出版物数量。饼图展示了不同原料水凝胶的专利分布（图1E）。图1D展示的是期刊出版物中探索各类天然水凝胶。值得注意的是，壳聚糖和纤维素在药物递送和抗菌方面都表现出更快的增长速度。而在专利中，胶原蛋白和明胶则占据主导（图1E）。预计在不久的将来，壳聚糖或纤维素相关水凝胶的专利，可能会在药物递送或抗菌领域有一定的增加。探索未来趋势：最值得关注的十大生物健康材料|1(C)发表年份期刊发文数量(B)发表年份专利发文数量(A)发表年份期刊发文数量用于药物递送的材料(D)发表年份期刊发文数量(E)用于药物递送的材料明胶胶原蛋白9.8 K4.4 K海藻酸盐(158,0.1%)纤维素(153,0.1%)壳聚糖(25,0.02%)透明质酸(55,0.03%)8%4%120 K组织工程材料胶原蛋白2.8 K明胶1.5 K海藻酸盐(62,0.4%)壳聚糖(54,0.4%)纤维素(36,0.2%)透明质酸(27,0.2%)18%10%15 K海藻酸盐(57,0.1%)纤维素(45,0.1%)壳聚糖(29,0.1%)透明质酸(7,0.01%)抗微生物药物制剂53 K明胶1.4 K胶原蛋白1.3 K3%3%0100200300400500智能材料用于药物递送的材料组织工程材料抗微生物药物制剂脑机接口材料生物电子材料0100020003000智能材料用于药物递送的材料组织工程材料抗微生物药物制剂材料脑机接口材料生物电子材料0100200300400500600导电水凝胶自愈合水凝胶水凝胶电解质多功能水凝胶坚韧型水凝胶刺激响应水凝胶可注射水凝胶形状记忆水凝胶02004006008001000120014001600壳聚糖纤维素海藻酸盐明胶透明质酸胶原蛋白发表年份期刊发文数量02004006008001000120014001600胶原蛋白明胶壳聚糖海藻酸盐透明质酸纤维素发表年份期刊发文数量02004006008001000120014001600壳聚糖纤维素海藻酸盐胶原蛋白透明质酸明胶组织工程材料抗微生物药物制剂材料200420062008201020122014201620182020202220032005200720092011201320152017201920212004200620082010201220142016201820202022200320052007200920112013201520172019202120042006200820102012201420162018202020222003200520072009201120132015201720192021200420062008201020122014201620182020202220032005200720092011201320152017201920212004200620082010201220142016201820202022200320052007200920112013201520172019202120042006200820102012201420162018202020222003200520072009201120132015201720192021图1.过去二十年（2003年至2022年）中，水凝胶在智能材料、药物递送、组织工程、抗微生物、生物电子材料和脑-机接口等六个应用领域中的增长情况，以（A）期刊出版物和（B）专利出版物的形式分别呈现。（C）关于新型水凝胶的期刊出版物情况。(D)该图呈现了药物递送、组织工程和抗微生物三个应用领域中，六种材料（壳聚糖、纤维素、藻酸盐、明胶、胶原、透明质酸）的期刊出版物增长情况。（E）同期专利出版物中，上述材料的分布情况。注：本报告图表中的K代表千。二、抗微生物材料抗微生物药是指用于消灭微生物的药物，根据其针对的生物体类型不同，可分为抗生素、抗真菌剂、抗病毒剂和抗寄生虫药。每种类别的抗微生物药都面临着独特的挑战。在过去的十年左右，抗微生物药物耐药性的问题日益严重，并被世界卫生组织（WHO）视为“全球健康和发展的威胁”以及“人类面临的十大全球公共卫生威胁之一”。24抗生素面临的主要挑战是多重耐药性导致的超级细菌菌株的出现。25这一问题是由多种复杂原因（包括社会经济原因）导致的，且由于人类、动物以及食品工业中抗生素的滥用，26-28新型抗生素缺失的问题愈发凸显。29-31COVID-19的爆发再次强调了开发广谱抗病毒药物的重要性。其中，病毒突变导致的耐药性是抗病毒药物研究中的主要难点。32-33研究人员发现，抗真菌药的开发由于高毒性、缺乏新靶点和快速耐药性等问题而相对停滞或进展缓慢。34-36然而，随着气候变化危机的到来，预计影响人类的真菌感染将增加，37使得开发新型抗真菌药物迫在眉睫。根据CAS内容合集的分析显示，在过去的二十年中，关注抗微生物领域生物材料的期刊出版物数量持续增长。在过去五年内，虽然相关期刊出版物数量呈指数级增长，但是专利数量却以相对稳定的速度增长（图2A）。值得一提的是，图2B表明抗细菌材料在期刊出版物的发表中贡献最大，其次是抗真菌材料、抗病毒材料和抗寄生虫材料。就材料类型而言，纳米材料的期刊出版物数量呈现出显著增长趋势（图2C）。对CAS内容合集的进一步分析显示，在基于纳米技术的系统中，纳米颗粒是期刊出版物中最突出的贡献者，其次是纳米纤维、纳米载体、纳米管和纳米片。纳米棒、纳米酶和纳米线等材料的期刊出版物数量较少，但在近年中呈现出逐渐崛起的趋势（图2D）。纳米颗粒已成功地被用作针对细菌38、真菌39、病毒40-41和寄生虫42的靶向载体。纳米材料的性质和尺寸对其抗微生物活性至关重要，当前常见的抗微生物纳米材料包括：金属（如Ag、Au、Cu）和金属氧化物（如ZnO、CuO）43以及基于聚合物44的纳米颗粒。除此之外，诸如聚合物、抗微生物肽和水凝胶等其他材料也在过去二十年中呈现出增长趋势，（图2C）。抗微生物肽（AMP）是天然存在的肽类，可以根据其抗微生物目标（抗菌肽、抗真菌肽、抗病毒肽或抗寄生虫肽）进行分类。45一些经FDA批准的AMP类药物列举如下：青霉素（CAS号1405-97-6）、万古霉素（CAS号1404-90-6）以及奥利万星（CAS号171099-57-3）。46此外，具有抗微生物特性明胶基生物支架和胶原基纳米复合材料/支架已应用于伤口愈合47-49和组织工程（图2C,2D）。50在新兴生物材料领域，抗细菌的相关出版物数量是抗病毒和抗真菌的相关出版物数量的15倍和3倍（图2E）。在细菌细分类别中，金黄色葡萄球菌和肠杆菌，分别代表革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，代表了最主流的科研靶向细菌。这可以归因于其代表的两个属中均存在多重耐药性。51-54其他主要的靶向细菌包括革兰氏阴性菌中的绿脓杆菌、克雷伯菌和沙门氏菌，以及革兰氏阳性菌中的芽孢杆菌和链球菌。值得注意的是，大多数上述细菌均显示出不断增强的耐药性。55-60因此，在抗微生物材料领域，生物材料技术发展的兴趣主要集中在克服耐药性方面。61图2E显示抗病毒药物开发方面的出版物分布偏向抗艾滋病病毒和抗疱疹病毒的研究，抗流感病毒和抗冠状病毒的研究紧随其后。最后，抗真菌方面的研究兴趣更多地集中在念珠菌属（图2E）。它是导致真菌感染的常见病源，且发病率不断上升。62其他属，如曲霉属63-65和镰刀菌属66也受到了研究人员的关注，尤其是针对免疫力低下的个体。探索未来趋势：最值得关注的十大生物健康材料|3(A)(B)(C)(D)EnterobacterStaphylococcusPseudomonasBacillusKlebsiellaSalmonellaStreptococcusAcinetobacterMycobacteriumClostridiumLactobacillusProteusListeriaShigellaHelicobacterMicrococcusVibrioStreptomycesPriestaMorxellaPorphyromonasCampylobacterStenotrophomonasActinobacteriaMycoplasmaBifidobacteriumChlamydiaBurkholderiaNeisseriaHaemophilusSerratia细菌30 K21%20%13%6%6%4%4%2%1%0.4%0.5%病毒2 KHIVHerpesHepatitisCytomegalovirusCoronavirusVaricellaInfluenzaRespiratory syncytialPapillomavirus20%17%13%13%10%8%7%7%6%AspergillusFusariumPenicilliumSaccharomycesTrichophytonCryptococcusCandidaRhizoctonia真菌9.4 K43%25%10%6%5%5%4%2%(E)0200040006000800010000120001400016000发文数量发表年份专利期刊200420062008201020122014201620182020202220032005200720092011201320152017201920210200040006000800010000期刊发文数量发表年份抗细菌抗真菌抗病毒抗寄生虫20042006200820102012201420162018202020222003200520072009201120132015201720192021纳米级的水凝胶抗菌肽生物活性玻璃聚合物生物高分子季铵化合物期刊发文数量发表年份0100020003000400050006000700080000501001502002503003502004200620082010201220142016201820202022200320052007200920112013201520172019202120042006200820102012201420162018202020222003200520072009201120132015201720192021纳米粒子纳米管纳米载体纳米纤维纳米球纳米团簇纳米线纳米片纳米晶体纳米棒纳米酶0100200300400500600期刊发文数量发表年份0100020003000400050002004200620082010201220142016201820202022200320052007200920112013201520172019202120042006200820102012201420162018202020222003200520072009201120132015201720192021图2.(A)在过去二十年（2003年至2022年）中，抗微生物材料领域的期刊和专利出版物的增长情况。(B)四个主要子类别的期刊出版物的相对增长情况：抗细菌、抗真菌、抗病毒和抗寄生虫。(C)抗微生物材料的材料类型发展趋势：纳米材料的增长显著快于生物基聚合物、季铵化合物和生物活性玻璃体（为了清晰起见，在插图中显示）。(D)抗微生物领域基于纳米技术的期刊出版物增长情况，纳米颗粒的数据单独显示以保持清晰。(E)三个主要类别-细菌、病毒和真菌的出版物（期刊和专利）分布情况。饼图中心的数字对应于各类别的总出版物数量比例。三、脂质纳米粒脂质纳米粒（LNP）是一种由脂质双层膜包围的纳米颗粒。3LNP的主要应用之一是作为药物递送平台，高效地将疏水性或亲水性药物（包括小分子化合物以及各种复杂生物物质，如蛋白质和核酸）递送至目标细胞。例如，LNP在COVID-19mRNA疫苗中发挥了关键性作用，有效地保护和递送mRNA到细胞中，这进一步证实了LNP在药物递送中的适用性。67-69脂质体是最早的一种LNP类型，传统上被用于药物递送70-71（图3A）。根据制备方法的不同，脂质体可以被单个或多个脂质双层包围，形成单层囊泡或多层/多孔囊泡。72-73脂质体的大小可以从较小（约25纳米）到大（约1微米）的囊泡变化。囊泡大小是调节脂质体循环半衰期的重要参数，且大小和脂质双层的数量都会影响药物的封装量。74此外，脂质体的特殊结构使其能够在脂质双层的烃链区域内携带疏水性药物，而亲水性药物可以被封装在水溶性核心内。这些特点使得脂质体具有普适性，能够成功递送不同极性的药物，包括抗癌、抗生素、抗炎、麻醉和其他药物。LNP也可用于创伤愈合、诊断以及人工细胞模型等领域。3,67,75目前有关生物膜结构和组织的许多知识都是基于对模型脂质系统（如LNP，特别是脂质体）的研究。76不同类型的LNP呈现出结构和组成的多样性。最简单的LNP是单层脂质体，其具有由脂质双层包围的亲水性核心（图3A）。因此，亲水性和疏水性药物分别被包裹在亲水性核心和脂质双分子层中。尽管这些未经修饰的LNP具有各种优点和用途，但它们缺乏选择性和特异性,并且稳定性较低。3为了克服这些缺点，研究人员开发了被修饰过的LNP（modifiedLNP），如靶向脂质体。靶向脂质体的表面附着有小分子、肽和/或抗体等配体。74，77这些表面分子也可以是特异性的配体，其相应的受体在癌细胞、炎症细胞等上过度表达，有助于选择性地靶向这些细胞。研究人员还开发了另一种被修饰过的LNP，空间稳定(“隐形”)脂质体。它们含有聚合物涂层，其中最常见的是聚乙二醇(PEG)78-79。具有惰性和生物相容性的PEG在LNP周围形成空间屏障，使其免于被吞噬，从而延长其在体内的循环半衰期。80-81携带核酸的脂质纳米粒也是一种特殊类型的LNP。它们专门用于mRNA的递送，并被设计为每个LNP可携带多个(100)mRNA。这些脂质纳米粒具有可电离脂质，在周围pH值不同的情况下具有不同的电荷，使其能够与带负电的核酸形成稳定的复合物，并成功释放核酸。81下一代LNP，如固体脂质纳米粒、纳米结构脂质载体和非层状LNP（如立方晶），结构更为复杂精细，在结构稳定性、生物相容性和载药量上都有明显的提升。82以立方晶为例，其是由单个脂质双层形成的立方液晶相分散体系。其中两个水通道相互交织形成稳定地双连续体系并辅以聚合物进行界面稳定。83-84由于其多样化的结构特征，LNP具有诸多优点，如良好的生物相容性、高载药量、低免疫原性、长期稳定性、保护药物免受外部因素的降解、增强药物生物利用度、改善药物释放特性以及成功的药物靶向。固体脂质纳米粒等LNP还可以促进药物在所需的靶标位置进行控释和缓释。为了分析不同类型的LNP在出版物中的相对出现频次，本报告使用CAS内容合集进行了研究分析。分析结果表明，免疫脂质体一种被抗体或抗体片段功能化的脂质体，是自2003年以来在出版物中出现频次最高的脂质体，约占总出版物数量的50%(图3B)。阳离子脂质体包含一种或多种阳离子，从而形成带正电荷的脂质双层，并与带负电荷的核酸形成复合物。另一个高频次出现的脂质体是阳离子脂质体，聚乙二醇化(“隐形”)脂质体的出现频次紧随其后。相比于更传统的结构，有关固体脂质纳米粒、纳米结构脂质载体和立方晶的出版物数量较少，这表明研究人员最近才对这些结构产生兴趣。图3C展现了过去二十年中每种脂质体类型的出版物发表趋势，其中免疫脂质体仍然呈现出新兴趋势(图3C)。值得一提的是，固体脂质纳米粒和立方晶都呈现出较快的增长率。固体脂质纳米粒因其稳定性、较高的载药量、良好的药物释放特性、长期胶体稳定性以及对口服疏水性药物更好的生物利用度，已经逐渐成为各种应用中首选的LNP 类型。82,85-87探索未来趋势：最值得关注的十大生物健康材料|5虽然LNP已经成为很有前景的药物递送平台，但它们依然存在一定的局限性。例如，在阳离子LNP中大量使用合成脂质，特别是高电荷的脂质，可能导致毒性问题。因此，应该使用含有较少和更安全的脂质LNP来替代它们。另一个与LNP安全性相关的重要问题是PEG偶联物引发的某些免疫反应，如加速血液清除(ABC)。这种现象涉及在初始注射LNP时产生的针对PEG的抗体，既而导致随后注射时药物被迅速清除。PEG偶联的LNP还可能引发超敏反应，即补体激活相关的假过敏(CARPA)。这些不良免疫反应推动着研究人员开发更安全的基于LNP的药物制剂。79051015202530相对发文量增长速度（%）发表年份立方晶固体脂质纳米粒子纳米结构脂质载体免疫脂质体隐形脂质体阳离子脂质体(B)(A)(C)脂质纳米粒子的类型免疫脂质体阳离子脂质体隐形脂质体固体脂质纳米粒子纳米结构脂质载体立方晶(400)35 K11 K10 K8.3 K2.6 K图3.（A）不同类型脂质纳米颗粒的示意图，引自Tenchov等人。2（B）不同类型脂质纳米粒的出版物分布情况，数据显示出出版物数量快速增长。（C）过去二十年中不同类型脂质纳米颗粒的出版物发展趋势。四、外泌体外泌体是由脂质双层包裹的纳米级（直径约30-150纳米）的细胞外囊泡。88-90它们可被大多数真核细胞分泌，并通过转运蛋白质、核酸和脂质等生物活性物质至靶细胞来促进细胞间通讯。91-93除了在细胞间通讯和信号转导中的作用外，外泌体还对支持和重塑细胞外基质、产生免疫反应、维持组织稳态和促进组织再生等方面至关重要。它们还与癌症、神经退行性疾病和心血管疾病等疾病的发展有关。91,94-96外泌体具有固有的稳定性、低免疫原性、生物相容性和良好的生物膜穿透能力等特性，使其成为高效药物递送的优质天然纳米载体。此外，外泌体还有利于临床诊断，其携带的宿主细胞中的生物分子是病理生理状况的指示剂。97-100然而，外泌体的生物发生是一个复杂的过程，目前已确认多种生成方法，如图4A所示，最主要途径之一是胞吞途径。97,101-102对外泌体的生物组成进一步研究发现，根据供体细胞的性质，外泌体含有各种膜结合蛋白，如四次跨膜蛋白、热休克蛋白、膜转运蛋白和融合蛋白。99,103-104可以通过人工表达某些表面蛋白来将外泌体靶向运送到特定的细胞或组织。外泌体的脂质双层膜还含有胆固醇、鞘磷脂、酯胺、饱和磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺等脂质，其浓度高于细胞质膜。外泌体腔内含有DNA、mRNA、microRNA（miRNA）和非编码RNA（ncRNA）等核酸，以及肽、蛋白质和各类代谢物；其中一些成分还可以作为诊断标志物（如图4A所示）。92-93利用CAS内容合集进行检索发现，基于上述特性和优势，外泌体是科学界持续关注的话题之一。如图4B所示，自2011年以来，有关外泌体的出版物数量呈指数级增长。值得关注的是，在最初的几年中（2003年-2011年），虽然相关专利绝对数量相当可观，但与期刊出版物数量的增长量相比，专利数量的整体增长速度相对较缓。最近，利用源自脂肪组织干细胞的外泌体促进伤口愈合的研究也见诸报道。90,98,105药物分子或者生物活性物质可以在外泌体分离前后引入其中。如图4C所示，装载外泌体有多种方法；其中，最常用的是电穿孔的方法，其次是转染和冻融。89,106-107挤压和孵育等其他方法也可用于外泌体的装载，但使用较少。所有与外泌体相关应用的一个重要前提是大规模分离和纯化外泌体。108-110用于从组织、体液（包括血清、血液、尿液、脑脊液和乳液等）中纯化外泌体的方法包括超速离心、尺寸排除色谱、超滤、聚合物诱导的外泌体沉淀、微流控、免疫亲和技术、非对称流场流分离和适配体技术等。111-117面临的主要挑战包括难以扩大生产规模、缺乏标准化的纯化和分析方法导致产量低以及各批次间存在品质差异。110,118因此，开发高效可靠的分离和表征技术对于进一步推进该领域的发展至关重要。109,118-119尽管目前市场上尚无获批的外泌体药物，但其应用前景非常广阔。目前，已有数百项基于外泌体的临床试验正在进行，探索利用外泌体76治疗癌症、神经退行性疾病、中风、抑郁症等多种疾病的 方法。探索未来趋势：最值得关注的十大生物健康材料|7(A)(B)0500010000150002000025000发表年份发文数量期刊 专利(C)药物载荷方法电穿孔法感染冻融法超声波法挤压法孵育法30%19%17%13%11%10%图4.（A）外泌体的生物发生和分泌示意图，参考Tenchov等人的工作。104（B）2003年至2022年期间外泌体相关出版物增长情况（包括期刊和专利）。（C）应用外泌体的治疗和诊断相关文献中使用不同外泌体装载方法的百分比。五、生物墨水生物墨水是指用于3D生物打印（3DBP）的天然或合成材料，主要以载细胞的水凝胶形式存在。生物墨水的制造使得构造具有特定生物和生化环境的生物构造物成为现实。3D生物打印技术能够制造出具有理想特性的仿生支架，120并控制细胞和其他生物材料的空间组织，以模拟天然组织或器官。理想的生物墨水材料应具备以下关键特征：高机械完整性、生物可打印性、在细胞培养基中的不溶性、适合再生组织的生物可降解性、非免疫原性和无毒性。此外，它还应促进细胞黏附。基于以上需求，人们已经制备出很多可用于再生医学和组织工程领域的生物材料。121-122在过去的几十年中，成功的药物开发项目数量一直停滞不前。123除其他因素外，临床前模型的可靠性不足也是导致整体成功率较低的重要原因。由3D生物打印制造的活体结构具有诸多显著优势，如可加快药物开发进程、提高候选药物在临床试验中的成功率等。由生物墨水制成的三维支架可以为细胞提供三维培养环境，在其中可持久保持人类细胞的多种生理和功能相关表型。124为了提高候选新药的临床疗效和安全性预测，研究人员目前对3D生物打印培养环境很感兴趣。在器官型和微生理细胞培养中，人体细胞可培养数周至数月，从而可以进行长时间的研究，例如药物ADME研究。此外，组织或器官供应短缺是全球公共卫生关注的一个重要问题。根据世界卫生组织的数据，目前全球仅有10%的需求可以得到满足。使用生物墨水进行3D生物打印可以制造出免疫排异反应最小的人造生物器官。然而，3D生物打印器官的概念要获得成功，还需要成功实现几个中间目标。水凝胶创造的3D环境与天然细胞外基质非常相似，可以为细胞提供适当的营养和氧气供应，使得通过生物打印构造的细胞存活率高到90%。此外，水凝胶已经被用于制造一些3D组织或器官模型，此类模型在药物测试、临床前治疗效果和复现复杂器官的解剖等方面做出了重大贡献。22,125如图5A所示，在过去二十年中，与生物墨水相关的期刊和专利出版物的数量不断增加，反映了这些材料在组织或器官再生研究中的适用性。值得注意的是，报道最多的生物墨水材料包括胶原蛋白、干细胞、转录因子、成纤维细胞和细胞外基质(图5B)。由胶原蛋白和蚕丝混合制备的复合水凝胶已被视为理想的皮肤仿真材料。1263D生物打印也被用于制造模拟大脑的多层结构，以促进神经元生长和脑网络建立。127这些生物打印的类脑结构对理解大脑功能、脑损伤和神经退行性疾病做出了重大贡献。通过3D生物打印制备的多通道仿生支架已被用于为脊髓损伤患者提供长期个性化的临床植入物。128一些研究小组已经利用3D生物打印进行组织或器官再生，如打印心脏组织或部分器官，129-130骨组织工程，130-131软骨再生，132以及打印多层肝样结构。133图5C表明，骨骼和再生在使用生物墨水进行3D生物打印的应用中占主导地位。3D打印所得器官中，肝脏占据了约80%的出版物总量。然而，3D生物打印的临床转化仍有待观察。迄今为止，3D生物打印的进展仅限于临床前研究。人体实体移植器官的3D生物打印尚未实现。有临床试验分析了假牙、骨缺损种植体和矫形装置的安全性和有效性。利用带有生物墨水机械臂或手持设备的原位3D生物打印技术，或将为临床转化做好准备。136-137探索未来趋势：最值得关注的十大生物健康材料|9050010000100020003000400050006000期刊 专利发表年份发文数量发表年份发文数量(A)(B)(C)组织/器官14 K器官5.2 K骨骼器官皮肤神经肌肉关节(291)肌腱(262)韧带(210)7.9 K5.6 K1.4 K1.3 K1.1 K肝血管心脏肺肾眼睛(117)乳腺(16)胰腺(110)4.3 K654488156151胶原蛋白干细胞转录因子/生长因子成纤维细胞细胞外基质图5.(A)从CAS内容合集中挖掘的生物墨水出版物增长趋势。(B)生物墨水领域材料的出版物数量发展趋势，如胶原蛋白、干细胞、转录因子、成纤维细胞、细胞外基质等。(C)环形图代表出版物在不同组织和器官系统中的分布，右图更详细地显示了生物墨水在不同类型器官中的应用。六、可编程生物材料可编程生物材料是一种可以响应外部刺激或环境变化而改变其性质和形状的动态生物材料。138-139作为下一代生物材料，可编程生物材料的相关研究在过去十年中一直保持增长，这反映在出版物，特别是期刊出版物的显著增加上（图6A）。可编程生物材料响应外部刺激的能力促进了智能设备或“活体”设备的设计。这些材料可在其初始状态和不同于其初始形状的构象、结构或形状间切换。139最广泛使用的材料是形状记忆聚合物（SMPs）（图6B），根据其转换为各种形状的能力，可以将其分类为单向140或双向形状记忆聚合物。140-141单向形状记忆聚合物在受到特定刺激时可以从临时的形状恢复到原来的形状。相比之下，双向形状记忆聚合物有能力响应不同的刺激以在两种或两种以上的形状间转换，提供更多元的变形能力。140在过去十年里，可编程生物材料中一个吸引人的应用是4D打印，即在3D打印基础上加上了时间的维度。142-143然而，根据更细微的定义，4D打印结构是一种能够在受到长时间刺激时发生属性或形状变化的结构。在过去二十年中，4D打印常用的聚合物材料在出版物数量方面显示出稳定的增长（图6B和6C），表明人们对4D打印的兴趣日益浓厚。类似的，与聚合物辅以纳米颗粒144的混合材料相关的出版物也在稳步增长（图6B和6C）。在该领域常用的其他新兴材料包括金属基材料145-146、水凝胶和丝基材料。148-149在这一领域，对仿生材料（包括基于DNA的和基于多肽）的兴趣也在上升150（图6B和6C）。自2018年以来，金属有机框架方面的出版物突然急剧增加（图6C），这可归因于MOF基复合薄膜在机器人151和催化152领域的应用。可编程材料响应的刺激类型多种多样，但最常见的是pH、153磁场、154-155光156和温度157-160（图6D）。除此之外，机械刺激、147渗透压161和电场162也在可编程材料中见诸应用（图6D），但数量相对较少。此外，目前还存在能够响应多种刺激的材料，163并显示出惊人的应用潜力。毫无疑问，可编程材料在生物医学领域具有巨大潜力。探索未来趋势：最值得关注的十大生物健康材料|11(A)0100020003000400050006000700020042006200820102012201420162018202020222003200520072009201120132015201720192021发表年份发文数量期刊专利(B)0100020003000400050006000金属聚合物纳米材料水凝胶丝蛋白仿生材料金属有机框架发表年份发文数量20042006200820102012201420162018202020222003200520072009201120132015201720192021(C)刺激类型酸碱度温度光磁机械(109)渗透压(61)电(28)1.2 K1.4 K1.7 K8.6 K572305301170794325010203040发表年份相对发文量增长速度（%）金属有机骨架仿生材料水凝胶纳米材料金属丝蛋白聚合物DNA 材料肽20042006200820102012201420162018202020222003200520072009201120132015201720192021(D)图6.（A）近二十年来可编程材料的期刊和专利出版物趋势（分别以蓝色和黄色实线显示）。可编程材料在生物材料领域的出版物绝对数量（B）和相对增长率（C）。（D）生物材料中可编程材料对不同刺激类型（pH，温度，光，机械，电，磁，渗透）的使用分布。内部圆环图和外部饼图分别对应2003年至2022年的期刊和专利出版物总数。七、蛋白质材料蛋白质是由氨基酸组成的天然聚合物。蛋白质基生物材料，如丝蛋白、胶原蛋白、纤维蛋白、角蛋白、弹性蛋白和节肢弹性蛋白，都具有生物相容性、生物可吸收性和可生物降解性。164-165从图7A中可以明显看出，这一领域的期刊出版物数量在过去二十年中持续增长。尽管与期刊出版物相比，专利出版物的数量较少，但多年来也呈现出稳步增长的趋势。这些上升趋势以及高出版物基数表明研究人员对该领域的兴趣日益浓厚。为了进一步分析应用于先进蛋白质基材料中的蛋白质类型，我们利用CAS内容合集进行分析，发现明胶、多肽、胶原蛋白、细胞外基质（ECM）蛋白、抗体、白蛋白、角蛋白、丝蛋白、弹性蛋白、节肢弹性蛋白（resilin）和踝蛋白（talin）均被广泛使用（图7B）。值得注意的是，明胶和胶原蛋白的相关出版物占该领域出版物的40%以上。虽然弹性蛋白、节肢弹性蛋白和踝蛋白对总出版物数量贡献相对较小，但它们在过去几年中持续增长的出版物数量表明了它们逐渐兴起的趋势（图7C）。明胶是一种来源于胶原蛋白的物质，具有生物相容性、可吸收性和可生物降解性，因此明胶在组织工程、伤口愈合和注射填充等领域具有广泛应用。166在过去十年中，一种由明胶衍生物甲基丙烯酰化明胶（GelMA）制成的光交联水凝胶因其在开发3D打印支架、可注射水凝胶、以及组织工程和再生医学微图案等领域的应用而受到关注。167-171胶原蛋白本身是一种存在于动物组织细胞外基质中的纤维蛋白，同样是极具价值的生物聚合物。交联的胶原蛋白基材料、胶原蛋白支架、薄膜和水凝胶被用于组织工程、伤口愈合、及组织修复和再生。165，172-173丝蛋白是用于开发先进的蛋白质生物材料中常用的蛋白质之一。174它是一种纤维蛋白，自古以来就被用于开发医用手术缝合线。175-177进一步细分，再生丝素蛋白（SF）可以制成水凝胶、薄膜、纤维、纳米颗粒、冷冻凝胶和海绵等各种形式加以广泛应 用。176，178-1793而丝胶蛋白（SS）是另一种可作为“胶水”连接丝素蛋白的糖蛋白，因此应用于组织工程和细胞培养。177，180对CAS内容合集的分析表明，丝蛋白主要用于组织支架和组织工程、涂层材料设计、植入物、伤口敷料、药物递送、以及生物传感器开发（图7D）。此外，角蛋白等蛋白质可以用来浇铸成薄膜、复合材料、海绵和水凝胶，应用于从生物医药到水净化等广泛领域。181-182白蛋白是一种众所周知的血浆蛋白，用作增强细胞黏附的涂层材料。因此，白蛋白在组织工程和伤口愈合中得到了广泛应用。183白蛋白也被开发成水凝胶，用于pH和氧化还原敏感的靶向药物递送。184-185其他蛋白质，如弹性蛋白及弹性蛋白样肽（ELP）和弹性蛋白样重组体（ELR）等弹性蛋白衍生物，已被用于制备皮肤和血管移植物以及弹性软骨等材料。18